SensorNode 学习手册

先补基础：看懂后面要的 8 个概念

没学过单片机也没关系。这一章不讲项目，只讲后面每章都会用到的词。看完这章，后面会顺很多。

1. 单片机：一颗芯片里的小电脑

2. 二进制、十六进制、“第几位”

芯片里只有 0 和 1。8 个 0/1 叫一个字节，能表示 0 到 255。写成二进制太长，所以常用十六进制：逢 16 进 1，用 0–9 和 A–F（A = 10 … F = 15），前面加 0x 表示“这是十六进制”。4 位二进制正好是 1 位十六进制，所以一个字节就是两位十六进制。

3. 寄存器：一排有门牌号的开关

4. 地址：芯片里所有东西都有门牌号

后面看到 0x0802_0000，就知道是 Flash 里的某个位置；看到 0x2001_FF00，就知道是 RAM 的末尾。中间的下划线只是为了好读。

5. 轮询、中断、DMA：三种等数据的办法

6. 任务和 FreeRTOS：一个厨师炒四个菜

本项目四个任务：sense 每秒量一次温湿度，comm 跟电脑通信，alarm 判断要不要报警、控制 LED，wdg 检查大家是不是都还活着。没事干的时候 CPU 跑一个叫 IDLE 的空闲任务，实测 99% 以上的时间都在 IDLE。

7. Flash 和 RAM 的脾气

后面第 6 章、第 9 章很多设计（追加写、两份轮流写、写完再标记“有效”）都是在跟 Flash 的这几个脾气打交道。

8. 通信的几个基本词

• 协议：双方说话的规矩，比如一句话怎么开头、怎么结尾、出错了怎么办。
• 主机 / 从机（主站 / 从站）：主机发起，从机只回答。这里电脑是主机，板子是从机。
• 帧：一次发出的一整串字节，相当于“一句话”。
• 波特率：串口每秒传多少位。115200 大约每秒 11520 个字节。
• 校验码（CRC）：附在一句话末尾的“指纹”，接收方算一遍对不上，就知道传错了。
• 上位机：电脑上用来看数据、改设置的软件。板子叫“下位机”。

整体是什么

先有一张全局图，后面每一章都是在放大图上的某一块。

SensorNode 是一个温湿度采集终端，参照市面上 RS485 温湿度变送器的做法：每秒采一次温湿度，通过 Modbus RTU 把数据交给电脑上的 Qt 上位机。重点不在“能采到数”，而在出了问题以后怎么办：升级到一半断电不变砖，新固件跑不起来自动退回旧版本，死机以后能查到是哪一行代码，参数和日志掉电不丢。

这份手册怎么用

每一章的结构都一样：

• 打个比方：先用生活里的东西把意思讲明白。
• 用到了什么：外设、引脚、寄存器、文件。
• 原理和图：为什么这样设计，配图。
• 真实代码：从项目里摘出来的关键几行。
• 踩过的坑：上板时真遇到的问题。
• 面试会问：点开看参考答案。先自己说一遍，再点开对照。

没学过单片机的话，先看上一章“先补基础”。正文里带虚线下划线的词，点一下就有解释。

每章最后有一个“我能讲清楚了”的勾。标准是：不看任何资料，对着空气把这一章讲 3 分钟，讲得出来再勾。勾选只存在你这台电脑的浏览器里。

推荐的学习顺序

按章节顺序来，和做的顺序基本一致：先懂单片机怎么跑起来（01），再懂数据怎么进出（02），然后是多任务（03）和通信协议（04），这四章是地基。05 是电脑那一侧。06、07 是这个项目最能拿出来讲的部分：升级和死机定位。08、09 是两个外设。10 一定要看，面试官很爱问“你遇到过什么难查的问题”。

时钟和 GPIO

单片机怎么跑到 180 MHz，引脚怎么控制。

用到了什么

开机时我读过三个寄存器，确认配置真的生效：

GPIO 的四个配置寄存器

• MODER：这个引脚当输入、输出、复用（给外设用）还是模拟。
• OTYPER：推挽还是开漏。
• OSPEEDR：电平翻转多快。越快边沿越陡，干扰越大；点 LED 用低速就够。
• PUPDR：内部上拉、下拉还是都不要。

用任何外设之前，都要先开它的时钟（__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()）。芯片上电时外设时钟全关，为了省电；时钟没开，往寄存器里写东西不会生效。

改输出用 BSRR 而不是 ODR：BSRR 写一次就能单独置位或清零某几位；ODR 要先读出来、改一位、再写回去，三步中间要是被中断插进来改了别的引脚，写回去时会把别人的改动盖掉。

串口 DMA 和环形缓冲区

数据怎么进出单片机，CPU 怎么不被串口拖累。

用到了什么

接收：三种中断都要

• 空闲 IDLE：线上停了大约 1 个字节的时间，说明这一段发完了。
• 半满 HT、全满 TC：DMA 写到一半、写到末尾。对方要是一直不停地发，就不会有空闲；只靠 IDLE 的话，DMA 绕一圈回来会把还没取走的数据盖掉。

回调告诉你 DMA 现在写到了哪（size = 256 − DMA 剩余计数 NDTR）。用 rx_pos 记住上次处理到哪，新数据就是 rx_pos 到 size 这一段；如果 size 比 rx_pos 小，说明绕回开头了，分两段拷：

static int rx_pull(uint16_t pos)
{
  if (pos == rx_pos) return 0;
  if (pos > rx_pos) {
    rb_write(&rx_rb, rx_dma + rx_pos, pos - rx_pos);
  } else {
    rb_write(&rx_rb, rx_dma + rx_pos, RX_DMA_SIZE - rx_pos);
    rb_write(&rx_rb, rx_dma, pos);
  }
  rx_pos = pos;
  return 1;
}

void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t size)
{
  if (huart == &huart2 && rx_pull(size == RX_DMA_SIZE ? 0 : size)) {
    uart_rx_notify();
  }
}

注意 size == RX_DMA_SIZE ? 0 : size 这一句：在一个 256 格的环里，“写到第 256 格”和“写到第 0 格”是同一个位置。这一句是修一个真 bug 加上的，见下面的坑。

环形缓冲区为什么不用关中断

• 只有一个地方写、一个地方读（单生产者单消费者）。head 只由写的一方改，tail 只由读的一方改，各改各的，不冲突。
• 下标一直往上加，不取模，用的时候 & mask 换成位置。无符号数溢出绕回以后，head − tail 照样等于已用字节数。前提是大小必须是 2 的幂。
• 下标用 C11 的 atomic_uint：写方先拷数据，再用 memory_order_release 更新 head；读方用 memory_order_acquire 读 head。这样对方看到 head 变了的时候，数据一定已经写好，编译器不能把这两步调换顺序。

发送那边有好几个任务都会打印，写入方不止一个，无锁的前提不成立了，所以 uart_send 里“写缓冲区 + 启动 DMA”加了关中断保护。拷几十个字节大约 1 µs，影响很小。

FreeRTOS 和看门狗

四个任务怎么分工、怎么互相通知、谁卡死了怎么发现。

任务怎么分

排优先级的依据是“晚了会怎样”：看门狗晚了会误复位，又只做几行判断，所以最高；通信晚了主机会超时重发，排第二；采集晚几毫秒没人在意，最低。

任务之间怎么通信

• 串口中断 → comm：回调里用 osThreadFlagsSet 给 comm 发一个标志。comm 平时阻塞在 osThreadFlagsWait 上不占 CPU，有数据立刻醒。这是任务通知，一对一、最轻量。
• sense → alarm、comm：共享一个状态结构体，用互斥锁保护。互斥锁开了优先级继承，防止优先级反转。
• 中断优先级：串口和 DMA 中断设成 5。FreeRTOS 的临界区只屏蔽 5–15 的中断，要在中断里调 FreeRTOS 函数，优先级数值就必须 ≥ 5。

独立看门狗 IWDG

• 用内部 LSI 时钟（约 32 kHz），一旦启动只有复位能停下，CPU 死了它照样计数。
• 预分频 /32、重装载 4095，超时约 4 s。LSI 误差很大（17–47 kHz），实际在 2.8–7.7 s 之间。
• 写入顺序：KR=0xCCCC 启动 → KR=0x5555 解锁 → 写 PR、RLR → 等 SR 清零 → KR=0xAAAA 喂狗。
• DBGMCU->APB1FZ 设了 DBG_IWDG_STOP：GDB 停在断点上时看门狗也停，不然停几秒芯片就复位了。

实测：按住 B1 让 sense 卡死，约 4 s 后复位，RCC_CSR = 0x24000000，看门狗复位位（bit29）和复位引脚位（bit26）都置上了。

CPU 占用率

打开 FreeRTOS 的运行时间统计：每次切换任务，内核读一次计时器，把这段时间记到刚才那个任务的账上。计时器用 TIM5（32 位、1 MHz，71 分钟才回绕），不用 DWT 周期计数器，因为它按 180 MHz 数，23.8 秒就回绕了。sense 每 5 秒算一次各任务占比，从 SWO 打出来。

顺带：芯片内部温度怎么算

ADC 读出来的是“相对于 VDDA 的比例”，VDDA 不准结果就偏。所以先读 VREFINT（芯片内部稳定的参考电压），用出厂时在 3.3 V 下测好的值反推实际 VDDA；再把温度读数折算回 3.3 V 下的值，用 30°C 和 110°C 两个出厂校准点线性插值。全程整数运算，温度乘 100 存。实测 VDDA 3311 mV。

Modbus RTU

板子和上位机说话用的协议：一问一答，靠停顿分帧，靠 CRC 防错。

一帧长什么样

寄存器表（节选）

CRC16 怎么算

uint16_t crc = 0xFFFF;
for (每个字节 b) {
  crc ^= b;
  for (8 次) crc = (crc & 1) ? (crc >> 1) ^ 0xA001 : crc >> 1;
}

0xA001 是多项式 0x8005 按位反过来的样子，所以每次右移。拿两个公开值核对过：字符串 "123456789" 算出 0x4B37；请求 01 03 00 00 00 0A 的 CRC 是 C5 CD。也可以查表：先算好 256 项，每字节查一次，快很多，代价是多占 512 字节 Flash。一帧几十个字节，逐位算的耗时可以忽略，所以没用查表。

怎么知道一帧结束了

• 规范：帧之间停顿超过 3.5 个字符算新的一帧；波特率高于 19200 时固定为 1.75 ms。
• 超过 256 字节的帧整帧丢掉，一直丢到出现停顿，从下一帧重新开始。
• 从站地址不对、CRC 错的帧都不回复。主机等 200 ms 收不到就重发，最多 3 次，这就是超时重传。

写参数：要么全改，要么全不改

一次写多个寄存器（0x10）时，先把新值拷到一个临时配置里，整体检查（范围对不对、解除值是不是小于上限），全部合格才替换正在用的配置。例子：解除值是 43.00 时，单独把上限写成 35.00 会被拒绝（返回异常码 03），要用 0x10 把两个一起写。改成功以后存进内部 Flash 的参数扇区，断电不丢。

日志为什么走 SWO

日志和 Modbus 不能共用一个串口，主机收到夹着文字的数据就没法解析帧了。SWO 是调试口上一根单向输出线（PB3）：CPU 往 ITM 的端口 0 写字符，硬件自动从 SWO 发出去，ST-LINK 收下，OpenOCD 存成文件，tools/swo_view.py 去掉包头显示出来。

Qt 上位机

电脑这一侧：界面不卡、数据怎么显示、跨线程怎么传消息。

六个页面：实时数据（曲线）、寄存器表（双击可写）、告警、历史（SQLite 查询、导出 CSV）、固件升级、诊断（通信统计、复位原因、死机记录）。

跨线程怎么传消息

• ModbusWorker 是普通的 QObject，用 moveToThread 挪进 QThread，串口在它里面创建。
• UI 线程调工作线程的函数，用 QMetaObject::invokeMethod(worker_, lambda)：Qt 发现对象在别的线程，就把这次调用打包成事件，放进那个线程的事件队列，由它自己执行。
• 工作线程做完 emit finished(...)，连到 UI 线程的槽。跨线程时连接方式自动变成 QueuedConnection，参数拷一份传过去。自定义类型要先 qRegisterMetaType。
• 退出顺序：先让工作线程把串口关掉（BlockingQueuedConnection 等它做完），再 quit() + wait()，工作对象在线程结束时 deleteLater。顺序错了退出时会崩。

项目里真实的一段：升级器报告进度时，更新进度条。

connect(upgrader_, &Upgrader::progress, this, [this](qint64 done, qint64 total) {
  upgradeBar_->setValue(static_cast<int>(done * 100 / total));
});

Model/View

寄存器表用 QAbstractTableModel：表格控件（View）只管画，数据有几行、每格显示什么、能不能编辑，都由 Model 回答（rowCount、data、flags、setData）。双击保持寄存器 → View 调 setData → Model 把 45.00 换算成 4500 → Device::writeHolding → 设备回复后重新读一遍 → Model 发 dataChanged 刷新。设备拒绝时状态栏显示原因，表格里的值不变。

Bootloader 和在线升级

这个项目最能拿出来讲的一章：升级被打断不变砖，新固件有问题自动退回。

内部 Flash 怎么分

开机时 Bootloader 怎么决定跳哪

flowchart TD
  P[上电进 Bootloader] --> K{按住 B1?}
  K -- 是 --> R[救砖模式：串口收固件写 slot A]
  K -- 否 --> S[读升级状态]
  S --> T{有正在试运行的 slot?}
  T -- 试了 3 次还没确认 --> RB[回滚到 active，标记已回滚]
  T -- 校验通过 --> TR[tries 加 1，跳过去试运行]
  T -- 校验不过 --> RJ[拒绝，标记 REJECTED]
  T -- 没有 --> A{active 校验通过?}
  RB --> A
  RJ --> A
  A -- 是 --> J[跳到 active]
  A -- 否 --> O{另一个 slot 能用?}
  O -- 是 --> J2[改 active，跳过去]
  O -- 否 --> F{出厂镜像能用?}
  F -- 是 --> C[拷回 slot A，跳过去]
  F -- 否 --> R
  

一次升级的完整过程

sequenceDiagram
  participant H as 上位机
  participant D as 应用（运行在 A）
  participant B as Bootloader
  H->>D: INFO
  D-->>H: 运行 A，可以写 B，断点 0
  H->>D: BEGIN 版本 长度 CRC 地址
  Note over D: 擦 slot B，1–2 秒
  D-->>H: 断点 0
  loop 每帧 240 字节
    H->>D: DATA 偏移 + 数据
    D-->>H: 新断点
  end
  H->>D: COMMIT
  Note over D: 硬件 CRC 算一遍，对上才把 commit 字写 0，状态改成试运行 B
  H->>D: REBOOT
  D->>B: 复位
  Note over B: tries 加 1，跳到 B
  Note over D: B 跑满约 5 秒、各任务都活着，自己确认

slot 里面长什么样

跳转到应用之前要做的几步

Bootloader 跳到应用，相当于“不复位就换一个程序”，CPU 和外设还是 Bootloader 留下的样子，而应用的启动代码默认芯片是刚复位的。所以要把动过的东西恢复：

static void jump(uint32_t vtor)
{
  uint32_t sp = ((const uint32_t *)vtor)[0];
  uint32_t pc = ((const uint32_t *)vtor)[1];
  iwdg_start();
  __disable_irq();
  SysTick->CTRL = 0;
  SysTick->LOAD = 0;
  SysTick->VAL = 0;
  for (uint32_t i = 0; i < 8; i++) {
    NVIC->ICER[i] = 0xFFFFFFFFu;
    NVIC->ICPR[i] = 0xFFFFFFFFu;
  }
  SCB->ICSR = SCB_ICSR_PENDSTCLR_Msk;
  RCC->APB1RSTR |= RCC_APB1RSTR_USART2RST;
  RCC->APB1RSTR &= ~RCC_APB1RSTR_USART2RST;
  ...
  SCB->VTOR = vtor;
  __DSB();
  __ISB();
  __enable_irq();
  __asm volatile("msr msp, %0\n bx %1" : : "r"(sp), "r"(pc));
}

1. 先开看门狗：新固件要是一启动就卡死，还没走到自己开看门狗那一步，也能被复位回来，Bootloader 接着数 tries。
2. 关中断、关 SysTick：不关的话，应用还没准备好时 SysTick 来了，会跳进应用里还没就绪的处理函数。
3. 清掉 NVIC 所有使能和挂起：不然 Bootloader 里挂起的中断，应用一开中断就进去了。
4. 复位用过的外设（USART2、GPIO）并关时钟：应用的 HAL 初始化按复位后的默认值来。
5. 设 VTOR = slot + 0x200：以后中断去应用的向量表找处理函数。VTOR 要 512 字节对齐，所以镜像头正好占 0x200。
6. 设 MSP、跳到 Reset_Handler：向量表第 0 项是栈顶，第 1 项是入口。两步用内联汇编一起做，因为改了 MSP 以后 C 代码不能再用栈。

另外时钟留在 HSI 16 MHz 不动：应用自己配 PLL，如果 Bootloader 已经把系统时钟切到 PLL，应用再配 PLL 会失败（HAL 不允许改正在用的 PLL）。

掉电时状态怎么保证不坏

• 镜像：BEGIN 时先擦整个 slot、写镜像头，commit 字留成 FFFFFFFF；COMMIT 时 CRC 对上才写成 0。Bootloader 只认 commit = 0 的镜像，而且每次开机都重算 CRC。所以不管在哪一步断电，都不会出现“写了一半的固件被当成好的跑起来”。
• 寿命：F4 内部 Flash 每个扇区保证擦写 1 万次。状态扇区 16 KB 能存 1024 条，两个扇区轮流用，大约 2000 万次状态变化才会用坏。如果每改一次擦一次，1 万次就到头了。
• CRC32：F4 的硬件 CRC 和 zlib 的结果不一样：同一个多项式 0x04C11DB7，但硬件按 32 位字输入、不反转、结果不异或。所以 tools/mkimage.py 按芯片的算法自己实现了一遍，用公开值核对过。

试运行和自动回滚

状态里有 trial（正在试运行哪个 slot）和 tries（试了几次）。Bootloader 每次跳到试运行的 slot 之前把 tries 加 1 写进 Flash。新固件跑满约 5 秒（看门狗连续喂了 10 次，说明各任务都活着）就自己确认。确认之前被复位（死机后被看门狗复位、HardFault、断电），tries 继续加；到 3 次还没确认就回到旧的 slot，寄存器 8 报“已回滚”。正在试运行时不允许再升级，否则会把唯一能退回的旧固件擦掉。

救砖模式

上电时按住 B1，或者两个 slot 和出厂镜像都坏了，Bootloader 不跳转，自己当 Modbus 从站（轮询收串口，不用中断和 DMA），支持一样的 0x41 升级命令，固定写 slot A。所以就算应用彻底坏了，只要 Bootloader 在，用同一个上位机就能救回来。

HardFault 定位

程序崩了以后，怎么知道是哪一行。

处理函数必须是 naked 的，编译器不给它生成任何压栈代码。否则一进函数编译器先压栈，栈指针就变了，找不到 CPU 压的那 8 个寄存器：

__attribute__((naked)) void HardFault_Handler(void)
{
  __asm volatile(
      "tst lr, #4\n"
      "ite eq\n"
      "mrseq r0, msp\n"
      "mrsne r0, psp\n"
      "mov r1, lr\n"
      "b fault_capture\n");
}

CubeMX 生成的那个不是 naked，所以要在 CubeMX 的 NVIC → Code generation 里把 Hard fault 的“Generate IRQ handler”关掉，不然重新生成会重复定义。

从崩溃到源码行

PC 是出错的那条指令，LR 一般是调用它的地方。HFSR 的 FORCED 位是 1，说明是 BusFault/UsageFault 没单独打开，被升级成了 HardFault，具体原因看 CFSR。

I²C 和 AHT20

两根线挂多个设备：开漏、上拉、地址、ACK，再加一张自己抓的真实波形。

用到了什么

• I2C1：PB8 SCL、PB9 SDA，标准模式 100 kHz。CubeMX 默认把 I2C1 放在 PB6/PB7，要手动改到 PB8/PB9。
• AHT20 地址 0x38，HAL 要传左移一位的 0x38 << 1。
• 芯片内部上拉没开，通信照样正常，说明 AHT20 模块板上自带了上拉电阻。

一次通信的开头和结尾

AHT20 怎么读

1. 上电后至少等 40 ms。读 1 字节状态，第 3 位（0x08）是 1 说明已校准；不是就发 BE 08 00 初始化。
2. 发 AC 33 00 触发测量，等 80 ms。
3. 读 7 字节：状态、20 位湿度、20 位温度、CRC8。状态第 7 位是 1 说明还没测完，等 20 ms 再读。
4. CRC8：多项式 0x31，初值 0xFF，算前 6 字节，和第 7 个比。
5. 换算：湿度 = 原始值 / 2²⁰ × 100%，温度 = 原始值 / 2²⁰ × 200 − 50。代码里先乘 10000 或 20000 再右移 20 位，全用整数，单位 0.01。

读失败（没应答）时，下个周期先重新初始化再读。线松了再插回去能自己恢复。

真实波形

读数帧解出来是 18 8B CF B6 12 08 C0，自己算一遍：

第 4 个字节 B6 被劈成两半：高 4 位 B 归湿度，低 4 位 6 归温度。

SPI 和 W25Q64

四根线的高速总线，外部 Flash 用来存事件日志和死机记录。

一条命令长什么样：读 JEDEC ID

四种模式

W25Q64 支持模式 0 和 3。代码里是 SPI_POLARITY_LOW + SPI_PHASE_1EDGE，也就是模式 0。主机和从机模式不一致，读出来的数会错一位或者全乱。

速度：SPI2 挂在 APB1（45 MHz）上，16 分频是 2.8125 MHz。W25Q64 能跑到 104 MHz，这里取低是因为杜邦线长、没屏蔽，慢一点信号干净，而且存日志用不着快。

几条命令

Flash 只能把 1 写成 0。要把 0 变回 1 只能整扇区擦成 0xFF，所以写之前那块地方必须擦过。w25q_write 按页切开写，每页写完等 BUSY 清零。

事件日志怎么存、上电怎么找到最后一条

• 多个任务都会写日志，用一个互斥锁保护 SPI。
• 死机记录在 0x000000 起的 8 KB，每条 256 字节，32 条循环覆盖，用法一样。
• 老实说的不足：日志条目没有 CRC，写到一半断电，那一条序号可能是好的但文字不完整。死机记录有魔数检查。
• 老实说的不足：写日志在调用的任务里同步完成，碰上要擦扇区的那一条（每 128 条一次）会多卡 45–400 ms。在 comm 任务里改参数正好碰上时，Modbus 回复会晚，上位机可能报一次超时（参数其实存进去了）。要彻底解决得挪到单独的低优先级任务排队写，还没做。

排查问题的方法

面试最爱问“你遇到过最难的 bug 是什么”。这里每个都是真碰到的，按“现象、怎么查、原因、教训”讲。

通用的顺序

1. 先让它稳定复现，找规律：每几次出一次、和什么数字对得上。
2. 先确认测量工具是好的：拿已知的东西测一遍（已知电压、已知能通的设备、公开的 CRC 值）。
3. 缩小范围：换掉一半（换线、换程序、换方向），看问题跟着谁走。
4. 看现场：GDB 断点打印参数、SWO 日志、读寄存器、抓波形。
5. 一次只改一个地方，提出一个猜测，用一个实验证实或推翻。
6. 修完用比原来更狠的测试验证，专门打在出问题的那个点上。
7. 记下来：数字记进 test-log，坑记进 notes。

数字速查

面试前过一遍。全部来自 docs/test-log.md，没写进去的数字不要说。

术语表

正文里带虚线下划线的词，解释都在这里。大致按出现的先后排。