STM32单片机编程入门：从零开始，掌握开发流程（附实战案例）

# 1. STM32单片机简介**

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）公司生产的一系列基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器。它具有高性能、低功耗和丰富的片上外设，广泛应用于嵌入式系统、物联网、工业控制等领域。

**1.1 特点**

* 基于ARM Cortex-M内核，性能强大
* 低功耗设计，适用于电池供电设备
* 丰富的片上外设，包括GPIO、定时器、ADC、DAC等
* 支持多种通信接口，如UART、SPI、I2C等
* 易于开发，提供完善的开发工具和技术支持

**1.2 应用领域**

* 嵌入式系统：传感器、执行器、电机控制等
* 物联网：智能家居、可穿戴设备、工业物联网等
* 工业控制：PLC、仪器仪表、机器人等

# 2. STM32单片机开发环境搭建

### 2.1 IDE软件选择和安装

**Keil MDK**

Keil MDK（微控制器开发套件）是业界领先的STM32单片机开发环境，提供全面的工具链，包括编译器、调试器和仿真器。

**安装步骤：**

1. 下载Keil MDK安装包（https://www.keil.com/download/product/mdk5）。
2. 运行安装程序并按照提示进行安装。
3. 安装完成后，启动Keil MDK并注册。

**STM32CubeIDE**

STM32CubeIDE是ST官方推出的免费IDE，集成了STM32CubeMX图形化配置工具，简化了单片机外设配置和代码生成。

**安装步骤：**

1. 下载STM32CubeIDE安装包（https://www.st.com/en/development-tools/stm32cubeide.html）。
2. 运行安装程序并按照提示进行安装。
3. 安装完成后，启动STM32CubeIDE并注册。

### 2.2 开发板选择和连接

**开发板选择**

选择开发板时，需要考虑以下因素：

* **单片机型号：**开发板应搭载目标单片机型号。
* **外设配置：**开发板应提供必要的外部设备，如LED、按键、串口等。
* **调试接口：**开发板应提供方便的调试接口，如SWD或JTAG。

**开发板连接**

将开发板连接到计算机：

1. **SWD连接：**使用SWD接口连接开发板和计算机。
2. **JTAG连接：**使用JTAG接口连接开发板和计算机。
3. **USB连接：**某些开发板支持通过USB连接进行编程和调试。

### 2.3 调试工具的使用

**调试器**

调试器用于调试单片机程序，帮助查找和修复错误。Keil MDK和STM32CubeIDE都内置了调试器。

**仿真器**

仿真器比调试器功能更强大，不仅可以调试程序，还可以模拟单片机的行为，用于更深入的调试和分析。

**调试步骤**

1. **设置断点：**在代码中设置断点，以在特定位置暂停程序执行。
2. **单步执行：**逐行执行程序，观察变量和寄存器值的变化。
3. **检查变量：**查看变量的值，查找异常情况。
4. **修改代码：**在调试过程中，可以修改代码并重新编译，以修复错误。

# 3. STM32单片机基础知识

### 3.1 单片机架构和工作原理

STM32单片机是一种基于ARM Cortex-M内核的微控制器。它主要由以下几个部分组成：

- **CPU内核：**负责执行程序指令和进行数据处理。
- **存储器：**包括程序存储器（Flash）和数据存储器（RAM），用于存储程序代码和数据。
- **I/O端口：**用于与外部设备进行数据交换。
- **外设：**包括定时器、计数器、ADC、DAC、UART等，用于实现各种功能。
- **总线：**连接各个组件并实现数据传输。

STM32单片机的基本工作原理如下：

1. **取指令：**CPU从程序存储器中读取指令。
2. **译码：**CPU对指令进行译码，确定要执行的操作。
3. **执行：**CPU执行指令，对数据进行处理或控制外设。
4. **存储结果：**CPU将处理结果存储到数据存储器中。

### 3.2 I/O端口和外设介绍

I/O端口是STM32单片机与外部设备进行数据交换的接口。它可以分为输入端口、输出端口和双向端口。每个I/O端口都有一个对应的寄存器，用于配置端口的模式、方向和状态。

STM32单片机的外设非常丰富，包括：

- **定时器：**用于产生定时脉冲或测量时间间隔。
- **计数器：**用于计数外部事件或产生脉冲。
- **ADC：**用于将模拟信号转换为数字信号。
- **DAC：**用于将数字信号转换为模拟信号。
- **UART：**用于串行通信。

### 3.3 时钟系统和中断机制

STM32单片机的时钟系统由多个时钟源组成，包括内部时钟（HSI）、外部时钟（HSE）和PLL（锁相环）。时钟系统负责为单片机提供稳定可靠的时钟信号。

中断机制是STM32单片机处理外部事件的一种方式。当发生外部事件时，单片机会暂停当前正在执行的程序，转而执行中断服务程序。中断服务程序处理完事件后，单片机再恢复执行原先的程序。

# 4. STM32单片机编程基础

### 4.1 C语言基础和语法

C语言是STM32单片机编程中常用的语言，其基础语法包括：

- 数据类型：uint8_t、uint16_t、uint32_t等
- 变量声明：`uint32_t counter = 0;`
- 运算符：算术运算符（+、-、*、/）、关系运算符（==、!=、>、<）、逻辑运算符（&&、||）
- 控制流：if-else、switch-case、for、while循环
- 函数：定义、调用、参数传递

### 4.2 STM32单片机寄存器编程

STM32单片机具有丰富的寄存器，用于控制其功能和外设。寄存器编程涉及：

- 寄存器地址：每个寄存器都有一个唯一的地址
- 寄存器位：寄存器由位组成，每个位可以控制特定功能
- 读写寄存器：使用`*`操作符读写寄存器，如`GPIOA->ODR |= (1 << 5);`

### 4.3 常用库函数和外设驱动

STM32单片机提供了丰富的库函数和外设驱动，简化了编程。常用库函数包括：

- HAL库：硬件抽象层库，提供了对低级寄存器操作的封装
- CMSIS库：Cortex-M内核支持库，提供了对内核功能的访问

外设驱动则提供了对特定外设的控制，如：

- GPIO驱动：控制GPIO端口
- UART驱动：控制串口通信
- 定时器驱动：控制定时器和计数器

**代码块：**

// 使用HAL库设置GPIOA第5位为输出模式
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);

// 使用CMSIS库获取当前系统时钟频率
uint32_t system_clock = SystemCoreClock;

**逻辑分析：**

- `HAL_GPIO_WritePin`函数设置GPIOA第5位为输出模式，并置高电平。
- `SystemCoreClock`变量存储当前系统时钟频率，由CMSIS库提供。

# 5. STM32单片机实战案例

### 5.1 LED闪烁程序

**目标：**让STM32单片机上的LED灯闪烁。

**步骤：**

1. **配置GPIO引脚：**将LED灯连接到STM32单片机的GPIO引脚，并配置该引脚为输出模式。
2. **初始化LED灯：**在程序中初始化LED灯，使其处于关闭状态。
3. **循环闪烁：**在程序中创建一个循环，在循环中交替打开和关闭LED灯，实现闪烁效果。

**代码块：**

// LED闪烁程序

// 1. 包含必要的头文件
#include "stm32f10x.h"

// 2. 定义LED灯连接的GPIO引脚
#define LED_PIN GPIO_Pin_13
#define LED_PORT GPIOC

// 3. 初始化函数
void initLED() {
    // 配置GPIO引脚为输出模式
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(LED_PORT, &GPIO_InitStructure);

    // 初始化LED灯为关闭状态
    GPIO_ResetBits(LED_PORT, LED_PIN);
}

// 4. 主函数
int main() {
    // 初始化LED灯
    initLED();

    // 循环闪烁LED灯
    while (1) {
        // 打开LED灯
        GPIO_SetBits(LED_PORT, LED_PIN);

        // 延时1秒
        delay_ms(1000);

        // 关闭LED灯
        GPIO_ResetBits(LED_PORT, LED_PIN);

        // 延时1秒
        delay_ms(1000);
    }
}

**代码逻辑分析：**

* 第3行：包含必要的头文件。
* 第11-17行：定义LED灯连接的GPIO引脚。
* 第20-30行：初始化函数，配置GPIO引脚为输出模式并初始化LED灯为关闭状态。
* 第33-44行：主函数，初始化LED灯并循环闪烁LED灯。

### 5.2 按键输入程序

**目标：**读取STM32单片机上的按键输入。

**步骤：**

1. **配置GPIO引脚：**将按键连接到STM32单片机的GPIO引脚，并配置该引脚为输入模式。
2. **初始化按键：**在程序中初始化按键，使其处于未按下状态。
3. **循环读取按键：**在程序中创建一个循环，在循环中读取按键的状态，并根据按键状态执行相应的操作。

**代码块：**

// 按键输入程序

// 1. 包含必要的头文件
#include "stm32f10x.h"

// 2. 定义按键连接的GPIO引脚
#define KEY_PIN GPIO_Pin_0
#define KEY_PORT GPIOA

// 3. 初始化函数
void initKey() {
    // 配置GPIO引脚为输入模式
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_In_FLOATING;
    GPIO_Init(KEY_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

// 4. 主函数
int main() {
    // 初始化按键
    initKey();

    // 循环读取按键
    while (1) {
        // 读取按键状态
        if (GPIO_ReadInputDataBit(KEY_PORT, KEY_PIN) == 0) {
            // 按键按下，执行相应的操作
        }
    }
}

**代码逻辑分析：**

* 第3行：包含必要的头文件。
* 第11-17行：定义按键连接的GPIO引脚。
* 第20-30行：初始化函数，配置GPIO引脚为输入模式并初始化按键为未按下状态。
* 第33-44行：主函数，初始化按键并循环读取按键状态。

### 5.3 串口通信程序

**目标：**使用STM32单片机的串口与外部设备进行通信。

**步骤：**

1. **配置串口：**配置STM32单片机的串口，设置波特率、数据位、停止位和校验位等参数。
2. **初始化串口：**在程序中初始化串口，使其处于可用状态。
3. **发送数据：**在程序中通过串口发送数据到外部设备。
4. **接收数据：**在程序中通过串口接收外部设备发送的数据。

**代码块：**

// 串口通信程序

// 1. 包含必要的头文件
#include "stm32f10x.h"

// 2. 定义串口引脚
#define USART_TX_PIN GPIO_Pin_9
#define USART_TX_PORT GPIOA
#define USART_RX_PIN GPIO_Pin_10
#define USART_RX_PORT GPIOA

// 3. 初始化函数
void initUSART() {
    // 配置串口引脚
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = USART_TX_PIN | USART_RX_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(USART_TX_PORT, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_Init(USART_RX_PORT, &GPIO_InitStructure);

    // 配置串口
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    // 使能串口
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

// 4. 发送数据函数
void sendData(char *data) {
    // 发送数据
    while (*data) {
        USART_SendData(USART1, *data++);
    }
}

// 5. 接收数据函数
char receiveData() {
    // 接收数据
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
    return USART_ReceiveData(USART1);
}

// 6. 主函数
int main() {
    // 初始化串口
    initUSART();

    // 发送数据
    sendData("Hello world!\n");

    // 接收数据
    char data = receiveData();

    // 处理接收到的数据
    // ...
}

**代码逻辑分析：**

* 第3行：包含必要的头文件。
* 第11-22行：定义串口引脚。
* 第25-45行：初始化函数，配置串口引脚和串口参数。
* 第48-59行：发送数据函数，通过串口发送数据。
* 第62-73行：接收数据函数，通过串口接收数据。
* 第76-87行：主函数，初始化串口、发送数据、接收数据并处理接收到的数据。

# 6.1 定时器和计数器编程

### 6.1.1 定时器简介

定时器是STM32单片机中重要的外设，用于产生定时脉冲、产生PWM波形、测量时间间隔等。STM32单片机有多个定时器，每个定时器都有自己的功能和特点。

### 6.1.2 定时器配置

定时器的配置主要包括以下几个方面：

- 时钟源选择：定时器的时钟源可以是内部时钟、外部时钟或APB时钟。
- 预分频器：预分频器可以对时钟源进行分频，降低定时器的计数频率。
- 计数模式：定时器有向上计数、向下计数和中心对称计数等多种计数模式。
- 自动重装载值：定时器可以设置一个自动重装载值，当计数器达到这个值时，计数器会自动重新开始计数。

### 6.1.3 定时器中断

定时器可以产生中断，当计数器达到某个值时，定时器会触发中断。定时器中断可以用来执行各种任务，例如：

- 产生定时脉冲
- 测量时间间隔
- PWM波形输出

### 6.1.4 定时器应用

定时器在STM32单片机中有着广泛的应用，例如：

- LED闪烁：使用定时器可以产生定时脉冲，控制LED闪烁。
- 按键输入：使用定时器可以测量按键按下的时间间隔，实现按键消抖。
- PWM波形输出：使用定时器可以产生PWM波形，控制电机转速、亮度等。
- 时间测量：使用定时器可以测量时间间隔，实现时间测量功能。