STM32单片机入门速成指南：零基础到实战开发

# 1. STM32单片机简介和基础知识

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的32位微控制器系列，基于ARM Cortex-M内核，具有高性能、低功耗和丰富的片上外设等特点。

### 1.1 STM32单片机的特点

- **高性能：**基于ARM Cortex-M内核，主频高达168MHz，提供强大的处理能力。
- **低功耗：**采用先进的低功耗技术，在待机模式下功耗极低，适合于电池供电的应用。
- **丰富的片上外设：**集成各种片上外设，如GPIO、定时器、ADC、DAC等，满足多种应用需求。
- **广泛的应用：**广泛应用于物联网、工业控制、医疗电子、汽车电子等领域。

# 2. STM32单片机开发环境搭建

### 2.1 IDE的选择和安装

#### 2.1.1 Keil MDK

Keil MDK（Microcontroller Development Kit）是ARM官方推出的集成开发环境（IDE），专为ARM Cortex-M系列单片机开发而设计。它提供了代码编辑、编译、调试、仿真等功能，并包含了丰富的库和外设驱动。

**安装步骤：**

1. 下载Keil MDK安装包：https://www.keil.com/download/product/
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，新建一个工程。

#### 2.1.2 IAR Embedded Workbench

IAR Embedded Workbench是另一款流行的ARM单片机IDE，它提供了与Keil MDK类似的功能，但具有更强大的调试和分析工具。

**安装步骤：**

1. 下载IAR Embedded Workbench安装包：https://www.iar.com/iar-embedded-workbench/
2. 运行安装程序并按照提示进行安装。
3. 安装完成后，启动IAR Embedded Workbench，新建一个工程。

### 2.2 开发板的选择和连接

#### 2.2.1 常用开发板介绍

STM32单片机开发板种类繁多，常见的有：

* **Nucleo系列：**入门级开发板，价格低廉，功能齐全。
* **Discovery系列：**功能更丰富的开发板，带有LCD显示屏、传感器等外设。
* **Evaluation系列：**高级开发板，带有更多外设和调试接口。

#### 2.2.2 开发板与电脑的连接方式

开发板与电脑的连接方式主要有两种：

* **USB连接：**通过USB线将开发板连接到电脑，既可供电又可传输数据。
* **串口连接：**通过串口线将开发板连接到电脑，用于调试和烧写程序。

**连接步骤：**

1. 将开发板与电脑连接。
2. 在IDE中选择正确的开发板型号和连接方式。
3. 编译程序并下载到开发板上。

# 3.1 C语言基础

#### 3.1.1 数据类型和变量

C语言中数据类型决定了变量可以存储的数据类型和范围。常用的数据类型包括：

- **整型：**int、short、long，用于存储整数。
- **浮点型：**float、double，用于存储浮点数。
- **字符型：**char，用于存储单个字符。
- **字符串：**char[]，用于存储一组字符。
- **布尔型：**bool，用于存储真或假值。

变量用于存储数据，其类型由变量声明时指定。例如：

int age = 25;
float temperature = 37.5;
char name[] = "John Doe";

#### 3.1.2 运算符和表达式

运算符用于对数据进行操作，表达式是使用运算符和操作数组合而成的。常见的运算符包括：

- **算术运算符：**+、-、*、/、%（求余）
- **关系运算符：**==、!=、>、<、>=、<=
- **逻辑运算符：**&&（与）、||（或）、!（非）

表达式可以用于计算值或判断条件。例如：

int sum = a + b;
if (temperature > 38) {
  // 执行操作
}

### 3.2 STM32单片机寄存器结构

#### 3.2.1 存储器映射

STM32单片机采用哈佛架构，将程序和数据存储在不同的存储器空间中。存储器映射如下：

| 存储器区域 | 地址范围 | 用途 |
|---|---|---|
| Flash | 0x08000000 - 0x080FFFFF | 程序存储器 |
| SRAM | 0x20000000 - 0x200FFFFF | 数据存储器 |
| 外设寄存器 | 0x40000000 - 0x400FFFFF | 外设控制寄存器 |

#### 3.2.2 外设寄存器

外设寄存器是控制STM32单片机外设的特殊存储器位置。每个外设都有自己的寄存器集，用于配置和控制外设的行为。

例如，GPIO外设的寄存器包括：

| 寄存器 | 地址 | 用途 |
|---|---|---|
| GPIOA_MODER | 0x40020000 | 模式寄存器，用于配置引脚模式 |
| GPIOA_ODR | 0x40020014 | 输出数据寄存器，用于设置引脚输出状态 |
| GPIOA_IDR | 0x40020010 | 输入数据寄存器，用于读取引脚输入状态 |

# 4. STM32单片机外设编程

STM32单片机集成了丰富的片上外设，为用户提供了强大的功能扩展能力。本章节将介绍STM32单片机外设编程的基础知识，包括GPIO编程和定时器编程。

### 4.1 GPIO编程

GPIO（General Purpose Input/Output）通用输入/输出引脚是STM32单片机最基本的外部接口，可以用来连接各种外部设备，如LED、按键、传感器等。

#### 4.1.1 GPIO引脚配置

GPIO引脚的配置主要包括引脚模式、输出类型和上拉/下拉电阻等。在STM32单片机中，GPIO引脚的配置可以通过寄存器操作来实现。

// 配置GPIOA的第5个引脚为输出模式
GPIOA->MODER &= ~(3 << (5 * 2));
GPIOA->MODER |= (1 << (5 * 2));

// 配置GPIOA的第5个引脚为推挽输出
GPIOA->OTYPER &= ~(1 << 5);

// 配置GPIOA的第5个引脚为上拉电阻
GPIOA->PUPDR &= ~(3 << (5 * 2));
GPIOA->PUPDR |= (1 << (5 * 2));

#### 4.1.2 GPIO输入输出操作

GPIO引脚的输入输出操作可以通过寄存器操作来实现。

// 读取GPIOA的第5个引脚的输入电平
uint8_t input = (GPIOA->IDR >> 5) & 0x01;

// 设置GPIOA的第5个引脚输出高电平
GPIOA->ODR |= (1 << 5);

// 设置GPIOA的第5个引脚输出低电平
GPIOA->ODR &= ~(1 << 5);

### 4.2 定时器编程

定时器是STM32单片机中常用的外设，可以用来产生定时中断、生成PWM波形、测量脉冲宽度等。STM32单片机集成了多个定时器，每种定时器都有不同的功能和特性。

#### 4.2.1 定时器概述

STM32单片机的定时器主要分为以下几类：

- 基本定时器（TIM2、TIM3、TIM4）：具有基本的定时功能，可以产生定时中断和生成PWM波形。
- 高级定时器（TIM1、TIM8）：具有更丰富的功能，支持捕获/比较、PWM输出、编码器接口等。
- 通用定时器（TIM5、TIM6、TIM7）：具有灵活的时基和触发功能，可以实现多种复杂的定时操作。

#### 4.2.2 定时器配置和使用

定时器的配置和使用主要包括时基配置、中断配置、输出比较配置等。

// 配置TIM2为1ms定时中断
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
TIM2->PSC = 8399;
TIM2->ARR = 1000;
TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE;
NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);

// 配置TIM2的通道1为PWM输出
TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_2 | TIM_CCMR1_OC1M_1;
TIM2->CCR1 = 500;
TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E;

通过以上配置，TIM2定时器每1ms产生一次中断，同时其通道1输出50%占空比的PWM波形。

# 5.1 LED闪烁程序

### 5.1.1 程序设计

LED闪烁程序是STM32单片机最基本的实战开发之一，它可以帮助我们理解单片机的基本操作和外设控制。

首先，我们需要初始化GPIO引脚，将其配置为输出模式。然后，我们可以通过设置GPIO引脚的高低电平来控制LED的亮灭。

以下是LED闪烁程序的代码：

#include "stm32f10x.h"

int main()
{
    // 初始化GPIO引脚
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;
    GPIOC->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE13;
    GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_0;

    while (1)
    {
        // 点亮LED
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;
        // 延时500ms
        for (int i = 0; i < 500000; i++);
        // 熄灭LED
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;
        // 延时500ms
        for (int i = 0; i < 500000; i++);
    }
}

### 5.1.2 程序编译和下载

将代码复制到Keil MDK或IAR Embedded Workbench中，编译并下载到STM32单片机中。

**Keil MDK编译和下载步骤：**

1. 打开Keil MDK，新建一个工程。
2. 将代码复制到工程中。
3. 编译工程。
4. 下载程序到单片机。

**IAR Embedded Workbench编译和下载步骤：**

1. 打开IAR Embedded Workbench，新建一个工程。
2. 将代码复制到工程中。
3. 编译工程。
4. 下载程序到单片机。