初探STM32F103C8T6：了解MCU的基础知识和工作原理

# 1. MCU基础知识**

MCU（微控制器单元）是一种集成在单个芯片上的微型计算机，它包含处理器、存储器和各种外围设备。MCU广泛应用于嵌入式系统中，用于控制和处理各种任务。

MCU的基本架构通常包括：

* **处理器：**执行指令和处理数据。
* **存储器：**存储程序和数据。
* **外围设备：**提供各种功能，例如输入/输出、定时、通信等。

MCU的工作原理如下：

* **程序存储在存储器中。**
* **处理器从存储器中读取指令。**
* **处理器执行指令，并处理数据。**
* **处理器与外围设备交互，控制和处理各种任务。**

# 2. STM32F103C8T6架构

### 2.1 核心架构和外设

STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器。它具有以下核心特性：

- 72MHz主频
- 64KB闪存
- 20KB SRAM
- 32位数据总线
- 16位地址总线

STM32F103C8T6还集成了丰富的片上外设，包括：

- 定时器和计数器
- ADC和DAC
- 串口通信接口
- I2C通信接口
- SPI通信接口
- USB接口

这些外设使STM32F103C8T6能够满足各种嵌入式应用的需求。

### 2.2 时钟系统和电源管理

STM32F103C8T6的时钟系统由以下组件组成：

- 内部高速振荡器（HSI）：频率为8MHz
- 内部低速振荡器（LSI）：频率为32kHz
- 外部高速振荡器（HSE）：频率范围为4MHz至16MHz
- 外部低速振荡器（LSE）：频率为32.768kHz

STM32F103C8T6支持多种时钟模式，包括：

- HSI模式：使用内部高速振荡器作为系统时钟
- HSE模式：使用外部高速振荡器作为系统时钟
- PLL模式：使用内部高速振荡器或外部高速振荡器作为PLL输入，输出一个更高的时钟频率

STM32F103C8T6的电源管理系统由以下组件组成：

- 电压调节器
- 复位电路
- 低功耗模式

STM32F103C8T6支持多种低功耗模式，包括：

- 睡眠模式：CPU停止执行指令，但外设仍可运行
- 停止模式：CPU和外设停止运行，但SRAM和寄存器的内容仍保持
- 待机模式：CPU和外设停止运行，SRAM和寄存器的内容丢失

**代码块：时钟配置**

// 启用外部高速振荡器
RCC->CR |= RCC_CR_HSEON;

// 等待外部高速振荡器稳定
while ((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) == 0);

// 设置PLL输入源为外部高速振荡器
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLSRC_HSE;

// 设置PLL倍频系数为9
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLMULL9;

// 启用PLL
RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;

// 等待PLL稳定
while ((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0);

// 设置系统时钟源为PLL
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL;

// 等待系统时钟切换完成
while ((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS_PLL) == 0);

**逻辑分析：**

这段代码配置STM32F103C8T6的时钟系统，使用外部高速振荡器作为系统时钟源，并通过PLL倍频至72MHz。

**参数说明：**

- `RCC->CR`：时钟控制寄存器
- `RCC_CR_HSEON`：外部高速振荡器使能位
- `RCC_CR_HSERDY`：外部高速振荡器就绪状态位
- `RCC_CFGR`：时钟配置寄存器
- `RCC_CFGR_PLLSRC_HSE`：PLL输入源选择位
- `RCC_CFGR_PLLMULL9`：PLL倍频系数位
- `RCC_CR_PLLON`：PLL使能位
- `RCC_CR_PLLRDY`：PLL就绪状态位
- `RCC_CFGR_SW_PLL`：系统时钟源选择位
- `RCC_CFGR_SWS_PLL`：系统时钟源切换状态位

# 3. STM32F103C8T6编程

### 3.1 开发环境和工具链

**开发环境的选择**

STM32F103C8T6的开发环境主要有两种：Keil MDK和IAR Embedded Workbench。Keil MDK是ARM官方提供的集成开发环境，而IAR Embedded Workbench则是IAR Systems公司开发的商业IDE。两种IDE各有优缺点，开发者可根据个人喜好和项目需求进行选择。

**工具链的安装**

工具链包括编译器、汇编器、链接器等一系列工具，用于将源代码编译成可执行程序。STM32F103C8T6的工具链主要有ARM Compiler和GNU Compiler Collection (GCC)。开发者可以从ARM官网或GCC官网下载相应的工具链。

### 3.2 C语言编程基础

**C语言语法**

C语言是一种结构化编程语言，其语法规则简单明了。C语言的基本语法包括数据类型、变量、运算符、控制流语句和函数等。

**STM32F103C8T6的C语言编程**

STM32F103C8T6的C语言编程与标准C语言基本一致，但需要考虑STM32F103C8T6的特定寄存器和外设。开发者需要熟悉STM32F103C8T6的参考手册，以了解寄存器的地址和功能。

### 3.3 GPIO编程实例

**GPIO简介**

GPIO（通用输入/输出）是STM32F103C8T6中重要的外设，用于与外部设备进行数据交互。GPIO可以配置为输入或输出模式，并支持中断功能。

**GPIO编程步骤**

GPIO编程主要包括以下步骤：

1. **使能GPIO时钟：**在使用GPIO之前，需要使能相应的GPIO时钟。
2. **配置GPIO引脚：**通过设置GPIO寄存器，配置GPIO引脚的模式、输出类型和中断功能。
3. **读写GPIO引脚：**通过读写GPIO寄存器，可以读取或写入GPIO引脚的状态。

**代码示例**

// 使能GPIOC时钟
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;

// 配置GPIOC引脚13为输出模式
GPIOC->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE13);
GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_0;

// 设置GPIOC引脚13为高电平
GPIOC->ODR |= GPIO_ODR_ODR13;

**逻辑分析**

这段代码首先使能GPIOC时钟，然后配置GPIOC引脚13为输出模式。最后，将GPIOC引脚13设置为高电平。

# 4.1 定时器和计数器

### 4.1.1 基本原理和配置

**基本原理**

STM32F103C8T6 MCU 具有多个定时器和计数器外设，用于生成精确的时间间隔、测量脉冲宽度和频率，以及控制 PWM 输出。这些外设基于高级定时器 (TIM) 架构，提供灵活的配置选项和丰富的功能。

**配置**

每个定时器可以独立配置，具有以下关键参数：

- **时钟源：**指定定时器的时钟源，可以是内部时钟、外部时钟或时钟树。
- **预分频器：**用于分频时钟源，降低定时器计数频率。
- **计数模式：**定义定时器的计数方式，包括向上计数、向下计数或双向计数。
- **自动重载值：**指定定时器在计数达到该值时自动重载。
- **比较输出：**允许定时器在计数达到特定值时生成比较输出。

### 4.1.2 PWM 输出和捕获功能

**PWM 输出**

定时器外设支持 PWM 输出功能，用于生成可变占空比的脉冲波形。通过配置比较输出和自动重载值，可以控制脉冲的频率和占空比。

**捕获功能**

定时器还支持捕获功能，用于测量外部脉冲的宽度和频率。通过配置捕获输入通道和比较输出，可以捕获外部脉冲的上升沿或下降沿。

**示例代码**

/* 初始化定时器 TIM3 为 PWM 模式 */
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN;
TIM3->CR1 = TIM_CR1_ARPE | TIM_CR1_CEN;
TIM3->PSC = 7200;
TIM3->ARR = 1000;
TIM3->CCR1 = 500;

**代码逻辑分析**

- 初始化定时器 TIM3 的时钟并使能。
- 配置定时器为向上计数模式，自动重载使能。
- 设置时钟预分频器为 7200，计数器频率为 1 MHz。
- 设置自动重载值为 1000，生成 1 kHz 的 PWM 频率。
- 设置比较输出 CCR1 为 500，生成 50% 占空比的 PWM 波形。

# 5. STM32F103C8T6通信接口

在嵌入式系统中，通信接口是MCU与外部设备交互的关键。STM32F103C8T6提供多种通信接口，包括串口、I2C、SPI和USB，满足不同的应用需求。本章将重点介绍串口和I2C通信接口。

### 5.1 串口通信

串口通信是一种异步通信协议，用于在两台设备之间传输数据。它使用两根信号线：一根用于发送数据（TX），一根用于接收数据（RX）。

#### 5.1.1 基本原理和配置

STM32F103C8T6的串口控制器支持多种通信参数，包括波特率、数据位、停止位和校验位。波特率决定了数据传输的速度，单位为比特/秒。数据位指定每个字符传输的位数，通常为8位。停止位用于指示字符传输的结束，通常为1位或2位。校验位用于检测数据传输中的错误。

配置串口时，需要设置以下寄存器：

- **USART_CR1**：控制串口的基本功能，包括波特率、数据位、停止位和校验位。
- **USART_BRR**：设置波特率。
- **USART_SR**：状态寄存器，用于监控串口的状态，包括发送和接收缓冲区的状态。
- **USART_DR**：数据寄存器，用于发送和接收数据。

#### 5.1.2 数据传输和中断处理

数据通过USART_DR寄存器发送和接收。当发送缓冲区为空时，可以将数据写入USART_DR寄存器。当接收缓冲区中有数据时，可以从USART_DR寄存器读取数据。

STM32F103C8T6的串口控制器支持中断处理。当发送缓冲区为空或接收缓冲区中有数据时，可以触发中断。中断处理程序可以处理数据传输和错误检测。

### 5.2 I2C通信

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信协议，用于连接多个设备。它使用两根信号线：一根用于数据传输（SDA），一根用于时钟信号（SCL）。

#### 5.2.1 基本原理和配置

I2C通信由一个主设备和一个或多个从设备组成。主设备负责启动通信并控制数据传输。从设备只能在主设备的请求下发送或接收数据。

STM32F103C8T6的I2C控制器支持多种通信参数，包括时钟频率、设备地址和数据格式。时钟频率决定了数据传输的速度，单位为千赫兹。设备地址用于标识不同的从设备。数据格式指定数据传输的位数，通常为8位或16位。

配置I2C时，需要设置以下寄存器：

- **I2C_CR1**：控制I2C的基本功能，包括时钟频率、设备地址和数据格式。
- **I2C_CR2**：控制I2C的通信模式，包括主设备或从设备模式。
- **I2C_SR1**：状态寄存器，用于监控I2C的状态，包括发送和接收缓冲区的状态。
- **I2C_DR**：数据寄存器，用于发送和接收数据。

#### 5.2.2 从机和主机模式

STM32F103C8T6的I2C控制器可以配置为从机模式或主机模式。在从机模式下，MCU作为从设备响应主设备的请求。在主机模式下，MCU作为主设备发起通信并控制数据传输。

从机模式下，MCU需要设置I2C_CR2寄存器的ADDR字段为自己的设备地址。主机模式下，MCU需要设置I2C_CR2寄存器的ADD10字段为从设备的地址。

# 6.1 实时操作系统

### 6.1.1 RTOS简介和选择

实时操作系统（RTOS）是一种专为嵌入式系统设计的操作系统，它提供任务调度、同步和通信机制，以确保系统实时响应外部事件。

在选择RTOS时，需要考虑以下因素：

- **实时性：**RTOS必须能够保证系统在指定的时间内响应事件。
- **资源占用：**RTOS的代码大小和内存占用必须符合嵌入式系统的资源限制。
- **功能：**RTOS应提供所需的特性，如任务调度、同步和通信机制。
- **开发工具：**RTOS应提供易于使用的开发工具，如调试器和分析器。

### 6.1.2 任务调度和同步机制

RTOS的任务调度机制负责管理系统中的任务，并根据优先级和时间片分配CPU时间。任务同步机制确保多个任务可以协调工作，避免数据竞争和死锁。

**任务调度算法：**

- **先来先服务（FCFS）：**任务按到达顺序执行。
- **轮转调度：**任务轮流执行，每个任务分配一个时间片。
- **优先级调度：**任务根据优先级执行，高优先级任务优先执行。

**同步机制：**

- **互斥量：**确保同一时刻只有一个任务可以访问共享资源。
- **信号量：**用于控制资源的访问，当资源可用时通知等待的任务。
- **事件标志：**用于通知任务发生特定事件。