【STM32单片机C语言入门宝典】：从零到实战，快速掌握嵌入式开发

# 1. STM32单片机基础**

STM32单片机是意法半导体公司推出的一系列基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器。它具有高性能、低功耗、丰富的片上外设等特点，广泛应用于工业控制、消费电子、医疗器械等领域。

STM32单片机由处理器核心、片上外设和存储器组成。处理器核心负责执行程序代码，片上外设提供各种功能，如GPIO、定时器、ADC等，存储器用于存储程序代码和数据。

STM32单片机采用哈佛架构，即指令和数据存储在不同的存储器空间中，这可以提高程序执行效率。同时，STM32单片机还支持多种总线接口，如SPI、I2C、CAN等，方便与外部设备连接。

# 2. C语言编程基础**

C语言是一种结构化、通用编程语言，广泛用于嵌入式系统、操作系统和应用程序开发。本章节将介绍C语言的基本语法、数据类型、流程控制和函数的概念。

**2.1 C语言的基本语法和数据类型**

**2.1.1 变量和常量**

变量是用于存储数据的内存位置，而常量则是不可更改的值。变量的声明遵循以下语法：

数据类型 变量名;

例如：

int age;

声明了一个名为age的整型变量。

常量的声明使用const关键字：

const int PI = 3.14;

**2.1.2 数据类型和转换**

C语言支持多种数据类型，包括：

| 数据类型 | 描述 |
|---|---|
| int | 整数 |
| float | 浮点数 |
| double | 双精度浮点数 |
| char | 字符 |

数据类型转换可以通过强制类型转换运算符进行：

int num = (int) 3.14;

这将把浮点数3.14强制转换为整型3。

**2.2 C语言的流程控制**

**2.2.1 条件语句**

条件语句用于根据条件执行不同的代码块。最常见的条件语句是if-else语句：

if (条件) {
    // 条件为真时执行的代码
} else {
    // 条件为假时执行的代码
}

**2.2.2 循环语句**

循环语句用于重复执行一段代码。最常见的循环语句是for循环、while循环和do-while循环：

// for循环
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    // 执行循环体
}

// while循环
while (条件) {
    // 执行循环体
}

// do-while循环
do {
    // 执行循环体
} while (条件);

**2.2.3 函数和参数传递**

函数是可重用的代码块，可以接受参数并返回一个值。函数的声明遵循以下语法：

返回类型 函数名(参数列表);

例如：

int sum(int a, int b) {
    return a + b;
}

函数可以通过调用语句执行：

int result = sum(10, 20);

# 3.1 STM32单片机的内部结构

#### 3.1.1 处理器核心

STM32单片机采用ARM Cortex-M系列处理器核心，该核心具有以下特点：

- 基于32位RISC指令集，指令执行周期为1个时钟周期
- 采用哈佛架构，指令和数据存储器分离，提高了性能
- 具有浮点运算单元（FPU），支持浮点运算
- 支持多种低功耗模式，可降低功耗

#### 3.1.2 外设接口

STM32单片机集成了丰富的片上外设，包括：

- GPIO（通用输入/输出端口）：用于连接外部设备，如LED、按钮、传感器等
- 定时器：用于产生定时脉冲、PWM波形等
- ADC（模数转换器）：用于将模拟信号转换为数字信号
- DAC（数模转换器）：用于将数字信号转换为模拟信号
- USART（通用异步收发器）：用于串口通信
- I2C（串行外围接口）：用于与I2C设备通信
- SPI（串行外围接口）：用于与SPI设备通信
- USB（通用串行总线）：用于与USB设备通信

### 3.2 STM32单片机的时钟系统

#### 3.2.1 时钟源和时钟树

STM32单片机的时钟系统由多个时钟源组成，包括：

- 内部高速振荡器（HSI）：频率为8MHz
- 内部低速振荡器（LSI）：频率为32kHz
- 外部时钟源（HSE）：频率可配置，通常为8MHz或25MHz

时钟树将时钟源的时钟信号分配给单片机上的各个外设。时钟树的结构如下：

graph LR
subgraph 时钟源
    A[HSI]
    B[LSI]
    C[HSE]
end
subgraph 时钟树
    D[PLL]
    E[SYSCLK]
    F[HCLK]
    G[PCLK1]
    H[PCLK2]
end
A --> D
B --> D
C --> D
D --> E
E --> F
F --> G
F --> H

#### 3.2.2 时钟配置和管理

STM32单片机的时钟系统可以通过软件进行配置和管理。主要配置项包括：

- 时钟源的选择
- PLL（锁相环）的分频系数
- 时钟树的分频系数

时钟配置的代码示例：

// 设置时钟源为HSE
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_HSE;

// 等待时钟源切换完成
while ((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS_Msk) != RCC_CFGR_SWS_HSE);

// 设置PLL分频系数
RCC->PLLCFGR |= RCC_PLLCFGR_PLLM_3 | RCC_PLLCFGR_PLLN_16 | RCC_PLLCFGR_PLLP_2;

// 使能PLL
RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;

// 等待PLL锁定完成
while ((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0);

// 设置时钟树分频系数
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_HPRE_DIV1 | RCC_CFGR_PPRE1_DIV2 | RCC_CFGR_PPRE2_DIV4;

# 4. STM32单片机外设编程

本章节将介绍STM32单片机的外设编程，包括GPIO编程和定时器编程。

### 4.1 GPIO编程

#### 4.1.1 GPIO的基本原理

GPIO（General Purpose Input/Output）是STM32单片机上一种通用输入/输出接口，可以用来控制外部设备或读取外部信号。每个GPIO引脚都可以配置为输入、输出或模拟输入功能。

#### 4.1.2 GPIO的配置和操作

GPIO的配置和操作可以通过寄存器进行控制。STM32单片机上的GPIO寄存器主要包括以下几个：

- GPIOx_MODER：配置GPIO引脚的功能（输入、输出、模拟输入）
- GPIOx_OTYPER：配置GPIO引脚的输出类型（推挽输出、开漏输出）
- GPIOx_OSPEEDR：配置GPIO引脚的输出速度（低速、中速、高速）
- GPIOx_PUPDR：配置GPIO引脚的上下拉电阻（上拉、下拉、浮空）
- GPIOx_IDR：读取GPIO引脚的输入电平
- GPIOx_ODR：设置GPIO引脚的输出电平

**代码块：GPIO配置和操作示例**

// 配置GPIOA的第5个引脚为输出模式
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER5_0;

// 设置GPIOA的第5个引脚输出高电平
GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_OD5;

**逻辑分析：**

- `GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER5_0;`：将GPIOA的第5个引脚配置为输出模式。
- `GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_OD5;`：将GPIOA的第5个引脚输出高电平。

### 4.2 定时器编程

#### 4.2.1 定时器的基本原理

定时器是STM32单片机上一种用于产生精确时间间隔或脉冲的模块。STM32单片机上有多个定时器，每个定时器都可以独立配置和操作。

定时器的基本工作原理是：

- 定时器内部有一个计数器，当计数器达到预设值时，会产生一个中断。
- 定时器可以配置为不同的工作模式，包括：
- 单次模式：计数器达到预设值后停止计数。
- 周期模式：计数器达到预设值后重新从0开始计数。
- 脉冲模式：计数器只计数一次，达到预设值后停止计数。

#### 4.2.2 定时器的配置和操作

定时器的配置和操作可以通过寄存器进行控制。STM32单片机上的定时器寄存器主要包括以下几个：

- TIMx_CR1：控制定时器的基本功能（启动、停止、计数模式）
- TIMx_PSC：预分频器寄存器，用于设置定时器的时钟频率
- TIMx_ARR：自动重装载寄存器，用于设置定时器的计数上限
- TIMx_CNT：计数器寄存器，用于读取当前的计数值
- TIMx_DIER：中断使能寄存器，用于使能或禁止定时器中断
- TIMx_SR：状态寄存器，用于读取定时器的当前状态（中断标志、计数溢出标志等）

**代码块：定时器配置和操作示例**

// 配置TIM2为周期模式，时钟频率为1MHz
TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
TIM2->PSC = 72 - 1;
TIM2->ARR = 10000 - 1;

// 使能TIM2的中断
TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE;

**逻辑分析：**

- `TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;`：启动TIM2定时器。
- `TIM2->PSC = 72 - 1;`：设置TIM2的时钟频率为1MHz（系统时钟为72MHz）。
- `TIM2->ARR = 10000 - 1;`：设置TIM2的计数上限为10000。
- `TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE;`：使能TIM2的中断。

#### 4.2.3 定时器的中断处理

当定时器达到预设值时，会产生一个中断。中断处理程序可以用来执行特定的操作，例如：

- 更新LED的状态
- 读取传感器数据
- 发送数据到UART

**代码块：定时器中断处理示例**

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志
    TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;

    // 执行中断处理操作
    // ...
}

**逻辑分析：**

- `void TIM2_IRQHandler(void)`：TIM2定时器的中断处理程序。
- `TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;`：清除TIM2的中断标志。
- `// 执行中断处理操作`：执行中断处理操作。

# 5.1 LED闪烁程序

### 5.1.1 程序设计和实现

LED闪烁程序是一个简单的STM32单片机程序，它可以使连接到单片机的LED灯闪烁。该程序的实现步骤如下：

1. **初始化GPIO端口和引脚：**
- 使用 `RCC_AHB1PeriphClockCmd` 函数使能GPIO端口时钟。
- 使用 `GPIO_Init` 函数配置GPIO引脚为输出模式。

2. **配置LED引脚：**
- 使用 `GPIO_SetBits` 函数将LED引脚置为高电平，点亮LED。
- 使用 `GPIO_ResetBits` 函数将LED引脚置为低电平，熄灭LED。

3. **创建延时函数：**
- 使用 `SysTick_Config` 函数配置SysTick定时器，用于产生延时。
- 在延时函数中，使用 `while` 循环进行延时。

4. **编写主函数：**
- 在主函数中，初始化GPIO端口和引脚。
- 在无限循环中，点亮LED，延时，熄灭LED，延时。

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
    // 初始化GPIO端口和引脚
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
    GPIO_Init(GPIOA, &(GPIO_InitTypeDef){
        .GPIO_Pin = GPIO_Pin_5,
        .GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out,
        .GPIO_OType = GPIO_OType_PP,
        .GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL,
        .GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz
    });

    // 配置LED引脚
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);

    // 创建延时函数
    SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000);
    void delay_ms(uint32_t ms)
    {
        uint32_t i;
        while (ms--)
        {
            for (i = 0; i < 1000; i++)
                ;
        }
    }

    // 主函数
    while (1)
    {
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
        delay_ms(1000);
        GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
        delay_ms(1000);
    }
}

### 5.1.2 程序调试和验证

1. 将程序下载到STM32单片机。
2. 连接LED到GPIO引脚。
3. 观察LED是否正常闪烁。