STM32单片机入门宝典：5步解锁单片机世界

# 1. STM32单片机简介**

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的基于ARM Cortex-M内核的高性能微控制器系列。STM32单片机以其强大的处理能力、丰富的外围设备和广泛的应用场景而闻名，被广泛应用于工业控制、物联网、医疗设备等领域。

STM32单片机具有多种型号，涵盖从入门级到高性能的各种需求。入门级型号通常采用Cortex-M0内核，而高性能型号则采用Cortex-M7内核。STM32单片机的外围设备非常丰富，包括GPIO、定时器、ADC、DAC、PWM等，可以满足各种应用场景的需求。

# 2. STM32单片机硬件架构**

**2.1 处理器内核**

STM32单片机采用ARM Cortex-M系列处理器内核，具有以下特点：

- **高性能：**基于ARMv7-M架构，指令集丰富，执行效率高。
- **低功耗：**采用动态电压调节技术，可根据负载需求调整工作电压，降低功耗。
- **高集成度：**内置丰富的 периферийные устройства，如定时器、ADC、GPIO等，减少外围电路设计。

**2.2 外围设备**

STM32单片机集成了丰富的 периферийные устройства，包括：

| 外围设备 | 功能 |
|---|---|
| GPIO | 通用输入/输出端口，可用于控制外部设备 |
| 定时器 | 用于产生定时信号或测量时间间隔 |
| ADC | 模数转换器，可将模拟信号转换为数字信号 |
| DAC | 数模转换器，可将数字信号转换为模拟信号 |
| UART | 通用异步收发器，用于串口通信 |
| SPI | 串行外围接口，用于与外部设备通信 |
| I2C | 串行总线接口，用于与低速设备通信 |

**2.3 引脚功能**

STM32单片机的引脚具有多功能性，可以根据需要配置为不同的功能。例如，一个引脚可以配置为GPIO、定时器输入/输出或UART收发引脚。

**引脚功能配置示例：**

// 配置PA0引脚为GPIO输出模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

// 配置PB1引脚为定时器2输入捕获模式
TIM_IC_InitTypeDef TIM_ICInitStructure;
TIM_ICInitStructure.Channel = TIM_CHANNEL_1;
TIM_ICInitStructure.ICPolarity = TIM_ICPOLARITY_RISING;
TIM_ICInitStructure.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
TIM_ICInitStructure.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
TIM_ICInitStructure.ICFilter = 0x0;
HAL_TIM_IC_Init(&htim2, &TIM_ICInitStructure);

通过灵活的引脚功能配置，STM32单片机可以满足各种应用需求，简化系统设计。

# 3. STM32单片机软件开发环境

### 3.1 开发工具选择

#### 编译器

STM32单片机软件开发需要使用C语言编译器。常用的编译器有：

- **Keil MDK:** 由ARM官方提供的专业集成开发环境（IDE），功能强大，支持多种STM32系列单片机。
- **IAR Embedded Workbench:** 另一款流行的IDE，提供高级调试和仿真功能，但需要付费。
- **GCC (GNU Compiler Collection):** 开源编译器，免费且跨平台，但需要配合其他工具使用。

#### 集成开发环境（IDE）

IDE将编译器、调试器、仿真器等工具集成在一起，提供方便的开发环境。常用的IDE有：

- **Keil uVision:** Keil MDK中的IDE，功能丰富，支持多种STM32系列单片机。
- **IAR Embedded Workbench:** 包含IDE、编译器、调试器和仿真器，提供一站式开发解决方案。
- **Eclipse with CDT:** 开源IDE，可扩展性强，支持多种语言和工具。

### 3.2 程序编写

#### 代码结构

STM32单片机程序通常由以下部分组成：

- **头文件：** 包含函数和数据类型的声明，用于代码重用和模块化。
- **源文件：** 包含程序的主逻辑和函数实现。
- **启动文件：** 定义程序的入口点和堆栈配置。

#### 语言特性

STM32单片机软件开发使用C语言，支持以下特性：

- **指针：** 用于访问内存地址和数据结构。
- **结构体：** 用于组织相关数据。
- **联合：** 用于存储不同类型的数据在同一内存空间。
- **枚举：** 用于定义一组常量。

### 3.3 调试与仿真

#### 调试

调试是指查找和修复程序中的错误。常用的调试方法有：

- **单步调试：** 逐行执行程序，检查变量值和寄存器状态。
- **断点：** 在程序中设置断点，当程序执行到断点时暂停。
- **查看变量：** 检查程序中变量的值。

#### 仿真

仿真是指在计算机上模拟单片机的行为。常用的仿真器有：

- **Keil uVision Simulator:** Keil MDK中的仿真器，支持多种STM32系列单片机。
- **IAR Embedded Workbench Simulator:** IAR Embedded Workbench中的仿真器，提供高级仿真功能。
- **GDB (GNU Debugger):** 开源调试器，可用于调试STM32单片机程序。

#### 调试与仿真流程

调试与仿真流程通常如下：

1. **编译程序：** 使用编译器将源代码编译成可执行文件。
2. **加载程序：** 将可执行文件加载到单片机或仿真器中。
3. **调试或仿真：** 使用调试器或仿真器查找和修复程序中的错误。
4. **修改程序：** 根据调试或仿真结果修改程序。
5. **重复步骤1-4：** 直到程序正常运行。

# 4. STM32单片机基础应用**

**4.1 GPIO操作**

GPIO（通用输入/输出）端口是STM32单片机中最重要的外设之一，它允许与外部设备进行交互。GPIO端口可以配置为输入、输出或模拟输入。

**GPIO寄存器**

GPIO端口的配置和控制通过以下寄存器进行：

- GPIOx_MODER：模式寄存器，用于配置GPIO引脚的模式（输入、输出、模拟输入）
- GPIOx_OTYPER：输出类型寄存器，用于配置输出引脚的输出类型（推挽输出、开漏输出）
- GPIOx_OSPEEDR：输出速度寄存器，用于配置输出引脚的输出速度（低速、中速、高速）
- GPIOx_PUPDR：上拉/下拉寄存器，用于配置GPIO引脚的上拉/下拉电阻（上拉、下拉、浮空）
- GPIOx_IDR：输入数据寄存器，用于读取GPIO引脚的输入数据
- GPIOx_ODR：输出数据寄存器，用于设置GPIO引脚的输出数据

**GPIO操作步骤**

1. **配置GPIO模式：**通过设置GPIOx_MODER寄存器，将GPIO引脚配置为输入、输出或模拟输入。
2. **配置输出类型：**通过设置GPIOx_OTYPER寄存器，配置输出引脚的输出类型为推挽输出或开漏输出。
3. **配置输出速度：**通过设置GPIOx_OSPEEDR寄存器，配置输出引脚的输出速度。
4. **配置上拉/下拉电阻：**通过设置GPIOx_PUPDR寄存器，配置GPIO引脚的上拉/下拉电阻。
5. **读取输入数据：**通过读取GPIOx_IDR寄存器，读取GPIO引脚的输入数据。
6. **设置输出数据：**通过设置GPIOx_ODR寄存器，设置GPIO引脚的输出数据。

**示例代码**

// 配置GPIOA引脚0为输出模式
GPIOA->MODER &= ~(3 << (0 * 2));
GPIOA->MODER |= (1 << (0 * 2));

// 配置GPIOA引脚0为推挽输出类型
GPIOA->OTYPER &= ~(1 << 0);

// 配置GPIOA引脚0为高速输出
GPIOA->OSPEEDR |= (3 << (0 * 2));

// 设置GPIOA引脚0输出高电平
GPIOA->ODR |= (1 << 0);

**4.2 定时器操作**

定时器是STM32单片机中另一个重要的外设，它允许生成精确的定时和脉冲。STM32单片机有多个定时器，每个定时器都有自己的功能和特性。

**定时器寄存器**

定时器的配置和控制通过以下寄存器进行：

- TIMx_CR1：控制寄存器1，用于配置定时器的基本功能（时钟源、计数模式、预分频器）
- TIMx_CR2：控制寄存器2，用于配置定时器的其他功能（触发源、输出比较模式）
- TIMx_PSC：预分频器寄存器，用于设置定时器的时钟预分频器
- TIMx_ARR：自动重装载寄存器，用于设置定时器的自动重装载值
- TIMx_CNT：计数器寄存器，用于存储定时器的当前计数值
- TIMx_CCR1：捕获/比较寄存器1，用于设置定时器的捕获/比较值
- TIMx_CCR2：捕获/比较寄存器2，用于设置定时器的第二个捕获/比较值

**定时器操作步骤**

1. **配置定时器时钟：**通过设置TIMx_CR1寄存器，配置定时器的时钟源和预分频器。
2. **配置定时器计数模式：**通过设置TIMx_CR1寄存器，配置定时器的计数模式（向上计数、向下计数、中心对齐计数）。
3. **设置定时器自动重装载值：**通过设置TIMx_ARR寄存器，设置定时器的自动重装载值。
4. **配置定时器输出比较：**通过设置TIMx_CCR1寄存器，配置定时器的输出比较功能。
5. **启动定时器：**通过设置TIMx_CR1寄存器，启动定时器。
6. **读取定时器计数值：**通过读取TIMx_CNT寄存器，读取定时器的当前计数值。

**示例代码**

// 配置TIM2为向上计数模式，时钟源为内部时钟，预分频器为1000
TIM2->CR1 = (1 << 4) | (1 << 3) | (1000 - 1);

// 设置TIM2的自动重装载值为10000
TIM2->ARR = 10000;

// 配置TIM2的输出比较1为PWM模式，比较值

# 5.1 串口通信

### 5.1.1 串口简介

串口通信是一种异步串行通信方式，用于在两台设备之间传输数据。STM32单片机提供了多个串口外设，用于与外部设备进行通信。

### 5.1.2 串口配置

STM32单片机的串口配置主要包括以下参数：

- **波特率：**数据传输速率，单位为bps。
- **数据位：**每个字符传输的数据位数，通常为8位。
- **停止位：**结束字符传输的位数，通常为1位或2位。
- **校验位：**用于检测数据传输错误的位，通常为无校验、奇校验或偶校验。

### 5.1.3 串口操作

**发送数据：**

HAL_UART_Transmit(&huart, (uint8_t *)data, strlen(data), 1000);

**接收数据：**

HAL_UART_Receive(&huart, (uint8_t *)data, sizeof(data), 1000);

### 5.1.4 串口中断

串口中断可以在数据发送或接收完成时触发。中断处理函数中可以进行数据处理或其他操作。

**发送中断：**

void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
// 数据发送完成处理
}

**接收中断：**

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
// 数据接收完成处理
}

### 5.1.5 串口应用

串口通信在嵌入式系统中广泛应用，例如：

- 与PC机通信
- 与传感器或执行器通信
- 与其他单片机通信