STM32单片机外设全攻略：深入剖析GPIO、定时器、ADC等关键外设

# 1. STM32单片机外设概述**

STM32单片机是意法半导体公司推出的高性能32位微控制器系列，以其强大的外设功能和广泛的应用场景而著称。外设是单片机的重要组成部分，它提供了丰富的功能，如输入/输出控制、定时、模拟信号处理等，极大地扩展了单片机的应用范围。

本指南将深入剖析STM32单片机的关键外设，包括GPIO、定时器、ADC等，帮助读者全面了解这些外设的原理、结构和应用。通过对这些外设的深入理解，读者可以充分发挥STM32单片机的潜力，开发出高性能、低功耗的嵌入式系统。

# 2. GPIO外设深入剖析

### 2.1 GPIO基本原理和寄存器结构

#### 2.1.1 GPIO引脚配置

GPIO（General Purpose Input/Output）引脚是STM32单片机上最基本的I/O接口，可用于连接各种外部设备。每个GPIO引脚都有一个对应的寄存器，用于控制其配置和状态。

**GPIO寄存器结构**

typedef struct {
  uint32_t MODER;  // 模式寄存器
  uint32_t OTYPER; // 输出类型寄存器
  uint32_t OSPEEDR; // 输出速度寄存器
  uint32_t PUPDR;  // 上拉/下拉电阻寄存器
  uint32_t IDR;   // 输入数据寄存器
  uint32_t ODR;   // 输出数据寄存器
  uint32_t BSRR;  // 置位/复位寄存器
  uint32_t LCKR;  // 锁定寄存器
  uint32_t AFR[2]; // 复用功能寄存器
} GPIO_TypeDef;

**引脚模式配置**

引脚模式寄存器（MODER）用于配置引脚的工作模式，有以下选项：

* **输入模式 (00)**：引脚配置为输入，外部信号可以驱动引脚状态。
* **输出模式 (01)**：引脚配置为输出，可以输出高电平或低电平。
* **交替功能模式 (10)**：引脚配置为特定外设的交替功能，如定时器、UART等。
* **模拟模式 (11)**：引脚配置为模拟输入，可用于连接模拟信号。

**输出类型配置**

输出类型寄存器（OTYPER）用于配置引脚输出时的电平类型，有以下选项：

* **推挽输出 (0)**：引脚输出高电平时，连接到VDD；输出低电平时，连接到GND。
* **开漏输出 (1)**：引脚输出低电平时，连接到GND；输出高电平时，断开连接。

**输出速度配置**

输出速度寄存器（OSPEEDR）用于配置引脚输出时的速度，有以下选项：

* **低速 (00)**：引脚输出速度为2MHz。
* **中速 (01)**：引脚输出速度为10MHz。
* **高速 (10)**：引脚输出速度为50MHz。
* **非常高速 (11)**：引脚输出速度为100MHz（仅适用于某些型号）。

**上拉/下拉电阻配置**

上拉/下拉电阻寄存器（PUPDR）用于配置引脚的内部上拉或下拉电阻，有以下选项：

* **无上拉/下拉 (00)**：引脚没有内部上拉或下拉电阻。
* **上拉电阻 (01)**：引脚连接到内部上拉电阻，拉高引脚电平。
* **下拉电阻 (10)**：引脚连接到内部下拉电阻，拉低引脚电平。
* **保留 (11)**：保留，不使用。

#### 2.1.2 GPIO中断机制

GPIO引脚可以配置为中断源，当引脚状态发生变化时触发中断。

**中断配置**

中断配置寄存器（EXTICR）用于配置引脚的中断源，有以下选项：

* **无中断 (00)**：引脚不产生中断。
* **线0中断 (01)**：引脚连接到中断线0。
* **线1中断 (10)**：引脚连接到中断线1。
* **线2中断 (11)**：引脚连接到中断线2。

**中断使能**

中断使能寄存器（IER）用于使能引脚中断，有以下选项：

* **中断使能 (1)**：使能引脚中断。
* **中断禁止 (0)**：禁止引脚中断。

**中断标志**

中断标志寄存器（IDR）用于指示引脚中断是否发生，有以下选项：

* **中断发生 (1)**：引脚中断发生。
* **中断未发生 (0)**：引脚中断未发生。

**中断处理**

引脚中断发生后，会触发对应的中断服务程序（ISR），ISR中可以读取中断标志寄存器，并执行相应的处理逻辑。

# 3. 定时器外设深入剖析

#### 3.1 定时器基本原理和寄存器结构

STM32单片机中的定时器外设是一种灵活且功能强大的工具，用于生成精确的定时和脉冲宽度调制 (PWM) 信号。定时器外设的基本原理是基于一个计数器，该计数器以恒定频率递增或递减。通过配置定时器的寄存器，可以控制计数器的行为、中断机制和输出信号。

**3.1.1 定时器计数模式**

STM32定时器支持多种计数模式，包括：

- **向上计数模式：**计数器从 0 开始递增，直到达到预加载值。
- **向下计数模式：**计数器从预加载值开始递减，直到达到 0。
- **中心对齐模式：**计数器从预加载值开始，交替向上和向下计数，直到达到最大值或最小值。

**3.1.2 定时器中断机制**

定时器外设提供中断机制，当计数器达到预加载值或发生其他事件时触发中断。中断可以用于执行特定的任务，例如更新变量或触发事件。

#### 3.2 定时器高级应用

除了基本功能外，STM32定时器还支持高级应用，包括：

**3.2.1 定时器PWM输出**

PWM 输出是定时器外设的一项重要功能，用于生成可变占空比的脉冲信号。通过配置定时器的比较寄存器，可以控制 PWM 输出的频率和占空比。

**3.2.2 定时器捕获/比较功能**

捕获/比较功能允许定时器捕获外部事件的发生时间或与外部信号进行比较。这使得定时器能够测量外部信号的频率、周期和占空比。

#### 代码示例：定时器 PWM 输出

以下代码示例演示了如何使用 STM32 定时器生成 PWM 输出：

#include "stm32f10x.h"

void timer_pwm_init(void) {
  // 配置时钟
  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

  // 配置定时器
  TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000;  // 计数器周期
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7200;  // 分频系数
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
  TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

  // 配置 PWM 输出
  TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;  // PWM 模式 1
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500;  // 脉冲宽度
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
  TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);

  // 启动定时器
  TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

**代码逻辑分析：**

* `timer_pwm_init` 函数初始化定时器 2 以生成 PWM 输出。
* `RCC_APB1PeriphClockCmd` 函数使能定时器 2 的时钟。
* `TIM_TimeBaseInit` 函数配置定时器的基本参数，包括计数器周期、分频系数和计数模式。
* `TIM_OCInit` 函数配置 PWM 输出，包括 PWM 模式、输出状态、脉冲宽度和极性。
* `TIM_Cmd` 函数启动定时器。

#### 表格：STM32 定时器计数模式比较

| 计数模式 | 描述 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 向上计数 | 计数器从 0 开始递增 | 简单易用 | 计数范围有限 |
| 向下计数 | 计数器从预加载值开始递减 | 计数范围更广 | 需要额外的处理来处理计数器溢出 |
| 中心对齐模式 | 计数器交替向上和向下计数 | 计数范围最广 | 复杂度较高 |

#### 流程图：定时器 PWM 输出流程

sequenceDiagram
participant User
participant Timer
User->Timer: Initialize timer
Timer->User: Timer initialized
User->Timer: Set PWM parameters
Timer->User: PWM parameters set
User->Timer: Start timer
Timer->User: Timer started
Timer->User: Generate PWM output

**流程图说明：**

* 用户初始化定时器并设置 PWM 参数。
* 定时器启动并开始生成 PWM 输出。

# 4. ADC外设深入剖析

### 4.1 ADC基本原理和寄存器结构

#### 4.1.1 ADC采样原理

模数转换器（ADC）是一种将模拟信号（例如电压）转换为数字信号的电子器件。STM32单片机中的ADC外设采用逐次逼近（SAR）转换技术，其原理如下：

1. **采样保持：**首先，ADC对模拟输入信号进行采样，并将其保持在内部采样保持电路中。
2. **比较器比较：**ADC将采样信号与内部参考电压进行比较，并输出比较结果。
3. **逐次逼近：**ADC根据比较结果，逐次逼近模拟信号的真实值。它从最高有效位（MSB）开始，依次比较每个比特位，并根据比较结果调整输出数字信号。
4. **转换完成：**当所有比特位都比较完成后，ADC输出转换后的数字信号。

#### 4.1.2 ADC转换模式

STM32单片机中的ADC外设支持多种转换模式，包括：

* **单次转换模式：**ADC在收到转换请求后进行一次转换。
* **连续转换模式：**ADC在收到转换请求后连续进行转换，直到停止转换请求。
* **扫描转换模式：**ADC按照预定义的通道顺序依次对多个通道进行转换。

### 4.2 ADC高级应用

#### 4.2.1 ADC中断编程

ADC外设提供中断功能，当转换完成时触发中断。这允许应用程序在转换完成后立即处理数据，从而提高效率。

**代码块：**

// ADC中断处理函数
void ADC_IRQHandler(void)
{
    // 读取转换结果
    uint16_t adc_data = ADC1->DR;

    // 处理转换结果
    // ...
}

**逻辑分析：**

* `ADC_IRQHandler`函数是ADC中断处理函数，当ADC转换完成时触发。
* 函数读取转换结果并将其存储在`adc_data`变量中。
* 应用程序可以根据需要处理转换结果。

#### 4.2.2 ADC校准和滤波

ADC转换结果可能会受到各种因素的影响，如温度变化和噪声。为了提高转换精度，STM32单片机提供了ADC校准和滤波功能。

**代码块：**

// ADC校准
ADC_Calibration(ADC1);

// ADC滤波
ADC_FilterConfig(ADC1, ADC_FILTER_16, ADC_FILTER_16);

**参数说明：**

* `ADC1`：要校准或滤波的ADC外设。
* `ADC_FILTER_16`：滤波阶数，表示使用16个采样值进行平均。

**逻辑分析：**

* `ADC_Calibration`函数对ADC外设进行校准，以补偿偏移和增益误差。
* `ADC_FilterConfig`函数配置ADC滤波器，以减少噪声和提高转换精度。

# 5. **5.1 UART外设**

**5.1.1 UART基本原理和寄存器结构**

UART（通用异步收发传输器）是一种串行通信接口，用于在两个设备之间传输数据。STM32单片机集成了多个UART外设，支持全双工异步通信。

UART外设主要由以下寄存器组成：

* **DR（数据寄存器）：**用于读写数据。
* **SR（状态寄存器）：**指示UART的状态，包括发送和接收缓冲区的状态。
* **BRR（波特率寄存器）：**设置UART的波特率。
* **CR1（控制寄存器 1）：**配置UART的各种参数，如数据位、停止位和奇偶校验。
* **CR2（控制寄存器 2）：**配置UART的中断和流控制。

**5.1.2 UART中断机制**

UART外设支持多种中断，包括：

* **TXE中断：**当发送缓冲区为空时触发，表示可以发送数据。
* **RXNE中断：**当接收缓冲区接收到数据时触发，表示可以读取数据。
* **TC中断：**当一个字符完全发送完毕时触发。

通过配置UART的中断，可以及时处理数据传输事件，提高通信效率。