STM32单片机核心技术：从入门到精通，10个必知秘诀

# 1. STM32单片机简介**

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的一系列32位微控制器，基于ARM Cortex-M内核设计。STM32单片机以其高性能、低功耗、丰富的外设和易于开发的特点而著称，广泛应用于嵌入式系统、工业控制、医疗设备、物联网等领域。

STM32单片机家族拥有丰富的产品线，涵盖从低端入门级到高端专业级，满足不同应用场景的需求。其核心架构采用ARM Cortex-M系列处理器，提供从Cortex-M0+到Cortex-M7等多种内核选择，主频范围从数十兆赫兹到数百兆赫兹。

# 2. STM32单片机硬件架构

### 2.1 处理器架构

STM32单片机采用ARM Cortex-M系列处理器内核，具有以下特点：

- **哈佛架构：**指令和数据存储在独立的存储器空间中，提高了指令执行效率。
- **流水线设计：**指令预取和执行重叠进行，减少了指令执行时间。
- **低功耗：**采用动态功耗管理技术，可以根据系统负载动态调整功耗。

### 2.2 外设接口

STM32单片机集成了丰富的片上外设，包括：

- **通用输入/输出 (GPIO)：**用于控制外部设备，如LED、按键等。
- **定时器：**用于产生脉冲、测量时间间隔等。
- **串口：**用于与其他设备进行数据通信。
- **模拟数字转换器 (ADC)：**用于将模拟信号转换为数字信号。
- **数字模拟转换器 (DAC)：**用于将数字信号转换为模拟信号。

### 2.3 存储器系统

STM32单片机通常具有以下存储器类型：

- **闪存 (Flash)：**用于存储程序代码和常量数据。
- **SRAM (静态随机存取存储器)：**用于存储程序变量和数据。
- **EEPROM (电可擦除可编程只读存储器)：**用于存储需要长期保存的数据。

**代码块：**

// 访问 GPIO 寄存器
#define GPIOA_BASE 0x40010800
#define GPIOA_MODER (GPIOA_BASE + 0x00)
#define GPIOA_ODR (GPIOA_BASE + 0x14)

// 设置 GPIOA 第 5 引脚为输出模式
void gpio_init(void) {
    // 设置 MODER5 为 01，输出模式
    *GPIOA_MODER &= ~(3 << 10);
    *GPIOA_MODER |= (1 << 10);
}

**逻辑分析：**

- `GPIOA_BASE` 是 GPIOA 寄存器基地址。
- `GPIOA_MODER` 是 GPIOA 模式寄存器地址。
- `GPIOA_ODR` 是 GPIOA 输出数据寄存器地址。
- `*GPIOA_MODER &= ~(3 << 10)` 清除 MODER5 位（第 10、11 位）。
- `*GPIOA_MODER |= (1 << 10)` 设置 MODER5 位为 1，输出模式。

**表格：STM32单片机常见外设接口**

| 外设 | 描述 |
|---|---|
| GPIO | 通用输入/输出 |
| 定时器 | 产生脉冲、测量时间间隔 |
| 串口 | 与其他设备进行数据通信 |
| ADC | 模拟信号转换为数字信号 |
| DAC | 数字信号转换为模拟信号 |

**Mermaid 流程图：STM32单片机存储器系统**

graph LR
subgraph Flash
    Flash[闪存]
end
subgraph SRAM
    SRAM[SRAM]
end
subgraph EEPROM
    EEPROM[EEPROM]
end
Flash --> SRAM
SRAM --> EEPROM

# 3. STM32单片机软件开发**

### 3.1 开发环境搭建

**搭建步骤：**

1. **安装Keil MDK-ARM：**
- 下载Keil MDK-ARM软件并安装。
- 确保安装了正确的版本，与STM32单片机型号兼容。

2. **安装STM32CubeMX：**
- 下载STM32CubeMX软件并安装。
- 确保安装了与Keil MDK-ARM版本兼容的版本。

3. **创建Keil工程：**
- 打开Keil MDK-ARM，新建一个工程。
- 选择目标STM32单片机型号。
- 配置工程选项，如编译器、链接器和调试器。

4. **配置STM32CubeMX：**
- 打开STM32CubeMX，选择目标STM32单片机型号。
- 配置外设、时钟和中断。
- 生成代码并导出到Keil工程中。

5. **编译和调试：**
- 在Keil MDK-ARM中编译工程。
- 使用调试器（如J-Link或ST-Link）调试程序。

### 3.2 C语言编程基础

**数据类型：**

- 整数类型：int、short、long
- 浮点数类型：float、double
- 字符类型：char
- 数组：int array[10];
- 结构体：struct { int a; float b; }

**运算符：**

- 算术运算符：+、-、*、/、%
- 比较运算符：==、!=、<、>、<=、>=
- 逻辑运算符：&&、||、!
- 位运算符：<<、>>、&、|、^

**控制流：**

- if-else语句
- switch-case语句
- while、do-while、for循环

### 3.3 外设驱动开发

**外设驱动结构：**

- **寄存器定义：**定义外设寄存器地址和位域。
- **初始化函数：**配置外设，如时钟、引脚复用等。
- **读写函数：**操作外设寄存器，读写数据。
- **中断处理函数：**处理外设中断。

**外设驱动开发步骤：**

1. **分析外设手册：**了解外设功能和寄存器定义。
2. **定义寄存器结构：**使用宏或结构体定义外设寄存器地址和位域。
3. **编写初始化函数：**根据外设手册配置外设。
4. **编写读写函数：**操作外设寄存器，读写数据。
5. **编写中断处理函数：**处理外设中断。
6. **测试驱动：**编写测试代码验证驱动功能。

**代码示例：**

// LED驱动
typedef struct {
  uint32_t base_addr;
  uint32_t led_offset;
} led_driver_t;

void led_init(led_driver_t *led) {
  // 配置时钟和引脚复用
  RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN;
  GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_0 | GPIO_CRH_CNF13_0;

  // 设置LED引脚为输出
  led->led_offset = GPIOB_ODR_ODR13;
}

void led_on(led_driver_t *led) {
  // 设置LED引脚为高电平
  *led->led_offset |= GPIO_ODR_ODR13;
}

void led_off(led_driver_t *led) {
  // 设置LED引脚为低电平
  *led->led_offset &= ~GPIO_ODR_ODR13;
}

# 4. STM32单片机应用实践**

### 4.1 LED控制

LED控制是STM32单片机最基本的应用之一，通过设置GPIO引脚的电平状态，可以控制LED的亮灭。

#### 硬件连接

* 将LED的正极连接到STM32单片机的GPIO引脚。
* 将LED的负极连接到地线。

#### 软件实现

#include "stm32f10x.h"

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

    while (1)
    {
        // 设置GPIO引脚为高电平，LED亮
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;
        // 延时
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
        // 设置GPIO引脚为低电平，LED灭
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;
        // 延时
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
    }
}

#### 代码逻辑分析

* 初始化GPIO引脚：设置GPIOC的第13引脚为输出模式。
* 循环控制LED亮灭：通过设置GPIOC的第13引脚的电平状态来控制LED的亮灭。
* 延时：通过循环计数的方式实现延时，控制LED的亮灭时间。

### 4.2 按键输入

按键输入是STM32单片机另一个常用的应用，通过检测GPIO引脚的电平状态，可以判断按键是否按下。

#### 硬件连接

* 将按键的一端连接到STM32单片机的GPIO引脚。
* 将按键的另一端连接到地线。

#### 软件实现

#include "stm32f10x.h"

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

    while (1)
    {
        // 检测GPIO引脚电平状态
        if (GPIOC->IDR & GPIO_IDR_IDR13)
        {
            // 按键未按下
        }
        else
        {
            // 按键按下
        }
    }
}

#### 代码逻辑分析

* 初始化GPIO引脚：设置GPIOC的第13引脚为输入模式。
* 检测GPIO引脚电平状态：通过读取GPIOC的第13引脚的电平状态来判断按键是否按下。
* 按键按下与未按下的处理：根据GPIO引脚的电平状态，执行不同的处理逻辑。

### 4.3 串口通信

串口通信是STM32单片机与外部设备通信的重要方式，通过UART模块可以实现数据的发送和接收。

#### 硬件连接

* 将STM32单片机的TX引脚连接到外部设备的RX引脚。
* 将STM32单片机的RX引脚连接到外部设备的TX引脚。

#### 软件实现

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
    // 初始化UART模块
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;
    USART1->BRR = 0x0683; // 波特率设置为9600
    USART1->CR1 |= USART_CR1_UE;

    while (1)
    {
        // 发送数据
        USART1->DR = 'A';
        // 等待数据发送完成
        while (!(USART1->SR & USART_SR_TC));

        // 接收数据
        while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE));
        char data = USART1->DR;
    }
}

#### 代码逻辑分析

* 初始化UART模块：设置UART模块的波特率和使能UART模块。
* 发送数据：通过设置USART1->DR寄存器来发送数据。
* 等待数据发送完成：通过检测USART1->SR寄存器的TC位来判断数据是否发送完成。
* 接收数据：通过检测USART1->SR寄存器的RXNE位来判断数据是否接收完成。

# 5.1 PWM输出

### 5.1.1 PWM简介

脉宽调制（PWM）是一种通过改变脉冲宽度来控制输出功率的技术。在STM32单片机中，PWM输出可以通过TIM（定时器）模块实现。

### 5.1.2 TIM模块的PWM配置

TIM模块的PWM配置主要涉及以下步骤：

1. **时钟配置：**为TIM模块配置时钟源和时钟分频系数。
2. **输出模式配置：**将TIM模块的输出通道配置为PWM模式。
3. **周期配置：**设置PWM输出的周期，即一个完整脉冲的持续时间。
4. **占空比配置：**设置PWM输出的占空比，即脉冲宽度与周期之比。

### 5.1.3 PWM输出示例

以下代码示例展示了如何使用TIM3模块配置PWM输出：

#include "stm32f1xx_hal.h"

TIM_HandleTypeDef htim3;

void PWM_Config() {
  // 时钟配置
  htim3.Instance = TIM3;
  htim3.Init.Prescaler = 1000;
  htim3.Init.Period = 1000;
  HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);

  // 输出模式配置
  TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;
  sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
  sConfigOC.Pulse = 500;
  sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
  HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

  // 启动TIM模块
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
}

### 5.1.4 PWM输出应用

PWM输出广泛应用于各种电子设备中，例如：

- **电机控制：**通过控制PWM输出的占空比来调节电机的转速。
- **亮度控制：**通过控制PWM输出的占空比来调节LED灯的亮度。
- **音频生成：**通过PWM输出生成不同频率和音调的音频信号。