stm32单片机架构揭秘：深入剖析内部结构，掌握核心原理

目录
1. STM32单片机简介**
2. STM32单片机架构

2.1 核心架构

2.1.1 Cortex-M内核
2.1.2 内存结构

2.2 外围设备

2.2.1 时钟系统
2.2.2 GPIO接口
2.2.3 定时器和计数器

3. STM32单片机编程

3.1 嵌入式C语言基础

3.1.1 数据类型和变量
3.1.2 运算符和表达式

3.2 STM32单片机开发环境

3.2.1 IDE选择和安装
3.2.2 项目创建和配置

4. STM32单片机外设应用

4.1 GPIO控制

4.1.1 输入/输出模式配置
4.1.2 中断处理

4.2 定时器和计数器应用

4.2.1 定时器模式和配置
4.2.2 脉宽调制（PWM）生成

4.3 串口通信

4.3.1 串口配置和初始化
4.3.2 数据收发处理

5.1 实时操作系统（RTOS）

5.1.1 RTOS简介和选择
5.1.2 任务调度和同步

6. STM32单片机开发实战

6.1 LED闪烁程序
6.2 温度传感器读取程序
6.3 无线通信模块控制程序

1. STM32单片机简介**
STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）生产的一系列32位微控制器，基于ARM Cortex-M内核，广泛应用于嵌入式系统中。其特点包括：

高性能：基于ARM Cortex-M内核，提供卓越的处理能力和能效。
丰富的外设：集成多种外围设备，如GPIO、定时器、ADC和UART，满足各种应用需求。
低功耗：采用先进的低功耗技术，可实现超低功耗操作，延长电池续航时间。
广泛的应用：适用于各种嵌入式应用，包括工业控制、医疗设备、物联网和消费电子产品。

2. STM32单片机架构
2.1 核心架构
2.1.1 Cortex-M内核
STM32单片机采用基于ARM架构的Cortex-M内核，该内核专为嵌入式应用而设计，具有低功耗、高性能和易于使用的特点。Cortex-M内核有多种型号，STM32单片机主要采用Cortex-M0、Cortex-M3和Cortex-M4内核。
Cortex-M0内核：

32位RISC架构
16位指令集
8KB Flash和4KB SRAM
低功耗设计，适用于电池供电设备

Cortex-M3内核：

32位RISC架构
32位指令集
32KB Flash和16KB SRAM
增强浮点运算能力
适用于需要较高性能的应用

Cortex-M4内核：

32位RISC架构
32位指令集
64KB Flash和32KB SRAM
浮点运算单元（FPU）
适用于需要高性能和复杂计算的应用

2.1.2 内存结构
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中。
Flash存储器：

存储程序代码和常量数据
非易失性存储器，即使断电后数据也不会丢失
容量从几KB到几MB不等

SRAM存储器：

存储变量和临时数据
易失性存储器，断电后数据丢失
容量从几KB到几十KB不等

EEPROM存储器：

一种非易失性存储器，可以多次擦除和写入
用于存储配置数据和参数

2.2 外围设备
STM32单片机集成了丰富的片上外围设备，包括时钟系统、GPIO接口、定时器和计数器等。
2.2.1 时钟系统
STM32单片机通常有多个时钟源，包括内部时钟（HSI）、外部时钟（HSE）和低速时钟（LSI）。这些时钟源可以相互切换，以满足不同应用的时钟要求。
时钟树：
时钟系统通过时钟树将时钟信号分配到不同的外围设备。时钟树可以配置为不同的分频比，以生成所需的时钟频率。
时钟配置：
时钟配置寄存器用于配置时钟源、分频比和时钟输出。
2.2.2 GPIO接口
GPIO（通用输入/输出）接口是STM32单片机上最基本的外部接口，可以配置为输入或输出模式。
GPIO模式：

输入模式：读取外部信号
输出模式：驱动外部设备

GPIO中断：
GPIO接口支持中断功能，当引脚状态发生变化时可以触发中断。
2.2.3 定时器和计数器
STM32单片机集成了多个定时器和计数器外围设备，用于生成定时脉冲、测量时间间隔和产生PWM信号。
定时器模式：

定时器模式：生成定时脉冲
计数器模式：测量时间间隔

PWM模式：
PWM（脉宽调制）模式可以生成可调占空比的脉冲信号，用于控制电机速度、亮度等。
捕获和比较功能：
定时器和计数器还支持捕获和比较功能，可以测量外部信号的频率和占空比。
3. STM32单片机编程
3.1 嵌入式C语言基础
3.1.1 数据类型和变量
嵌入式C语言的数据类型与标准C语言类似，主要包括：

**整型：**int、short、long，用于表示整数
**浮点型：**float、double，用于表示小数
**字符型：**char，用于表示单个字符
**指针：**用于存储其他变量的地址
**结构体：**用于存储相关数据的集合
**联合体：**用于存储不同类型数据的集合

变量用于存储数据，其类型决定了变量可以存储的数据类型和范围。变量声明时需要指定其类型和名称，如：
int count;float temperature;
3.1.2 运算符和表达式
运算符用于对变量或常量进行操作，主要包括：

算术运算符：+、-、*、/、%（模运算）
关系运算符：==、!=、>、<、>=、<=
逻辑运算符：&&（与）、||（或）、!（非）

表达式由运算符和操作数组成，用于计算结果。如：
int result = count + temperature;
3.2 STM32单片机开发环境
3.2.1 IDE选择和安装
STM32单片机开发需要使用集成开发环境（IDE），推荐使用以下IDE：

**Keil uVision：**功能强大，支持多种STM32型号
**IAR Embedded Workbench：**功能完善，代码质量高
**Eclipse with CDT：**开源免费，可扩展性强

安装IDE时，需要选择与STM32型号对应的版本和工具链。
3.2.2 项目创建和配置
创建STM32项目时，需要选择目标单片机型号和开发环境。IDE会自动生成项目模板，包含基本的头文件和源文件。
项目配置包括：

**编译器选项：**优化级别、代码生成选项
**调试选项：**调试器类型、断点设置
**链接器选项：**库文件、启动文件

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代码块：
// 头文件包含#include "stm32f10x.h"// 变量声明uint32_t count;float temperature;// 主函数int main(void){ // 初始化 SystemInit(); // 循环 while (1) { // 获取温度 temperature = ...; // 更新计数 count++; }}
代码逻辑分析：

头文件包含了STM32单片机的寄存器和函数定义。
变量声明了计数器count和温度值temperature。
主函数main()在系统初始化后进入循环。
循环中，获取温度并更新计数器。

4. STM32单片机外设应用
4.1 GPIO控制
4.1.1 输入/输出模式配置
GPIO（General Purpose Input/Output）是STM32单片机上的一种通用输入/输出接口，它可以配置为输入或输出模式。
输入模式配置
// 将GPIOA的第0位配置为输入模式GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
参数说明：

GPIO_InitStruct.Pin：要配置的引脚，此处为GPIOA的第0位。
GPIO_InitStruct.Mode：配置模式，此处为输入模式。
GPIO_InitStruct.Pull：上拉/下拉电阻配置，此处为上拉电阻。

输出模式配置
// 将GPIOA的第1位配置为输出模式GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
参数说明：

GPIO_InitStruct.Pin：要配置的引脚，此处为GPIOA的第1位。
GPIO_InitStruct.Mode：配置模式，此处为推挽输出模式。
GPIO_InitStruct.Speed：输出速度，此处为低速。

4.1.2 中断处理
GPIO可以配置为在输入状态发生变化时触发中断。
中断配置
// 配置GPIOA的第0位为外部中断EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct;EXTI_InitStruct.Line = EXTI_LINE_0;EXTI_InitStruct.Mode = EXTI_MODE_INTERRUPT;EXTI_InitStruct.Trigger = EXTI_TRIGGER_RISING;HAL_EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);// 配置NVIC中断控制器NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;NVIC_InitStruct.IRQChannel = EXTI0_IRQn;NVIC_InitStruct.PreemptPriority = 0;NVIC_InitStruct.SubPriority = 0;NVIC_InitStruct.Enable = ENABLE;HAL_NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
参数说明：

EXTI_InitStruct.Line：外部中断线，此处为GPIOA的第0位。
EXTI_InitStruct.Mode：中断模式，此处为中断模式。
EXTI_InitStruct.Trigger：触发方式，此处为上升沿触发。
NVIC_InitStruct.IRQChannel：中断通道，此处为EXTI0中断通道。
NVIC_InitStruct.PreemptPriority：抢占优先级，此处为0。
NVIC_InitStruct.SubPriority：子优先级，此处为0。

中断处理函数
void EXTI0_IRQHandler(void){ // 清除中断标志位 HAL_EXTI_IRQHandler(&EXTI_InitStruct); // 执行中断处理逻辑}
4.2 定时器和计数器应用
4.2.1 定时器模式和配置
STM32单片机上有多个定时器和计数器，它们可以用于生成定时中断、测量脉冲宽度等。
定时器模式
STM32单片机上的定时器和计数器支持多种模式，包括：

**向上计数模式：**从0开始计数，直到达到最大值。
**向下计数模式：**从最大值开始计数，直到达到0。
**中心对齐模式：**从最大值的一半开始计数，达到最大值或0时翻转。

定时器配置
// 配置TIM2为向上计数模式，时钟频率为1000HzTIM_HandleTypeDef htim2;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;TIM_TimeBaseInitStruct.Period = 1000 - 1;TIM_TimeBaseInitStruct.Prescaler = 8400 - 1;TIM_TimeBaseInitStruct.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;TIM_TimeBaseInitStruct.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;HAL_TIM_TimeBaseInit(&htim2, &TIM_TimeBaseInitStruct);
参数说明：

TIM_TimeBaseInitStruct.Period：定时器周期，此处为1000ms。
TIM_TimeBaseInitStruct.Prescaler：预分频器，此处为8400，使定时器时钟频率为1000Hz。
TIM_TimeBaseInitStruct.ClockDivision：时钟分频，此处为不分频。
TIM_TimeBaseInitStruct.CounterMode：计数模式，此处为向上计数模式。

4.2.2 脉宽调制（PWM）生成
PWM（Pulse Width Modulation）是一种通过改变脉冲宽度来控制输出功率的技术。
PWM配置
// 配置TIM3为PWM模式，输出频率为100Hz，占空比为50%TIM_OC_InitTypeDef TIM_OCInitStruct;TIM_OCInitStruct.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;TIM_OCInitStruct.Pulse = 500 - 1;TIM_OCInitStruct.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;TIM_OCInitStruct.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &TIM_OCInitStruct, TIM_CHANNEL_1);
参数说明：

TIM_OCInitStruct.OCMode：输出比较模式，此处为PWM模式1。
TIM_OCInitStruct.Pulse：脉冲宽度，此处为500，占空比为50%。
TIM_OCInitStruct.OCPolarity：输出极性，此处为高电平有效。
TIM_OCInitStruct.OCFastMode：快速模式，此处为禁用。

4.3 串口通信
4.3.1 串口配置和初始化
串口（UART）是一种异步串行通信接口，用于与其他设备进行数据传输。
串口配置
// 配置UART1，波特率为115200bps，数据位为8位，停止位为1位，校验位为无UART_HandleTypeDef huart1;UART_InitTypeDef UART_InitStruct;UART_InitStruct.BaudRate = 115200;UART_InitStruct.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;UART_InitStruct.StopBits = UART_STOPBITS_1;UART_InitStruct.Parity = UART_PARITY_NONE;UART_InitStruct.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;UART_InitStruct.Mode = UART_MODE_TX_RX;HAL_UART_Init(&huart1, &UART_InitStruct);
参数说明：

UART_InitStruct.BaudRate：波特率，此处为115200bps。
UART_InitStruct.WordLength：数据位，此处为8位。
UART_InitStruct.StopBits：停止位，此处为1位。
UART_InitStruct.Parity：校验位，此处为无。
UART_InitStruct.HwFlowCtl：硬件流控制，此处为无。
UART_InitStruct.Mode：工作模式，此处为收发模式。

4.3.2 数据收发处理
数据发送
// 发送数据"Hello World"到UART1uint8_t data[] = "Hello World";HAL_UART_Transmit(&huart1, data, sizeof(data), 1000);
数据接收
// 接收数据到接收缓冲区，最大长度为100字节uint8_t rx_buffer[100];HAL_UART_Receive(&huart1, rx_buffer, 100, 1000);
5.1 实时操作系统（RTOS）
5.1.1 RTOS简介和选择
什么是RTOS
实时操作系统（RTOS）是一种专门设计用于嵌入式系统中的操作系统，它提供了可预测且可靠的实时性能。RTOS通过管理系统资源（如处理器时间、内存和外设）来确保任务以确定性的方式执行。
RTOS的优点
使用RTOS具有以下优点：

**可预测性：**RTOS确保任务以可预测的方式执行，即使在系统负载高的情况下。
**可靠性：**RTOS提供故障处理机制，以确保系统在出现故障时仍能继续运行。
**并发性：**RTOS允许多个任务同时执行，从而提高了系统的效率。
**模块化：**RTOS通常由模块化组件组成，这使得开发和维护应用程序变得更加容易。

RTOS的选择
选择合适的RTOS对于嵌入式系统至关重要。以下是一些需要考虑的因素：

**系统要求：**考虑系统的实时性、并发性、内存和处理能力要求。
**支持的外设：**确保RTOS支持系统中使用的外设。
**开发工具：**选择提供全面开发工具（如IDE、调试器和文档）的RTOS。
**社区支持：**考虑RTOS的社区支持水平，这对于获取帮助和解决问题至关重要。

5.1.2 任务调度和同步
任务调度
RTOS中的任务是执行特定功能的独立线程。RTOS负责调度任务，即决定何时执行每个任务。有几种不同的调度算法，包括：

**先到先服务（FIFO）：**任务按照它们到达就绪队列的顺序执行。
**优先级调度：**任务根据其优先级执行，优先级高的任务优先执行。
**时间片轮转：**每个任务分配一个时间片，任务在时间片内执行，然后将其切换到就绪队列的末尾。

任务同步
在并发系统中，任务可能需要协调它们的活动以避免冲突。RTOS提供同步机制，如：

**互斥锁：**允许任务独占访问临界区（共享资源）。
**信号量：**用于协调任务之间的事件。
**消息队列：**用于在任务之间传递消息。

代码示例
以下代码示例演示了如何在FreeRTOS中创建和调度任务：
#include "FreeRTOS.h"#include "task.h"void task1(void *pvParameters) { while (1) { // 执行任务1的代码 }}void task2(void *pvParameters) { while (1) { // 执行任务2的代码 }}int main(void) { // 创建任务1 xTaskCreate(task1, "Task 1", 1024, NULL, 1, NULL); // 创建任务2 xTaskCreate(task2, "Task 2", 1024, NULL, 1, NULL); // 启动任务调度器 vTaskStartScheduler(); return 0;}
逻辑分析
此代码创建了两个任务，task1和task2。任务1和任务2以无限循环执行，执行它们各自的代码。FreeRTOS调度器负责调度任务，确保它们以可预测的方式执行。
6. STM32单片机开发实战
本章将通过三个实战项目，带领大家深入了解STM32单片机的开发流程和应用场景。
6.1 LED闪烁程序
**目标：**控制LED灯闪烁，掌握基本的GPIO控制和定时器配置。
步骤：

**硬件准备：**连接LED灯至STM32单片机的GPIO引脚。
代码编写：

#include "stm32f10x.h"void main() { // GPIO配置 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN; GPIOC->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE13; GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_0; // 定时器配置 RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN; TIM2->PSC = 7200 - 1; // 分频系数为7200 TIM2->ARR = 1000 - 1; // 自动重装载值为1000 TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 启用定时器 while (1) { // LED控制 if (TIM2->SR & TIM_SR_UIF) { // 定时器中断标志位 TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF; // 清除中断标志位 GPIOC->ODR ^= GPIO_ODR_ODR13; // 翻转LED状态 } }}
6.2 温度传感器读取程序
**目标：**使用温度传感器读取温度值，掌握ADC配置和数据采集。
步骤：

**硬件准备：**连接温度传感器至STM32单片机的ADC引脚。
代码编写：

#include "stm32f10x.h"void main() { // ADC配置 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN; ADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON; // 启用ADC ADC1->SQR3 |= ADC_SQR3_SQ1_4; // 选择通道4（温度传感器） while (1) { // 温度采集 ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART; // 启动转换 while (!(ADC1->SR & ADC_SR_EOC)); // 等待转换完成 uint16_t adc_value = ADC1->DR; // 温度计算 float temperature = (adc_value * 3.3 / 4096) * 100; // 转换ADC值到温度值 }}
6.3 无线通信模块控制程序
**目标：**使用无线通信模块发送和接收数据，掌握串口配置和数据传输。
步骤：

**硬件准备：**连接无线通信模块至STM32单片机的串口引脚。
代码编写：

#include "stm32f10x.h"void main() { // 串口配置 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN; USART1->BRR = 9600; // 波特率为9600 USART1->CR1 |= USART_CR1_UE; // 启用串口 while (1) { // 数据发送 USART1->DR = 'A'; // 发送字符'A' while (!(USART1->SR & USART_SR_TC)); // 等待发送完成 // 数据接收 while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE)); // 等待接收完成 uint8_t received_data = USART1->DR; }}