stm32单片机架构揭秘：深入剖析内部结构，掌握核心原理

# 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

graph LR
subgraph STM32单片机开发环境
    A[IDE选择和安装] --> B[项目创建和配置]
end

**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1000Hz
TIM_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UART1
uint8_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：**

1. **硬件准备：**连接LED灯至STM32单片机的GPIO引脚。
2. **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：**

1. **硬件准备：**连接温度传感器至STM32单片机的ADC引脚。
2. **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：**

1. **硬件准备：**连接无线通信模块至STM32单片机的串口引脚。
2. **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;
  }
}