【STM32单片机入门秘籍】：零基础到精通的实战指南

# 1. STM32单片机简介**

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）公司生产的基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器。它以其高性能、低功耗和丰富的外设而闻名，广泛应用于嵌入式系统、工业控制、物联网等领域。

STM32单片机具有多核架构，包括Cortex-M0、M3、M4和M7内核，提供不同的性能和功耗选择。其外设丰富，包括GPIO、定时器、串口、ADC、DAC等，可以满足各种应用需求。

STM32单片机采用先进的工艺技术制造，具有低功耗、高可靠性和高抗干扰能力。其完善的开发生态系统，包括开发工具、调试器和仿真器，为开发人员提供了便捷的开发环境。

# 2. STM32单片机基础编程

### 2.1 C语言基础

#### 2.1.1 数据类型和变量

C语言中提供了丰富的变量类型，包括整数类型（如int、short、long）、浮点类型（如float、double）和字符类型（如char）。每个变量类型都有其特定的取值范围和存储空间大小。

例如：

int num = 10; // 32位有符号整数，取值范围为[-2147483648, 2147483647]
float pi = 3.14; // 32位浮点数，取值范围为[-3.402823466e+38, 3.402823466e+38]
char letter = 'A'; // 8位字符，取值范围为[0, 255]

变量通过关键字`var`声明，并指定其类型和名称。

#### 2.1.2 运算符和表达式

C语言提供了丰富的运算符，包括算术运算符（如+、-、*、/）、关系运算符（如==、!=、<、>）、逻辑运算符（如&&、||、!）和位运算符（如&、|、^）。

表达式是运算符和操作数的组合，用于计算结果。例如：

int sum = 10 + 20; // 算术表达式，计算10和20的和
int is_equal = (num == 10); // 关系表达式，比较num是否等于10
int is_true = (num > 0 && letter == 'A'); // 逻辑表达式，判断num是否大于0且letter是否等于'A'

### 2.2 STM32单片机架构

#### 2.2.1 内核和外设

STM32单片机采用ARM Cortex-M系列内核，具有高性能和低功耗的特点。外设包括GPIO、定时器、串口、ADC、DAC等，提供丰富的功能扩展。

#### 2.2.2 时钟和复位

STM32单片机有多个时钟源，包括内部时钟（如HSI、LSI）和外部时钟（如HSE、LSE）。复位电路用于在单片机启动或异常时将系统复位到初始状态。

### 2.3 STM32单片机编程环境

#### 2.3.1 开发工具和编译器

STM32单片机的开发工具包括IDE（如Keil uVision、IAR Embedded Workbench）和编译器（如ARM Compiler、GCC）。

#### 2.3.2 调试和仿真

调试和仿真工具用于在开发过程中查找和修复错误。常用的调试工具包括JTAG、SWD和串口调试。仿真工具则可以模拟单片机的运行过程，方便调试和优化代码。

**流程图：STM32单片机编程环境**

graph LR
    subgraph 开发工具
        Keil uVision --> ARM Compiler
        IAR Embedded Workbench --> GCC
    end
    subgraph 调试和仿真
        JTAG --> 单片机
        SWD --> 单片机
        串口调试 --> 单片机
        仿真工具 --> 单片机
    end

**表格：STM32单片机编程环境对比**

| 特性 | Keil uVision | IAR Embedded Workbench |
|---|---|---|
| IDE | 收费 | 收费 |
| 编译器 | ARM Compiler | GCC |
| 调试 | 支持JTAG、SWD、串口 | 支持JTAG、SWD、串口 |
| 仿真 | 支持 | 支持 |

# 3.1 GPIO编程

#### 3.1.1 GPIO配置和控制

**GPIO简介**

GPIO（通用输入输出端口）是STM32单片机中重要的外设，它允许与外部设备进行交互。GPIO引脚可以配置为输入、输出或模拟输入/输出。

**GPIO配置**

// 定义GPIO引脚
GPIO_TypeDef *GPIOx;
uint16_t GPIO_Pin;

// 使能GPIO时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOx, ENABLE);

// 设置GPIO引脚模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOx, &GPIO_InitStructure);

**参数说明：**

* `GPIOx`：GPIO端口，如GPIOA、GPIOB等。
* `GPIO_Pin`：GPIO引脚，如GPIO_Pin_0、GPIO_Pin_1等。
* `RCC_APB2Periph_GPIOx`：GPIO时钟使能宏，如RCC_APB2Periph_GPIOA、RCC_APB2Periph_GPIOB等。
* `GPIO_Mode_Out_PP`：输出推挽模式。
* `GPIO_Speed_50MHz`：引脚速度，50MHz。

**GPIO控制**

// 设置GPIO引脚输出高电平
GPIO_SetBits(GPIOx, GPIO_Pin);

// 设置GPIO引脚输出低电平
GPIO_ResetBits(GPIOx, GPIO_Pin);

// 读取GPIO引脚电平
uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

**参数说明：**

* `GPIO_SetBits`：设置GPIO引脚高电平。
* `GPIO_ResetBits`：设置GPIO引脚低电平。
* `GPIO_ReadInputDataBit`：读取GPIO引脚电平。

#### 3.1.2 中断和事件

**GPIO中断**

GPIO中断允许在GPIO引脚状态发生变化时触发中断服务函数。

// 配置GPIO中断
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTIx_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

// 使能GPIO中断
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Linex;
EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

**参数说明：**

* `EXTIx_IRQn`：GPIO中断向量号，如EXTI0_IRQn、EXTI1_IRQn等。
* `EXTI_Linex`：GPIO引脚中断线，如EXTI_Line0、EXTI_Line1等。
* `EXTI_Mode_Interrupt`：中断模式。
* `EXTI_Trigger_Rising`：上升沿触发。

**GPIO事件**

GPIO事件允许在GPIO引脚状态发生变化时触发事件。

// 配置GPIO事件
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Linex;
EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Event;
EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

**参数说明：**

* `EXTI_Mode_Event`：事件模式。

# 4. STM32单片机高级应用**

**4.1 中断系统**

**4.1.1 中断向量表和优先级**

STM32单片机的中断向量表是一个包含所有中断服务函数地址的数组。当发生中断时，处理器会根据中断号从中断向量表中读取中断服务函数的地址，然后跳转到该地址执行中断服务函数。

中断优先级用于确定当多个中断同时发生时，哪个中断会被优先处理。STM32单片机支持多达32个中断优先级，其中0级优先级最高，31级优先级最低。

**4.1.2 中断服务函数**

中断服务函数（ISR）是响应中断而执行的代码段。每个中断都有一个对应的ISR，ISR负责处理中断事件，例如更新变量、清除中断标志位或执行其他必要的操作。

**4.2 DMA编程**

**4.2.1 DMA配置和使用**

DMA（直接内存访问）是一种允许外设直接与内存进行数据传输的机制，无需CPU干预。这可以大大提高数据传输效率，特别是在需要传输大量数据时。

要使用DMA，需要配置DMA通道，包括源地址、目标地址、传输长度和传输模式。然后，启动DMA传输，DMA控制器将自动处理数据传输。

**4.2.2 数据传输和中断**

DMA传输完成后，DMA控制器会触发一个中断。在中断服务函数中，可以检查DMA传输状态，并执行必要的后续操作，例如更新指针或释放资源。

**4.3 实时操作系统**

**4.3.1 RTOS简介和选择**

实时操作系统（RTOS）是一种专门设计用于嵌入式系统的操作系统。RTOS提供了任务调度、同步和通信等功能，使开发人员能够创建复杂的多任务应用程序。

有多种不同的RTOS可供选择，每个RTOS都有其自己的优点和缺点。在选择RTOS时，需要考虑应用程序的特定需求，例如任务数量、实时性要求和资源约束。

**4.3.2 任务调度和同步**

任务调度是RTOS的核心功能之一。RTOS负责调度任务，确保每个任务都能获得执行时间。RTOS还提供同步机制，例如信号量和互斥量，以防止任务冲突和数据竞争。

**代码块：**

// 中断服务函数
void SysTick_Handler(void)
{
    // 更新系统时钟
    SystemCoreClockUpdate();

    // 清除中断标志位
    SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Msk;
}

**逻辑分析：**

此代码块定义了SysTick中断服务函数，当SysTick中断发生时，此函数将被调用。函数首先更新系统时钟，然后清除中断标志位，以表示中断已处理。

**表格：STM32单片机中断优先级**

| 优先级 | 中断源 |
|---|---|
| 0 | NMI |
| 1 | 硬故障 |
| 2 | 内存管理 |
| 3 | 总线故障 |
| 4 | 使用故障 |
| 5 | SVCall |
| 6 | PendSV |
| 7 | SysTick |
| ... | ... |

**Mermaid格式流程图：**

sequenceDiagram
participant User
participant STM32

User->STM32: Send interrupt request
STM32->STM32: Check interrupt priority
STM32->STM32: Execute interrupt service function
STM32->User: Interrupt handling completed

# 5.1 LED闪烁

### 5.1.1 硬件连接和代码编写

**硬件连接：**

* 将 LED 的阳极连接到 STM32 单片机的 GPIO 引脚（例如，PA0）。
* 将 LED 的阴极连接到地线（GND）。

**代码编写：**

#include "stm32f10x.h"

int main() {
    // 初始化 GPIOA 时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置 GPIOA0 为输出模式
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    while (1) {
        // 打开 LED
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);

        // 延时 500ms
        for (int i = 0; i < 500000; i++) {}

        // 关闭 LED
        GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);

        // 延时 500ms
        for (int i = 0; i < 500000; i++) {}
    }
}

### 5.1.2 调试和验证

* 将代码下载到 STM32 单片机。
* 观察 LED 是否按照预期闪烁（每秒闪烁一次）。
* 如果 LED 不闪烁，请检查硬件连接和代码配置。