揭秘STM32单片机C语言开发秘籍：从零到精通的完整指南

# 1. STM32单片机基础**

STM32单片机是意法半导体公司推出的基于ARM Cortex-M内核的高性能微控制器。它具有低功耗、高性能、丰富的外设资源等特点，广泛应用于工业控制、物联网、消费电子等领域。

STM32单片机采用哈佛架构，具有独立的指令存储器和数据存储器。指令存储器存储程序代码，数据存储器存储数据和变量。这种架构提高了指令执行效率，降低了功耗。

STM32单片机的外设资源丰富，包括GPIO、定时器、中断、ADC、DAC、SPI、I2C等。这些外设可以实现各种功能，满足不同的应用需求。

# 2. C语言在STM32单片机中的应用

### 2.1 STM32单片机的C语言开发环境

STM32单片机使用C语言进行编程，需要搭建一个C语言开发环境。常用的开发环境有：

- **Keil MDK-ARM**：一个集成开发环境（IDE），包含编译器、调试器、仿真器等功能。
- **IAR Embedded Workbench**：另一个流行的IDE，提供类似的功能。
- **GCC**：一个免费的开源编译器，可与其他工具链一起使用。

**开发环境搭建步骤：**

1. 安装IDE软件。
2. 安装STM32单片机支持包（STM32CubeMX）。
3. 创建一个新的项目，选择目标单片机和开发环境。
4. 配置时钟、外设和中断。
5. 编写C语言代码。
6. 编译、调试和下载程序。

### 2.2 C语言基础语法和数据类型

C语言是一种结构化编程语言，其语法和数据类型与其他编程语言类似。

**语法：**

- **关键字：**保留字，具有特殊含义，如int、float、while。
- **标识符：**变量、函数和类型的名称，由字母、数字和下划线组成。
- **语句：**代码的基本执行单元，以分号结尾。
- **注释：**用于解释代码，以//（单行注释）或/* */（多行注释）表示。

**数据类型：**

- **基本数据类型：**int、float、char等。
- **复合数据类型：**数组、结构体、联合等。
- **指针：**指向其他变量或内存地址。

### 2.3 STM32单片机的外设编程

STM32单片机具有丰富的片上外设，如GPIO、定时器、中断等。C语言提供了库函数和寄存器操作来访问这些外设。

**GPIO编程：**

GPIO（通用输入/输出）引脚可用于控制LED、按钮和传感器等设备。

// 初始化GPIO引脚为输出模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

// 设置GPIO引脚为高电平
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);

**定时器编程：**

定时器可用于产生脉冲、延时和测量时间。

// 初始化定时器
TIM_HandleTypeDef htim;
htim.Instance = TIM2;
htim.Init.Prescaler = 8400 - 1;
htim.Init.Period = 1000 - 1;
HAL_TIM_Base_Init(&htim);

// 启动定时器
HAL_TIM_Base_Start(&htim);

**中断编程：**

中断是一种事件驱动的机制，当发生特定事件时，程序会暂停当前执行并跳转到中断服务程序。

// 定义中断服务程序
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
  // 清除中断标志
  HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0);

  // 执行中断处理代码
  ...
}

// 使能中断
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);

# 3. STM32单片机外设实战

### 3.1 GPIO编程

GPIO（General Purpose Input/Output）是STM32单片机中常用的外设，用于控制单片机的输入输出引脚。GPIO编程主要包括引脚配置、输入输出操作和中断处理。

**引脚配置**

/* 配置GPIOA的第5个引脚为输出模式 */
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

**逻辑分析：**

* `GPIO_InitStruct`结构体用于配置GPIO引脚。
* `Pin`成员指定要配置的引脚，这里是GPIOA的第5个引脚。
* `Mode`成员指定引脚的模式，这里是输出模式（推挽输出）。
* `Pull`成员指定引脚的上下拉电阻，这里是无上下拉电阻。
* `HAL_GPIO_Init()`函数根据结构体中的配置初始化GPIO引脚。

**输入输出操作**

/* 设置GPIOA的第5个引脚为高电平 */
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);

/* 读取GPIOA的第5个引脚的电平 */
uint8_t pin_level = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_5);

**逻辑分析：**

* `HAL_GPIO_WritePin()`函数设置GPIO引脚的电平，这里是将GPIOA的第5个引脚设置为高电平。
* `HAL_GPIO_ReadPin()`函数读取GPIO引脚的电平，并返回一个uint8_t类型的变量，表示引脚的电平（0表示低电平，1表示高电平）。

**中断处理**

GPIO引脚可以配置为中断源，当引脚电平发生变化时触发中断。

/* 配置GPIOA的第5个引脚为中断源 */
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI9_5_IRQn, 0, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI9_5_IRQn);

/* 中断服务函数 */
void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
    /* 处理GPIOA第5个引脚的中断 */
    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_5);
}

**逻辑分析：**

* `HAL_NVIC_SetPriority()`函数设置中断优先级。
* `HAL_NVIC_EnableIRQ()`函数使能中断。
* `EXTI9_5_IRQHandler()`函数是GPIOA第5个引脚的中断服务函数，当引脚电平发生变化时触发。
* `HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler()`函数处理GPIO引脚的中断。

### 3.2 定时器编程

定时器是STM32单片机中另一个常用的外设，用于产生定时脉冲、测量时间和生成PWM波形。

**定时器配置**

/* 配置TIM2为向上计数模式，时钟源为内部时钟，预分频系数为1000，重装载值为1000 */
TIM_HandleTypeDef htim2;
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 1000;
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 1000;
HAL_TIM_Base_Init(&htim2);

**逻辑分析：**

* `TIM_HandleTypeDef`结构体用于配置定时器。
* `Instance`成员指定要配置的定时器，这里是TIM2。
* `Init`结构体用于配置定时器的参数。
* `Prescaler`成员指定预分频系数，这里是1000，表示时钟源的频率除以1000。
* `CounterMode`成员指定定时器的计数模式，这里是向上计数模式。
* `Period`成员指定定时器的重装载值，这里是1000，表示定时器计数到1000时重新从0开始计数。
* `HAL_TIM_Base_Init()`函数根据结构体中的配置初始化定时器。

**定时器操作**

/* 启动TIM2定时器 */
HAL_TIM_Base_Start(&htim2);

/* 停止TIM2定时器 */
HAL_TIM_Base_Stop(&htim2);

**逻辑分析：**

* `HAL_TIM_Base_Start()`函数启动定时器。
* `HAL_TIM_Base_Stop()`函数停止定时器。

### 3.3 中断编程

中断是STM32单片机中一种重要的机制，用于响应外部事件或内部事件。

**中断配置**

/* 配置外部中断线0为上升沿触发 */
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 0, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);

/* 中断服务函数 */
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    /* 处理外部中断线0的中断 */
    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0);
}

**逻辑分析：**

* `HAL_NVIC_SetPriority()`函数设置中断优先级。
* `HAL_NVIC_EnableIRQ()`函数使能中断。
* `EXTI0_IRQHandler()`函数是外部中断线0的中断服务函数，当外部中断线0发生上升沿触发时触发。
* `HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler()`函数处理外部中断线0的中断。

**中断处理**

中断处理函数中，需要编写代码来处理中断事件。例如，对于外部中断线0的中断，可以编写如下代码：

/* 中断服务函数 */
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    /* 处理外部中断线0的中断 */
    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0);

    /* 执行中断处理代码 */
    /* ... */
}

**逻辑分析：**

* `HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler()`函数处理外部中断线0的中断。
* 在处理完中断后，可以编写自定义代码来执行中断处理逻辑。

# 4. STM32单片机高级应用

### 4.1 SPI通信编程

#### 4.1.1 SPI简介

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信协议，常用于连接微控制器和外围设备。它采用主从模式，主设备控制通信过程，从设备响应主设备的命令。

#### 4.1.2 STM32单片机SPI硬件结构

STM32单片机内置SPI外设，通常标记为SPIx（x=1,2,3），每个SPI外设都有以下寄存器：

* **SPIx_CR1：**控制寄存器，配置SPI模式、时钟分频和数据帧格式。
* **SPIx_CR2：**配置寄存器，控制NSS引脚、中断和DMA传输。
* **SPIx_SR：**状态寄存器，指示SPI状态、数据传输完成和错误。
* **SPIx_DR：**数据寄存器，用于发送和接收数据。

#### 4.1.3 SPI通信过程

SPI通信过程如下：

1. 主设备初始化SPI外设，配置通信参数。
2. 主设备通过NSS引脚拉低选中从设备。
3. 主设备发送数据到SPIx_DR寄存器。
4. 从设备接收数据，并将数据写入SPIx_DR寄存器。
5. 主设备释放NSS引脚，通信结束。

#### 4.1.4 SPI通信代码示例

// SPI初始化
void SPI_Init(SPI_TypeDef *SPIx) {
  // 设置时钟分频，APB2时钟为72MHz
  SPIx->CR1 |= SPI_CR1_BR_0 | SPI_CR1_BR_1;

  // 设置数据帧格式，8位数据帧
  SPIx->CR1 |= SPI_CR1_DFF;

  // 设置主设备模式
  SPIx->CR1 |= SPI_CR1_MSTR;

  // 启用SPI外设
  SPIx->CR1 |= SPI_CR1_SPE;
}

// SPI数据发送
void SPI_SendData(SPI_TypeDef *SPIx, uint8_t data) {
  // 等待发送缓冲区为空
  while (!(SPIx->SR & SPI_SR_TXE));

  // 将数据写入发送缓冲区
  SPIx->DR = data;
}

// SPI数据接收
uint8_t SPI_ReceiveData(SPI_TypeDef *SPIx) {
  // 等待接收缓冲区非空
  while (!(SPIx->SR & SPI_SR_RXNE));

  // 读取接收缓冲区数据
  return SPIx->DR;
}

#### 4.1.5 SPI通信优化

* **使用DMA传输：**DMA（Direct Memory Access）可以减轻CPU负担，提高数据传输效率。
* **配置更高的时钟分频：**在保证数据传输稳定性的前提下，可以配置更高的时钟分频以提高通信速度。
* **使用硬件NSS引脚：**硬件NSS引脚可以自动控制从设备的片选，简化通信过程。

### 4.2 I2C通信编程

#### 4.2.1 I2C简介

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种半双工串行通信协议，常用于连接微控制器和低速外围设备。它采用主从模式，主设备控制通信过程，从设备响应主设备的命令。

#### 4.2.2 STM32单片机I2C硬件结构

STM32单片机内置I2C外设，通常标记为I2Cx（x=1,2,3），每个I2C外设都有以下寄存器：

* **I2Cx_CR1：**控制寄存器，配置I2C模式、时钟分频和数据帧格式。
* **I2Cx_CR2：**配置寄存器，控制ACK应答、DMA传输和中断。
* **I2Cx_SR1：**状态寄存器，指示I2C状态、数据传输完成和错误。
* **I2Cx_SR2：**状态寄存器，指示从设备地址和ACK应答状态。
* **I2Cx_DR：**数据寄存器，用于发送和接收数据。

#### 4.2.3 I2C通信过程

I2C通信过程如下：

1. 主设备初始化I2C外设，配置通信参数。
2. 主设备发送从设备地址，从设备响应并发送ACK应答。
3. 主设备发送数据或接收数据，从设备响应并发送ACK应答。
4. 通信结束，主设备释放I2C总线。

#### 4.2.4 I2C通信代码示例

// I2C初始化
void I2C_Init(I2C_TypeDef *I2Cx) {
  // 设置时钟分频，APB1时钟为36MHz
  I2Cx->CR2 |= I2C_CR2_FREQ_0 | I2C_CR2_FREQ_1 | I2C_CR2_FREQ_2;

  // 设置数据帧格式，7位数据帧
  I2Cx->CR2 |= I2C_CR2_ADD10;

  // 启用I2C外设
  I2Cx->CR1 |= I2C_CR1_PE;
}

// I2C数据发送
void I2C_SendData(I2C_TypeDef *I2Cx, uint8_t data) {
  // 等待发送缓冲区为空
  while (!(I2Cx->SR1 & I2C_SR1_TXE));

  // 将数据写入发送缓冲区
  I2Cx->DR = data;
}

// I2C数据接收
uint8_t I2C_ReceiveData(I2C_TypeDef *I2Cx) {
  // 等待接收缓冲区非空
  while (!(I2Cx->SR1 & I2C_SR1_RXNE));

  // 读取接收缓冲区数据
  return I2Cx->DR;
}

#### 4.2.5 I2C通信优化

* **使用DMA传输：**DMA（Direct Memory Access）可以减轻CPU负担，提高数据传输效率。
* **配置更高的时钟分频：**在保证数据传输稳定性的前提下，可以配置更高的时钟分频以提高通信速度。
* **使用硬件ACK应答：**硬件ACK应答可以自动发送ACK应答，简化通信过程。

### 4.3 ADC和DAC编程

#### 4.3.1 ADC简介

ADC（Analog-to-Digital Converter）是一种将模拟信号转换为数字信号的器件。STM32单片机内置12位ADC，可以将模拟电压转换为12位数字值。

#### 4.3.2 DAC简介

DAC（Digital-to-Analog Converter）是一种将数字信号转换为模拟信号的器件。STM32单片机内置12位DAC，可以将12位数字值转换为模拟电压。

#### 4.3.3 ADC和DAC编程

ADC和DAC的编程涉及以下步骤：

* **配置ADC和DAC外设：**设置时钟分频、采样率、转换模式和参考电压。
* **启动ADC转换：**触发ADC转换并等待转换完成。
* **读取ADC转换结果：**从ADC数据寄存器读取转换结果。
* **配置DAC输出：**设置DAC输出电压值。
* **启动DAC转换：**触发DAC转换并等待转换完成。

#### 4.3.4 ADC和DAC代码示例

// ADC初始化
void ADC_Init(ADC_TypeDef *ADCx) {
  // 设置时钟分频，APB2时钟为72MHz
  ADCx->CCR |= ADC_CCR_ADCPRE_0 | ADC_CCR_ADCPRE_1;

  // 设置采样率，12.5MHz
  ADCx->SMPR2 |= ADC_SMPR2_SMP_0 | ADC_SMPR2_SMP_1 | ADC_SMPR2_SMP_2;

  // 设置转换模式，连续转换
  ADCx->CR2 |= ADC_CR2_CONT;

  // 启用ADC外设
  ADCx->CR2 |= ADC_CR2_ADON;
}

// ADC转换
uint16_t ADC_Convert(ADC_TypeDef *ADCx, uint8_t channel) {
  // 设置转换通道
  ADCx->SQR3 |= channel << 0;

  // 启动ADC转换
  ADCx->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;

  // 等待转换完成
  while (!(ADCx->SR & ADC_SR_EOC));

  // 读取转换结果
  return ADCx->DR;
}

// DAC初始化
void DAC_Init(DAC_TypeDef *DACx) {
  // 设置时钟分频，APB1时钟为36MHz
  DAC

# 5. STM32单片机项目实战**

**5.1 LED控制项目**

**5.1.1 项目简介**

LED控制项目是一个入门级的STM32单片机项目，旨在通过控制LED灯的亮灭来学习STM32单片机的基本操作。

**5.1.2 硬件准备**

* STM32F103C8T6单片机开发板
* LED灯
* 电阻

**5.1.3 软件开发**

1. **创建工程**：使用Keil MDK或IAR等开发环境创建STM32单片机工程。
2. **配置GPIO**：将LED灯连接到单片机的GPIO引脚，并配置GPIO引脚为输出模式。
3. **编写控制代码**：编写代码控制LED灯的亮灭，例如使用HAL库中的HAL_GPIO_WritePin()函数。

**5.1.4 代码示例**

#include "stm32f1xx_hal.h"

int main()
{
HAL_Init();

// 配置GPIO引脚为输出模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

while (1)
{
// LED灯亮
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
HAL_Delay(500);

// LED灯灭
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
HAL_Delay(500);
}
}

**5.1.5 项目扩展**

* **多LED控制**：使用多个GPIO引脚控制多个LED灯。
* **定时控制**：使用定时器定时控制LED灯的亮灭。
* **按键控制**：使用按键控制LED灯的亮灭。