【STM32单片机入门速成指南】：从零基础到实战应用

# 1. STM32单片机简介**

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的一系列基于ARM Cortex-M内核的高性能微控制器。它以其强大的性能、丰富的功能和广泛的应用而著称。

STM32单片机家族包括多种系列，如STM32F1、STM32F4、STM32F7和STM32L4等，每个系列都针对不同的应用场景进行了优化。这些系列提供各种封装类型和引脚数量，以满足不同的设计需求。

STM32单片机内部集成了丰富的外设，包括GPIO、定时器、ADC、DAC、UART、SPI、I2C等，这些外设可以轻松地与外部设备进行交互，从而实现各种功能。

# 2. STM32单片机硬件架构

### 2.1 STM32单片机家族

STM32单片机家族是一个由意法半导体（STMicroelectronics）公司开发的32位微控制器系列。该系列单片机基于ARM Cortex-M内核，具有高性能、低功耗和丰富的外设资源等特点。

STM32单片机家族分为多个系列，每个系列都有其独特的特性和应用领域。主要系列包括：

- STM32F系列：通用型单片机，具有高性能、低功耗和丰富的外设资源。
- STM32L系列：低功耗单片机，专为电池供电设备和低功耗应用而设计。
- STM32G系列：图形单片机，集成了图形处理单元（GPU），适用于人机界面（HMI）和显示应用。
- STM32H系列：高性能单片机，适用于工业自动化、电机控制和医疗设备等要求苛刻的应用。

### 2.2 STM32单片机内部结构

STM32单片机的内部结构主要包括以下几个部分：

- **内核：**STM32单片机采用ARM Cortex-M系列内核，具有32位处理能力和高效的指令集。
- **存储器：**包括闪存（Flash）、静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。闪存用于存储程序代码和数据，SRAM用于存储临时数据，DRAM用于存储大容量数据。
- **外设：**STM32单片机集成了丰富的片上外设，包括GPIO、定时器、ADC、DAC、UART、SPI和I2C等。这些外设可以满足各种应用需求。
- **时钟系统：**STM32单片机具有多级时钟系统，包括高速时钟（HSI）、低速时钟（LSI）、外部时钟（HSE）和PLL（锁相环）。时钟系统可以提供稳定可靠的时钟源。
- **电源管理：**STM32单片机具有完善的电源管理系统，包括电压调节器、复位电路和低功耗模式。电源管理系统可以确保单片机稳定运行和低功耗操作。

### 2.3 STM32单片机外设接口

STM32单片机提供了丰富的片上外设接口，包括：

- **GPIO接口：**通用输入/输出接口，可以连接外部设备，如LED、按钮和传感器。
- **定时器接口：**用于生成定时信号、脉宽调制（PWM）和捕获外部事件。
- **ADC接口：**模数转换器接口，可以将模拟信号转换为数字信号。
- **DAC接口：**数模转换器接口，可以将数字信号转换为模拟信号。
- **UART接口：**通用异步收发器接口，用于串口通信。
- **SPI接口：**串行外围接口，用于高速数据传输。
- **I2C接口：**两线式串行接口，用于低速数据传输。

这些外设接口通过引脚复用技术，可以灵活配置，满足不同的应用需求。

#### 外设接口配置示例

以下是一个配置GPIO接口输出的代码示例：

/* 定义GPIO端口和引脚 */
#define GPIO_PORT GPIOA
#define GPIO_PIN GPIO_PIN_5

/* 配置GPIO引脚为输出模式 */
void gpio_output_init(void)
{
    /* 使能GPIO时钟 */
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;

    /* 设置GPIO引脚为输出模式 */
    GPIO_PORT->MODER &= ~(3 << (GPIO_PIN * 2));
    GPIO_PORT->MODER |= (1 << (GPIO_PIN * 2));
}

**代码逻辑分析：**

1. 定义GPIO端口和引脚。
2. 使能GPIO时钟。
3. 设置GPIO引脚为输出模式，通过修改MODER寄存器的对应位。

**参数说明：**

- `GPIO_PORT`：GPIO端口，如GPIOA、GPIOB等。
- `GPIO_PIN`：GPIO引脚，如GPIO_PIN_5。

# 3. STM32单片机开发环境搭建**

### 3.1 开发工具链安装

开发工具链是STM32单片机开发必备的软件环境，它包含编译器、汇编器、链接器等工具。目前主流的开发工具链有：

- **STM32CubeIDE：**官方提供的集成开发环境，包含了所有必要的工具和功能。
- **Keil MDK：**业界知名的开发工具链，支持多种单片机和处理器。
- **IAR Embedded Workbench：**另一款流行的开发工具链，提供强大的调试和分析功能。

**安装步骤：**

1. 前往对应开发工具链的官方网站下载安装程序。
2. 运行安装程序并按照提示进行安装。
3. 安装完成后，配置环境变量，将开发工具链的路径添加到系统路径中。

### 3.2 编译器和调试器配置

编译器负责将源代码编译成机器指令，调试器用于调试程序。

**编译器配置：**

1. 打开开发工具链，新建一个工程。
2. 在工程设置中，选择对应的编译器和编译器选项。
3. 设置编译器优化选项，如优化级别、代码生成模式等。

**调试器配置：**

1. 在工程设置中，选择对应的调试器。
2. 设置调试器连接方式，如串口、JTAG等。
3. 设置调试器断点和单步执行选项。

### 3.3 开发环境配置

除了开发工具链和编译器/调试器，还需要配置其他开发环境，如：

**库文件：**

STM32单片机开发需要使用官方提供的库文件，这些库文件包含了外设驱动、协议栈等功能。

**头文件：**

头文件包含了外设寄存器定义、数据类型定义等信息，需要将其包含在源代码中。

**示例代码：**

官方提供了一些示例代码，可以帮助快速上手STM32单片机开发。

**配置步骤：**

1. 下载官方提供的库文件和头文件。
2. 将库文件和头文件添加到工程中。
3. 导入示例代码并进行修改。

**代码示例：**

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
  // 初始化GPIO
  RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;
  GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_1 | GPIO_CRH_CNF13_1;

  // 设置GPIO13为输出模式
  GPIOC->ODR |= GPIO_ODR_ODR13;

  while (1)
  {
    // 点亮LED
    GPIOC->ODR |= GPIO_ODR_ODR13;

    // 延时
    for (int i = 0; i < 1000000; i++)
    {
      __asm__("nop");
    }

    // 熄灭LED
    GPIOC->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR13;

    // 延时
    for (int i = 0; i < 1000000; i++)
    {
      __asm__("nop");
    }
  }
}

**代码逻辑分析：**

1. 初始化GPIOC的第13个引脚为输出模式。
2. 设置GPIOC的第13个引脚输出高电平，点亮LED。
3. 延时1秒。
4. 设置GPIOC的第13个引脚输出低电平，熄灭LED。
5. 延时1秒。
6. 重复步骤2-5，形成LED闪烁效果。

# 4. STM32单片机基础编程

### 4.1 C语言基础

STM32单片机编程主要使用C语言，因此掌握C语言基础是入门STM32单片机编程的必备知识。C语言是一种结构化编程语言，具有语法简单、可移植性强、表达能力丰富的特点。

**数据类型**

C语言中提供了多种数据类型，包括整型、浮点型、字符型和布尔型等。每种数据类型都有其特定的取值范围和存储空间。

**变量**

变量是存储数据的容器，在使用变量之前需要先进行声明。变量声明包括变量类型、变量名和可选的初始值。

**运算符**

C语言提供了丰富的运算符，包括算术运算符、逻辑运算符、关系运算符和位运算符等。这些运算符可以对数据进行各种操作。

**控制语句**

控制语句用于控制程序的执行流程，包括if-else语句、switch-case语句、循环语句和跳转语句等。

### 4.2 STM32单片机寄存器操作

STM32单片机内部包含大量的寄存器，用于控制和配置单片机的各种功能。寄存器操作是STM32单片机编程的基础。

**寄存器结构**

STM32单片机的寄存器通常分为32位寄存器和16位寄存器。32位寄存器由4个8位寄存器组成，16位寄存器由2个8位寄存器组成。

**寄存器寻址**

STM32单片机的寄存器可以通过多种方式寻址，包括直接寻址、间接寻址和位寻址等。

**寄存器操作指令**

C语言提供了专门的寄存器操作指令，包括读寄存器指令、写寄存器指令和位操作指令等。这些指令可以方便地对寄存器进行读写操作。

**代码示例**

// 读GPIOA的输入数据寄存器
uint32_t gpioa_input_data = GPIOA->IDR;

// 写GPIOB的输出数据寄存器
GPIOB->ODR = 0x0F; // 输出低4位为1

// 设置GPIOC的第5位为1
GPIOC->BSRR = 1 << 5;

### 4.3 STM32单片机中断处理

中断是一种处理外部事件的机制，当发生中断事件时，程序会暂停当前执行，转而执行中断服务程序。

**中断类型**

STM32单片机支持多种中断类型，包括外部中断、内部中断和软件中断等。

**中断向量表**

中断向量表是一个包含中断服务程序地址的表，当发生中断事件时，程序会根据中断向量表找到对应的中断服务程序。

**中断服务程序**

中断服务程序是处理中断事件的代码，它负责读取中断标志、清除中断标志和执行必要的操作。

**代码示例**

// 外部中断0中断服务程序
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    // 读取中断标志
    if (EXTI->PR & EXTI_PR_PR0)
    {
        // 清除中断标志
        EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0;

        // 执行中断处理操作
        // ...
    }
}

# 5. STM32单片机外设应用

### 5.1 GPIO接口应用

GPIO（通用输入/输出）接口是STM32单片机中最基本的输入/输出接口，它可以用于控制外部器件的开关、读取外部信号等。

#### GPIO接口配置

GPIO接口的配置主要包括以下几个步骤：

1. **使能GPIO时钟：**需要在RCC寄存器中使能对应GPIO端口的时钟，例如：RCC_APB2ENR_IOPCEN。
2. **设置GPIO模式：**使用GPIOx_MODER寄存器设置GPIO引脚的模式，可以设置为输入模式、输出模式、推挽输出模式、开漏输出模式等。
3. **设置GPIO输出类型：**使用GPIOx_OTYPER寄存器设置GPIO引脚的输出类型，可以设置为推挽输出或开漏输出。
4. **设置GPIO拉/下拉电阻：**使用GPIOx_PUPDR寄存器设置GPIO引脚的拉/下拉电阻，可以设置为上拉电阻、下拉电阻或无电阻。

#### GPIO接口操作

GPIO接口的操作主要包括以下几个步骤：

1. **读取GPIO输入值：**使用GPIOx_IDR寄存器读取GPIO引脚的输入值。
2. **设置GPIO输出值：**使用GPIOx_ODR寄存器设置GPIO引脚的输出值。
3. **设置GPIO中断：**使用GPIOx_IER寄存器和GPIOx_IMR寄存器设置GPIO中断，可以设置中断触发方式、中断优先级等。

### 5.2 定时器应用

定时器是STM32单片机中用于产生定时脉冲、延时、PWM波形等功能的模块。

#### 定时器配置

STM32单片机有多个定时器模块，每个定时器模块的配置主要包括以下几个步骤：

1. **使能定时器时钟：**需要在RCC寄存器中使能对应定时器的时钟，例如：RCC_APB1ENR_TIM2EN。
2. **设置定时器时钟源：**使用TIMx_CR1寄存器设置定时器的时钟源，可以设置为内部时钟、外部时钟或时钟滤波器。
3. **设置定时器分频比：**使用TIMx_PSC寄存器设置定时器的分频比，可以分频内部时钟或外部时钟。
4. **设置定时器自动重载值：**使用TIMx_ARR寄存器设置定时器的自动重载值，即定时器计数到该值时自动重载。
5. **设置定时器比较值：**使用TIMx_CCR寄存器设置定时器的比较值，当定时器计数达到该值时会产生中断或输出比较信号。

#### 定时器操作

定时器的操作主要包括以下几个步骤：

1. **启动定时器：**使用TIMx_CR1寄存器启动定时器。
2. **停止定时器：**使用TIMx_CR1寄存器停止定时器。
3. **读取定时器计数值：**使用TIMx_CNT寄存器读取定时器的计数值。
4. **设置定时器中断：**使用TIMx_DIER寄存器和TIMx_IMR寄存器设置定时器中断，可以设置中断触发方式、中断优先级等。

### 5.3 ADC应用

ADC（模数转换器）是STM32单片机中用于将模拟信号转换为数字信号的模块。

#### ADC配置

ADC的配置主要包括以下几个步骤：

1. **使能ADC时钟：**需要在RCC寄存器中使能ADC时钟，例如：RCC_APB2ENR_ADC1EN。
2. **设置ADC采样时间：**使用ADCx_SMPR寄存器设置ADC的采样时间，采样时间越长，转换精度越高。
3. **设置ADC通道：**使用ADCx_CHSELR寄存器设置ADC的通道，可以设置多个通道同时采样。
4. **设置ADC分辨率：**使用ADCx_CR1寄存器设置ADC的分辨率，可以设置为12位、10位或8位。

#### ADC操作

ADC的操作主要包括以下几个步骤：

1. **启动ADC转换：**使用ADCx_CR2寄存器启动ADC转换。
2. **读取ADC转换结果：**使用ADCx_DR寄存器读取ADC的转换结果。
3. **设置ADC中断：**使用ADCx_IER寄存器和ADCx_IMR寄存器设置ADC中断，可以设置中断触发方式、中断优先级等。

# 6. STM32单片机实战项目

### 6.1 LED闪烁程序

**目标：**通过LED闪烁程序，熟悉STM32单片机的基本操作和外设控制。

**硬件准备：**

- STM32单片机开发板
- LED灯
- 电阻

**步骤：**

1. **初始化GPIO：**
- 使用 `RCC_AHB1PeriphClockCmd()` 函数使能GPIO外设时钟。
- 使用 `GPIO_Init()` 函数配置GPIO引脚为输出模式。

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init_struct);

2. **设置LED引脚：**
- 使用 `GPIO_SetBits()` 函数设置LED引脚为高电平，点亮LED。
- 使用 `GPIO_ResetBits()` 函数设置LED引脚为低电平，熄灭LED。

GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); // 点亮LED
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); // 熄灭LED

3. **延时：**
- 使用 `HAL_Delay()` 函数实现延时，控制LED闪烁频率。

HAL_Delay(1000); // 延时1秒

4. **循环闪烁：**
- 在 `while(1)` 循环中重复执行步骤2和步骤3，实现LED闪烁。

while (1) {
  GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); // 点亮LED
  HAL_Delay(1000); // 延时1秒
  GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); // 熄灭LED
  HAL_Delay(1000); // 延时1秒
}

### 6.2 按键检测程序

**目标：**通过按键检测程序，熟悉STM32单片机的中断处理和输入输出操作。

**硬件准备：**

- STM32单片机开发板
- 按键
- 电阻

**步骤：**

1. **初始化GPIO：**
- 使用 `RCC_AHB1PeriphClockCmd()` 函数使能GPIO外设时钟。
- 使用 `GPIO_Init()` 函数配置按键引脚为输入模式，并使能上拉电阻。

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init_struct);

2. **配置中断：**
- 使用 `NVIC_Init()` 函数配置NVIC中断向量表。
- 使用 `EXTI_Init()` 函数配置外部中断线。
- 使用 `EXTI_GenerateSWInterrupt()` 函数触发外部中断。

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
EXTI_GenerateSWInterrupt(EXTI_Line0);

3. **中断服务函数：**
- 在中断服务函数中处理按键按下事件，例如点亮LED。

void EXTI0_IRQHandler(void) {
  if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); // 点亮LED
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0); // 清除中断标志位
  }
}

### 6.3 串口通信程序

**目标：**通过串口通信程序，熟悉STM32单片机的串口通信和数据传输。

**硬件准备：**

- STM32单片机开发板
- 串口模块（如USB转串口模块）

**步骤：**

1. **初始化串口：**
- 使用 `RCC_APB2PeriphClockCmd()` 函数使能串口外设时钟。
- 使用 `USART_Init()` 函数配置串口参数，如波特率、数据位、停止位等。

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
USART_Init(USART1, &usart_init_struct);

2. **发送数据：**
- 使用 `USART_SendData()` 函数发送数据。

USART_SendData(USART1, 'A'); // 发送字符'A'

3. **接收数据：**
- 使用 `USART_ReceiveData()` 函数接收数据。

uint8_t data = USART_ReceiveData(USART1); // 接收数据

4. **中断处理：**
- 可以配置串口中断，在数据接收或发送完成时触发中断。

USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE); // 使能接收中断