STM32：从入门到精通，解锁单片机开发奥秘：10步掌握STM32开发，成为单片机开发高手

# 1. STM32简介与基础**

STM32是意法半导体（STMicroelectronics）推出的32位微控制器系列，以其高性能、低功耗和丰富的外设而闻名。STM32广泛应用于工业控制、物联网、医疗电子等领域。

本章将介绍STM32的基本概念，包括其架构、内核、外设和开发工具。我们将从STM32的起源和发展历程开始，逐步深入了解其硬件和软件特性。通过本章的学习，读者将对STM32有一个全面的认识，为后续的开发奠定基础。

# 2. STM32开发环境搭建与程序结构

### 2.1 开发环境搭建

**1. 安装Keil MDK**

Keil MDK（Microcontroller Development Kit）是ARM官方提供的集成开发环境（IDE），专用于ARM Cortex-M系列单片机开发。下载并安装Keil MDK，选择对应STM32系列的版本。

**2. 安装STM32CubeMX**

STM32CubeMX是一款图形化配置工具，可简化STM32外设配置和代码生成过程。下载并安装STM32CubeMX，选择对应STM32系列的版本。

**3. 配置开发板**

将STM32开发板连接到计算机，在STM32CubeMX中选择开发板型号，配置时钟、外设等参数。

### 2.2 程序结构分析

**1. 主函数**

STM32程序的入口点为`main()`函数，其格式如下：

int main(void)
{
  // 程序代码
  return 0;
}

**2. 系统初始化**

系统初始化通常在`main()`函数中进行，包括：

- 时钟配置
- 外设初始化
- 中断使能

**3. 主循环**

主循环是程序的无限循环，通常用于处理事件、数据采集或控制任务。

while (1)
{
  // 主循环代码
}

**4. 中断服务函数**

中断服务函数是响应中断请求而执行的代码段，通常用于处理特定事件。

void SysTick_Handler(void)
{
  // 中断服务函数代码
}

**5. 库函数**

STM32标准库提供了丰富的函数，可用于简化外设操作、数据处理等任务。

**6. 用户代码**

用户代码是开发人员编写的特定于应用程序的代码，用于实现具体功能。

# 3. STM32外设编程

### 3.1 GPIO编程

GPIO（通用输入/输出）是STM32微控制器上最基本的I/O外设，用于控制外部设备和读取外部信号。

#### GPIO寄存器

GPIO外设由一系列寄存器控制，包括：

- **GPIOx_MODER**：模式寄存器，配置引脚的模式（输入、输出、模拟等）。
- **GPIOx_OTYPER**：输出类型寄存器，配置引脚的输出类型（推挽、开漏）。
- **GPIOx_OSPEEDR**：输出速度寄存器，配置引脚的输出速度（低速、中速、高速）。
- **GPIOx_PUPDR**：上拉/下拉寄存器，配置引脚的上拉/下拉电阻。
- **GPIOx_IDR**：输入数据寄存器，读取引脚的输入状态。
- **GPIOx_ODR**：输出数据寄存器，设置引脚的输出状态。

#### GPIO编程步骤

1. **时钟配置：**启用GPIO外设的时钟。
2. **引脚配置：**配置引脚的模式、输出类型、输出速度和上拉/下拉电阻。
3. **读/写操作：**读取引脚的输入状态或设置引脚的输出状态。

#### 代码示例

// 配置GPIOA的第5个引脚为输出模式
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
GPIOA->MODER &= ~(GPIO_MODER_MODE5);
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE5_0;

// 设置GPIOA的第5个引脚为高电平
GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_OD5;

// 读取GPIOA的第5个引脚的输入状态
uint8_t input_state = GPIOA->IDR & GPIO_IDR_ID5;

### 3.2 定时器编程

定时器是STM32微控制器上用于生成精确时间间隔或脉冲的I/O外设。

#### 定时器寄存器

定时器外设由一系列寄存器控制，包括：

- **TIMx_CR1**：控制寄存器，控制定时器的启动、停止、复位等。
- **TIMx_PSC**：预分频寄存器，配置定时器的时钟预分频值。
- **TIMx_ARR**：自动重装载寄存器，配置定时器的重装载值。
- **TIMx_CNT**：计数器寄存器，存储定时器的当前计数值。
- **TIMx_CCR1**：捕获/比较寄存器1，用于生成输出比较脉冲。

#### 定时器编程步骤

1. **时钟配置：**启用定时器外设的时钟。
2. **定时器配置：**配置定时器的预分频值、重装载值、计数模式等。
3. **输出比较配置：**配置输出比较通道，生成输出比较脉冲。
4. **定时器启动：**启动定时器。

#### 代码示例

// 配置TIM2为向上计数模式，时钟预分频为1000
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
TIM2->PSC = 1000;
TIM2->ARR = 1000;
TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

// 配置TIM2的通道1为输出比较模式，比较值设为500
TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2;
TIM2->CCR1 = 500;

### 3.3 串口通信编程

串口通信是STM32微控制器上用于与其他设备进行异步串行通信的I/O外设。

#### 串口寄存器

串口外设由一系列寄存器控制，包括：

- **USARTx_CR1**：控制寄存器，控制串口的启动、停止、复位等。
- **USARTx_BRR**：波特率寄存器，配置串口的波特率。
- **USARTx_SR**：状态寄存器，指示串口的当前状态。
- **USARTx_DR**：数据寄存器，用于发送和接收数据。

#### 串口编程步骤

1. **时钟配置：**启用串口外设的时钟。
2. **串口配置：**配置串口的波特率、数据位、停止位、奇偶校验等。
3. **数据传输：**发送和接收数据。

#### 代码示例

// 配置USART1为8位数据位、1个停止位、无奇偶校验
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;
USART1->CR1 &= ~(USART_CR1_M | USART_CR1_PCE | USART_CR1_TE | USART_CR1_RE);
USART1->CR1 |= USART_CR1_M_1;
USART1->BRR = 9600;

// 发送数据
USART1->DR = 'A';

// 接收数据
uint8_t received_data = USART1->DR;

# 4. STM32高级编程

### 4.1 中断编程

#### 中断概念

中断是一种硬件机制，当特定事件发生时，会暂停当前程序执行，转而执行中断服务程序（ISR）。中断处理完成后，程序将继续从中断发生点继续执行。

#### 中断类型

STM32支持多种中断类型，包括：

- **外部中断：**由外部引脚触发，如按钮按下或外部设备中断。
- **内部中断：**由内部外设触发，如定时器溢出或串口接收数据。
- **NMI中断：**非屏蔽中断，在任何情况下都会被触发。

#### 中断优先级

每个中断都有一个优先级，优先级高的中断会在优先级低的中断之前被处理。STM32支持多达32个优先级等级。

#### 中断编程步骤

1. **配置中断控制器：**设置中断优先级、使能中断。
2. **编写中断服务程序：**定义ISR函数，处理中断事件。
3. **使能中断：**在中断控制器中使能中断。

// 使能外部中断线0
EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR0;

// 配置中断优先级为1
NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 1);

// 中断服务程序
void EXTI0_IRQHandler(void) {
  // 清除中断标志位
  EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0;

  // 执行中断处理逻辑
  // ...
}

### 4.2 DMA编程

#### DMA概念

直接内存访问（DMA）是一种硬件机制，允许外设直接与内存进行数据传输，无需CPU参与。这可以显著提高数据传输效率。

#### DMA通道

STM32支持多个DMA通道，每个通道可以连接一个外设和一个内存区域。

#### DMA传输模式

DMA支持多种传输模式，包括：

- **单次传输：**一次传输指定数量的数据。
- **循环传输：**连续传输数据，直到传输完成或DMA被禁用。
- **乒乓传输：**使用两个缓冲区交替传输数据，提高传输效率。

#### DMA编程步骤

1. **配置DMA控制器：**设置传输模式、源地址、目标地址、传输长度。
2. **启动DMA传输：**启动DMA控制器开始传输。
3. **等待传输完成：**轮询DMA控制器状态寄存器，等待传输完成。

// 配置DMA传输
DMA1_Channel1->CCR |= DMA_CCR_DIR_0; // 从外设到内存
DMA1_Channel1->CPAR = (uint32_t)buffer; // 目标地址
DMA1_Channel1->CMAR = (uint32_t)&USART1->DR; // 源地址
DMA1_Channel1->CNDTR = 100; // 传输长度

// 启动DMA传输
DMA1_Channel1->CCR |= DMA_CCR_EN;

// 等待传输完成
while ((DMA1_Channel1->CCR & DMA_CCR_TC) == 0) {}

### 4.3 实时操作系统（RTOS）应用

#### RTOS概念

实时操作系统（RTOS）是一种软件平台，为嵌入式系统提供任务调度、同步和通信等功能。它可以提高系统的实时性和可靠性。

#### FreeRTOS

FreeRTOS是STM32常用的RTOS之一，它是一个轻量级、开源、免费的RTOS。

#### RTOS编程步骤

1. **创建任务：**定义任务函数和任务参数。
2. **创建队列：**用于任务间通信。
3. **启动任务：**启动RTOS调度器，开始执行任务。

// 创建任务
TaskHandle_t task1Handle;
xTaskCreate(task1, "Task1", 128, NULL, 1, &task1Handle);

// 创建队列
QueueHandle_t queueHandle = xQueueCreate(10, sizeof(int));

// 启动任务
vTaskStartScheduler();

// 任务1函数
void task1(void *pvParameters) {
  while (1) {
    int data;
    xQueueReceive(queueHandle, &data, portMAX_DELAY);
    // 处理数据
    // ...
  }
}

# 5. STM32项目实战

### 5.1 LED闪烁程序

**目标：**编写一个程序，使STM32开发板上连接的LED灯闪烁。

**步骤：**

1. **配置GPIO：**
- 将LED连接到STM32开发板上的GPIO引脚。
- 在代码中配置该GPIO引脚为输出模式。

2. **循环闪烁LED：**
- 在一个无限循环中，执行以下操作：
- 设置GPIO引脚为高电平，使LED亮起。
- 延时一段时间。
- 设置GPIO引脚为低电平，使LED熄灭。
- 延时一段时间。

**代码示例：**

#include "stm32f10x.h"

int main() {
  // 配置GPIO
  RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;
  GPIOC->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE13;
  GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_0;

  while (1) {
    // LED亮起
    GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;
    // 延时
    for (int i = 0; i < 1000000; i++);

    // LED熄灭
    GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;
    // 延时
    for (int i = 0; i < 1000000; i++);
  }
}

### 5.2 定时器延时程序

**目标：**编写一个程序，使用STM32的定时器实现延时功能。

**步骤：**

1. **配置定时器：**
- 选择一个定时器并配置其时钟源和分频系数。
- 设置定时器的重装载值和计数方向。

2. **启动定时器：**
- 使能定时器并开始计数。

3. **等待定时器溢出：**
- 在一个循环中，检查定时器的溢出标志位。
- 当溢出标志位被置位时，延时结束。

**代码示例：**

#include "stm32f10x.h"

int main() {
  // 配置定时器
  RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
  TIM2->CR1 &= ~TIM_CR1_DIR;
  TIM2->PSC = 7200 - 1;
  TIM2->ARR = 1000 - 1;

  // 启动定时器
  TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

  // 等待定时器溢出
  while ((TIM2->SR & TIM_SR_UIF) == 0);

  // 清除溢出标志位
  TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;
}

### 5.3 串口通信程序

**目标：**编写一个程序，使用STM32的串口进行通信。

**步骤：**

1. **配置串口：**
- 选择一个串口并配置其波特率、数据位、停止位和校验位。

2. **发送数据：**
- 使用串口发送函数发送数据到串口缓冲区。

3. **接收数据：**
- 使用串口接收函数从串口缓冲区接收数据。

**代码示例：**

#include "stm32f10x.h"

int main() {
  // 配置串口
  RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;
  USART1->BRR = 0x341;
  USART1->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_RE;

  // 发送数据
  USART1->DR = 'H';
  while ((USART1->SR & USART_SR_TXE) == 0);

  // 接收数据
  while ((USART1->SR & USART_SR_RXNE) == 0);
  char data = USART1->DR;
}