STM32单片机进阶编程：DMA、CAN总线、USB通信的深入解析

# 1. STM32单片机基础**

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）生产的一系列32位微控制器，以其高性能、低功耗和广泛的外设而闻名。本节将介绍STM32单片机的基本架构、外设和编程环境，为后续章节的深入解析奠定基础。

STM32单片机采用ARM Cortex-M内核，具有强大的处理能力和低功耗特性。其外设丰富，包括定时器、ADC、DAC、UART、SPI、I2C、CAN总线等，可以满足各种应用需求。

STM32单片机通常使用C语言进行编程，并提供了一系列开发工具，如STM32CubeMX、IAR Embedded Workbench和Keil MDK，简化了开发过程。

# 2. DMA（直接内存访问）**

**2.1 DMA的工作原理和配置**

DMA（直接内存访问）是一种外设与内存之间进行数据传输的机制，它可以绕过CPU，直接在外部设备和内存之间传输数据，从而提高数据传输效率。

**DMA的工作原理：**

1. **DMA请求：**外设向DMA控制器发送DMA请求信号，表明需要进行数据传输。
2. **DMA配置：**DMA控制器根据配置的源地址、目的地址、传输长度等参数，设置DMA传输通道。
3. **数据传输：**DMA控制器控制数据总线，直接在源地址和目的地址之间传输数据，无需CPU干预。
4. **DMA中断：**数据传输完成后，DMA控制器会产生中断信号，通知CPU传输完成。

**DMA的配置：**

DMA控制器需要配置以下参数：

- **源地址：**数据源的起始地址。
- **目的地址：**数据目的地的起始地址。
- **传输长度：**需要传输的数据字节数。
- **传输模式：**单次传输、循环传输或乒乓传输。
- **数据宽度：**8位、16位或32位。
- **优先级：**DMA请求的优先级。

**代码块：**

// DMA配置
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;

// 配置源地址
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)sourceBuffer;

// 配置目的地址
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&USARTx->DR;

// 配置传输长度
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = BUFFERSIZE;

// 配置传输模式
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;

// 配置数据宽度
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;

// 配置优先级
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;

// 初始化DMA
DMA_Init(DMAx_Channelx, &DMA_InitStructure);

**逻辑分析：**

该代码块配置了DMA传输通道。它将源地址设置为sourceBuffer，目的地址设置为USARTx->DR（USART数据寄存器），传输长度为BUFFERSIZE，传输模式为单次传输，数据宽度为8位，优先级为高。

**2.2 DMA的应用场景和优势**

DMA广泛应用于需要高速数据传输的场景，例如：

- **传感器数据采集：**DMA可以快速将传感器数据从外设传输到内存，避免CPU因数据传输而阻塞。
- **图像处理：**DMA可以高效地将图像数据从内存传输到显示器或其他外设。
- **网络通信：**DMA可以加快网络数据包的传输速度，提高网络吞吐量。

**DMA的优势：**

- **提高数据传输效率：**DMA绕过CPU，直接在外部设备和内存之间传输数据，大大提高了数据传输效率。
- **减轻CPU负担：**DMA无需CPU干预，可以释放CPU资源，使其专注于其他任务。
- **降低功耗：**DMA传输数据时不需要CPU参与，可以降低功耗。

# 3.1 CAN总线的协议和特点

CAN（控制器局域网络）总线是一种广泛应用于工业自动化、汽车电子和医疗设备等领域的串行通信协议。它以其高可靠性、高实时性和抗干扰能力而著称。

**协议特点**

CAN总线采用多主总线结构，每个节点都可以发送和接收消息。消息通过称为“帧”的特定格式进行传输，帧中包含以下字段：

- 起始位：标识帧的开始。
- 仲裁场：决定哪个节点可以发送消息。
- 控制场：指定消息的类型和长度。
- 数据场：包含消息数据。
- CRC校验场：用于检测传输错误。
- 结束位：标识帧的结束。

**仲裁机制**

CAN总线采用非破坏性仲裁机制，当多个节点同时尝试发送消息时，具有最高优先级的节点将获得发送权。仲裁场中包含一个11位的标识符，标识符值越小，优先级越高。

**容错机制**

CAN总线具有强大的容错机制，包括：

- 奇偶校验：用于检测数据传输中的错误。
- CRC校验：用于检测帧中数据的完整性。
- 错误计数器：用于跟踪节点发送或接收错误消息的次数。
- 错误帧：当检测到错误时，节点将发送错误帧，通知其他节点停止传输。

### 3.2 CAN总线在STM32单片机上的实现

STM32单片机集成了CAN控制器外设，支持CAN总线通信。CAN控制器外设提供了以下功能：

- 多个CAN控制器：每个STM32单片机通常包含多个CAN控制器，允许同时连接多个CAN网络。
- 可配置的比特率：可以配置CAN控制器以支持不同的比特率，从10kbps到1Mbps。
- 灵活的消息缓冲区：CAN控制器具有多个消息缓冲区，允许存储和管理多个消息。
- 中断支持：CAN控制器支持中断，当有消息到达或发生错误时触发中断。

### 3.3 CAN总线的应用实例

CAN总线在工业自动化、汽车电子和医疗设备等领域有广泛的应用。一些常见的应用实例包括：

- 工业自动化：CAN总线用于连接传感器、执行器和控制器，实现设备之间的通信和控制。
- 汽车电子：CAN总线用于连接汽车中的各种电子模块，如发动机控制模块、变速箱控制模块和车身控制模块。
- 医疗设备：CAN总线用于连接医疗设备，如监护仪、输液泵和呼吸机。

# 4.1 USB通信的原理和协议

### USB通信概述

USB（通用串行总线）是一种广泛应用于计算机、外围设备和嵌入式系统之间的串行通信协议。它提供了一种标准化的接口，允许设备通过单根电缆进行数据传输和电源供电。

### USB通信协议

USB通信协议是一个分层结构，包括以下层：

- **物理层：**定义电气连接、信号传输和数据速率。
- **数据链路层：**负责数据帧的封装、传输和错误检测。
- **传输层：**提供可靠的数据传输，包括流量控制和错误恢复机制。
- **应用层：**定义特定设备的通信协议，例如HID（人机界面设备）和CDC（通信设备类）。

### USB通信模式

USB通信支持两种模式：

- **主机模式：**控制USB总线并与外围设备通信。
- **设备模式：**连接到主机并响应主机的请求。

STM32单片机通常配置为设备模式，与主机（例如PC或微控制器）通信。

### USB通信速度

USB通信支持多种数据速率，包括：

- **低速（LS）：**1.5 Mbps
- **全速（FS）：**12 Mbps
- **高速（HS）：**480 Mbps
- **超高速（SS）：**5 Gbps

STM32单片机通常支持全速或高速USB通信。

# 5.1 中断处理和优先级设置

中断是一种硬件机制，当发生特定事件时，它会暂停当前正在执行的程序，并跳转到一个称为中断服务程序（ISR）的特殊函数。中断处理在实时系统中至关重要，因为它允许系统快速响应外部事件，例如传感器输入或通信请求。

### 中断处理流程

STM32单片机支持多达 80 个中断源，每个中断源都有一个唯一的向量表地址。当发生中断时，处理器会自动跳转到与该中断源对应的向量表地址，然后执行中断服务程序。中断服务程序负责处理中断事件，并采取适当的措施，例如读取传感器数据或发送数据包。

### 中断优先级

STM32单片机支持中断优先级，这意味着不同的中断可以具有不同的优先级。当多个中断同时发生时，优先级较高的中断将被优先处理。中断优先级可以通过NVIC（嵌套向量中断控制器）寄存器进行配置。

### 中断配置

要配置中断，需要执行以下步骤：

1. **使能中断源：**通过设置 NVIC 中的相应位来使能中断源。
2. **设置中断优先级：**通过设置 NVIC 中的相应寄存器来设置中断优先级。
3. **编写中断服务程序：**编写一个 ISR 函数来处理中断事件。ISR 函数必须位于 .isr_vector 节中。

### 代码示例

以下代码示例展示了如何配置中断和编写 ISR 函数：

// 使能中断源
NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);

// 设置中断优先级
NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 2);

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

  // 处理中断事件
  // ...
}

### 优化中断处理

为了优化中断处理，可以采用以下策略：

* **使用中断分组：**将具有相似优先级的中断分组到一起，以减少中断处理时间。
* **使用中断嵌套：**允许高优先级中断打断低优先级中断，以确保及时响应关键事件。
* **优化 ISR 函数：**保持 ISR 函数简短高效，只执行必要的任务。
* **使用 DMA：**对于需要大量数据传输的中断，可以使用 DMA 来提高效率。

# 6. STM32单片机应用实例**

**6.1 基于DMA的传感器数据采集**

DMA（直接内存访问）是一种允许外设直接访问内存的机制，无需CPU干预。这大大提高了数据传输效率，特别是在处理大量数据时。

在STM32单片机中，DMA可以通过DMA控制器（DMAx）配置和控制。DMAx包含多个通道，每个通道可以连接到不同的外设。

**配置DMA数据采集**

1. 初始化DMA控制器和通道。
2. 配置DMA传输参数，包括源地址、目标地址、数据长度和传输方向。
3. 配置外设以触发DMA传输。
4. 启动DMA传输。

**代码示例：**

#include "stm32f1xx_hal.h"

DMA_HandleTypeDef hdma_adc;

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc) {
  // DMA传输完成后的回调函数
  // 从ADC外设读取数据并存储到内存中
}

void DMA_Config() {
  // 初始化DMA控制器和通道
  HAL_DMA_Init(&hdma_adc);

  // 配置DMA传输参数
  hdma_adc.Instance = DMAx_Channelx;
  hdma_adc.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
  hdma_adc.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
  hdma_adc.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
  hdma_adc.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;
  hdma_adc.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;
  hdma_adc.Init.Mode = DMA_NORMAL;
  hdma_adc.Init.Priority = DMA_PRIORITY_MEDIUM;

  // 配置外设以触发DMA传输
  HAL_ADC_Start_DMA(&hadc_adc, (uint32_t *)buffer, buffer_size);

  // 启动DMA传输
  HAL_DMA_Start(&hdma_adc);
}

**6.2 CAN总线网络中的节点通信**

CAN总线是一种用于工业自动化和汽车领域的串行通信总线。它以其高可靠性、低延迟和抗干扰性而著称。

在STM32单片机中，CAN总线可以通过CAN控制器（CANx）实现。CAN控制器负责处理CAN总线通信协议和数据传输。

**配置CAN总线节点**

1. 初始化CAN控制器。
2. 配置CAN总线波特率和通信参数。
3. 配置CAN总线过滤器以接收特定消息。
4. 注册CAN总线中断处理函数。

**代码示例：**

#include "stm32f1xx_hal.h"

CAN_HandleTypeDef hcan;

void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan) {
  // CAN总线接收中断回调函数
  // 处理接收到的CAN总线消息
}

void CAN_Config() {
  // 初始化CAN控制器
  HAL_CAN_Init(&hcan);

  // 配置CAN总线波特率和通信参数
  hcan.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL;
  hcan.Init.Prescaler = 1;
  hcan.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;
  hcan.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_1TQ;
  hcan.Init.TimeSeg2 = CAN_BS2_1TQ;
  hcan.Init.TimeTriggeredMode = DISABLE;

  // 配置CAN总线过滤器
  CAN_FilterTypeDef filter;
  filter.FilterIdHigh = 0x0000;
  filter.FilterIdLow = 0x0000;
  filter.FilterMaskIdHigh = 0x0000;
  filter.FilterMaskIdLow = 0x0000;
  filter.FilterFIFOAssignment = CAN_RX_FIFO0;
  filter.FilterActivation = ENABLE;
  filter.FilterBank = 0;
  filter.SlaveStartFilterBank = 0;

  HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan, &filter);

  // 注册CAN总线中断处理函数
  HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);

  // 启动CAN总线
  HAL_CAN_Start(&hcan);
}

**6.3 USB通信的上位机控制**

USB（通用串行总线）是一种广泛用于计算机和外围设备之间通信的总线。它提供高速数据传输和电源供应。

在STM32单片机中，USB通信可以通过USB控制器（USBx）实现。USB控制器负责处理USB通信协议和数据传输。

**配置USB上位机控制**

1. 初始化USB控制器。
2. 配置USB通信参数。
3. 注册USB事件处理函数。
4. 创建USB端点以接收和发送数据。

**代码示例：**

#include "stm32f1xx_hal.h"

USB_HandleTypeDef husb;

void HAL_USB_RxCpltCallback(USB_HandleTypeDef *husb) {
  // USB接收中断回调函数
  // 处理接收到的USB数据
}

void HAL_USB_TxCpltCallback(USB_HandleTypeDef *husb) {
  // USB发送中断回调函数
  // 处理发送的USB数据
}

void USB_Config() {
  // 初始化USB控制器
  HAL_USB_Init(&husb);

  // 配置USB通信参数
  husb.Init.DeviceClass = USB_DEVICE_CLASS_CDC;
  husb.Init.DeviceSubclass = USB_DEVICE_SUBCLASS_CDC_ACM;
  husb.Init.DeviceProtocol = USB_DEVICE_PROTOCOL_CDC_COM;
  husb.Init.MaxPacketSize = 64;
  husb.Init.Speed = USB_SPEED_FULL;

  // 注册USB事件处理函数
  HAL_USB_RegisterCallback(&husb, HAL_USB_EVENT_RX_CPLT_CB, HAL_USB_RxCpltCallback);
  HAL_USB_RegisterCallback(&husb, HAL_USB_EVENT_TX_CPLT_CB, HAL_USB_TxCpltCallback);

  // 创建USB端点
  USB_EndpointTypeDef ep_rx;
  USB_EndpointTypeDef ep_tx;
  ep_rx.Endpoint = 1;
  ep_rx.Type = USB_EP_TYPE_BULK;
  ep_rx.MaxPacketSize = 64;
  ep_rx.Interval = 0;
  ep_tx.Endpoint = 1;
  ep_tx.Type = USB_EP_TYPE_BULK;
  ep_tx.MaxPacketSize = 64;
  ep_tx.Interval = 0;

  HAL_USB_Endpoint_Init(&husb, &ep_rx);
  HAL_USB_Endpoint_Init(&husb, &ep_tx);

  // 启动USB通信
  HAL_USB_Start(&husb);
}