【STM32单片机入门秘籍】：从小白到大师，快速掌握STM32

# 1. STM32单片机简介

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的基于ARM Cortex-M内核的高性能微控制器系列。它以其卓越的性能、丰富的外设和广泛的应用而闻名。

STM32单片机广泛应用于工业控制、医疗设备、汽车电子、物联网等领域。其强大的处理能力、丰富的通信接口和低功耗特性使其成为嵌入式系统开发的理想选择。

# 2. STM32单片机硬件基础

### 2.1 STM32单片机架构

#### 2.1.1 Cortex-M内核

STM32单片机采用ARM Cortex-M系列内核，具有低功耗、高性能的特点。Cortex-M内核采用哈佛架构，具有独立的指令和数据总线，提高了指令执行效率。

Cortex-M内核包含多个寄存器组，包括通用寄存器、控制寄存器和状态寄存器。通用寄存器用于存储数据和地址，控制寄存器用于控制内核的行为，状态寄存器用于指示内核的状态。

#### 2.1.2 外设总线和中断系统

STM32单片机的外设总线包括APB总线、AHB总线和AXI总线。APB总线用于连接低速外设，AHB总线用于连接高速外设，AXI总线用于连接高性能外设。

STM32单片机的中断系统支持多级中断，每个中断源都可以配置自己的优先级。中断系统可以根据优先级对中断进行排序，并自动执行中断处理程序。

### 2.2 STM32单片机外设

#### 2.2.1 GPIO接口

GPIO接口（通用输入/输出接口）是STM32单片机最基本的输入/输出接口。GPIO接口可以配置为输入、输出或模拟功能。

GPIO接口具有可编程的引脚功能，可以配置为推挽输出、开漏输出、上拉输入或下拉输入。GPIO接口还支持中断功能，可以检测引脚状态的变化。

#### 2.2.2 定时器

STM32单片机有多个定时器外设，可以用于生成脉冲、测量时间和产生PWM信号。定时器可以配置为不同的模式，包括定时器模式、计数器模式和PWM模式。

定时器具有可编程的时钟源和分频器，可以产生不同的时钟频率。定时器还支持中断功能，可以检测定时器事件的发生。

#### 2.2.3 ADC和DAC

ADC（模数转换器）可以将模拟信号转换为数字信号，DAC（数模转换器）可以将数字信号转换为模拟信号。ADC和DAC外设可以用于测量和产生模拟信号。

ADC外设具有可编程的分辨率和采样率，可以实现不同的精度和速度。DAC外设具有可编程的输出电压范围和精度，可以产生不同的模拟信号。

**表格：STM32单片机外设汇总**

| 外设 | 功能 | 特性 |
|---|---|---|
| GPIO | 通用输入/输出 | 可编程引脚功能，支持中断 |
| 定时器 | 脉冲生成、时间测量、PWM | 可编程时钟源和分频器，支持中断 |
| ADC | 模数转换 | 可编程分辨率和采样率 |
| DAC | 数模转换 | 可编程输出电压范围和精度 |

**代码块：GPIO接口配置为输出模式**

/* 使能GPIOB时钟 */
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN;

/* 配置PB0为输出模式 */
GPIOB->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE0);
GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE0_0;

**逻辑分析：**

* RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN：使能GPIOB时钟。
* GPIOB->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE0)：清除PB0引脚的模式位。
* GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE0_0：将PB0引脚配置为输出模式。

**mermaid流程图：GPIO接口配置流程**

sequenceDiagram
participant GPIOB
participant RCC

RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN
GPIOB->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE0)
GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE0_0

# 3.1 STM32单片机编程环境

#### 3.1.1 Keil MDK

Keil MDK（Microcontroller Development Kit）是ARM公司推出的集成开发环境（IDE），专门用于ARM Cortex-M系列单片机的开发。它包含了编译器、调试器、仿真器等一系列工具，为开发者提供了全面的开发平台。

Keil MDK具有以下特点：

- **支持多种ARM Cortex-M内核：**支持Cortex-M0、M0+、M3、M4、M7等多种内核，覆盖了STM32单片机的全系列产品。
- **丰富的调试功能：**提供单步调试、断点调试、变量监视等多种调试功能，帮助开发者快速定位和解决程序中的问题。
- **强大的仿真器：**内置仿真器，可以模拟STM32单片机的运行，方便开发者在不使用实际硬件的情况下进行程序调试和验证。
- **代码生成效率高：**采用ARM Compiler 6编译器，代码生成效率高，可以生成高效、紧凑的代码。
- **丰富的第三方库支持：**支持多种第三方库，如CMSIS、HAL库等，方便开发者快速开发应用程序。

#### 3.1.2 IAR Embedded Workbench

IAR Embedded Workbench是IAR Systems公司推出的集成开发环境（IDE），也专门用于ARM Cortex-M系列单片机的开发。它同样包含了编译器、调试器、仿真器等一系列工具，与Keil MDK相比，它具有以下特点：

- **代码优化能力强：**IAR Embedded Workbench的编译器具有强大的代码优化能力，可以生成高效、紧凑的代码，在性能方面具有优势。
- **调试功能强大：**提供单步调试、断点调试、变量监视等多种调试功能，还支持代码覆盖率分析，帮助开发者全面了解程序的执行情况。
- **支持多种第三方库：**支持多种第三方库，如CMSIS、HAL库等，方便开发者快速开发应用程序。
- **图形化界面友好：**IAR Embedded Workbench的图形化界面友好，操作直观，上手容易。

总体来说，Keil MDK和IAR Embedded Workbench都是功能强大的STM32单片机编程环境，开发者可以根据自己的喜好和需求进行选择。

# 4. STM32 单片机实战项目

### 4.1 STM32 单片机 LED 闪烁

#### 4.1.1 原理分析

LED 闪烁是最基本的 STM32 单片机实战项目，其原理非常简单。通过控制 GPIO 引脚的电平，可以控制 LED 的亮灭。具体来说，当 GPIO 引脚电平为高电平时，LED 点亮；当 GPIO 引脚电平为低电平时，LED 熄灭。

#### 4.1.2 代码实现

#include "stm32f10x.h"

int main() {
    // 初始化 GPIOC 时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;

    // 配置 GPIOC13 为输出模式
    GPIOC->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE13;
    GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_0;

    while (1) {
        // 点亮 LED
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;
        // 延时 500ms
        for (int i = 0; i < 500000; i++) {
            __NOP();
        }

        // 熄灭 LED
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;
        // 延时 500ms
        for (int i = 0; i < 500000; i++) {
            __NOP();
        }
    }
}

**代码逻辑分析：**

1. 初始化 GPIOC 时钟，使能 GPIOC 外设。
2. 配置 GPIOC13 为输出模式，用于控制 LED。
3. 进入无限循环，不断点亮和熄灭 LED。
4. `GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13`：设置 GPIOC13 为高电平，点亮 LED。
5. `GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13`：设置 GPIOC13 为低电平，熄灭 LED。
6. `for` 循环用于延时，控制 LED 的闪烁频率。

### 4.2 STM32 单片机按键检测

#### 4.2.1 原理分析

按键检测也是一个常见的 STM32 单片机实战项目。通过检测 GPIO 引脚的电平，可以判断按键是否被按下。具体来说，当按键按下时，GPIO 引脚电平为低电平；当按键松开时，GPIO 引脚电平为高电平。

#### 4.2.2 代码实现

#include "stm32f10x.h"

int main() {
    // 初始化 GPIOA 时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;

    // 配置 GPIOA0 为输入模式
    GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_MODE0;
    GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_MODE0_0;

    while (1) {
        // 检测按键是否按下
        if ((GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR0) == 0) {
            // 按键按下，执行相应操作
            // ...
        }
    }
}

**代码逻辑分析：**

1. 初始化 GPIOA 时钟，使能 GPIOA 外设。
2. 配置 GPIOA0 为输入模式，用于检测按键。
3. 进入无限循环，不断检测按键是否按下。
4. `(GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR0) == 0`：判断 GPIOA0 引脚电平是否为低电平，如果为低电平，则表示按键按下。
5. 如果按键按下，执行相应的操作（如打印信息、控制 LED 等）。

### 4.3 STM32 单片机 UART 通信

#### 4.3.1 原理分析

UART 通信是 STM32 单片机中常用的通信方式。通过 UART 接口，可以与其他设备进行数据收发。UART 通信需要使用两个 GPIO 引脚，一个用于发送数据（TX），另一个用于接收数据（RX）。

#### 4.3.2 代码实现

#include "stm32f10x.h"

int main() {
    // 初始化 GPIOA 时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;

    // 配置 GPIOA9 为 TX 引脚
    GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE9;
    GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE9_1;

    // 配置 GPIOA10 为 RX 引脚
    GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE10;
    GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE10_1;

    // 初始化 USART1
    USART1->BRR = 0x0683;  // 波特率 9600
    USART1->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_RE;  // 使能发送和接收

    while (1) {
        // 发送数据
        USART1->DR = 'A';

        // 等待发送完成
        while ((USART1->SR & USART_SR_TXE) == 0) {
            __NOP();
        }

        // 接收数据
        while ((USART1->SR & USART_SR_RXNE) == 0) {
            __NOP();
        }
        uint8_t data = USART1->DR;

        // 处理接收到的数据
        // ...
    }
}

**代码逻辑分析：**

1. 初始化 GPIOA 时钟，使能 GPIOA 外设。
2. 配置 GPIOA9 为 TX 引脚，GPIOA10 为 RX 引脚。
3. 初始化 USART1，设置波特率和使能发送和接收。
4. 进入无限循环，不断发送和接收数据。
5. `USART1->DR = 'A'`：发送字符 'A'。
6. `while ((USART1->SR & USART_SR_TXE) == 0)`：等待发送完成。
7. `while ((USART1->SR & USART_SR_RXNE) == 0)`：等待接收完成。
8. `uint8_t data = USART1->DR`：读取接收到的数据。
9. 处理接收到的数据（如打印信息、控制 LED 等）。

# 5.1 STM32单片机RTOS编程

### 5.1.1 RTOS概述

**RTOS（实时操作系统）**是一种专为嵌入式系统设计的操作系统，它提供了任务调度、同步和通信等基本功能，使开发者能够创建复杂的实时应用程序。

RTOS的核心组件包括：

- **任务：**执行特定功能的独立代码块。
- **调度程序：**负责管理任务的执行顺序，确保实时响应。
- **同步机制：**用于协调任务之间的访问共享资源，防止冲突。
- **通信机制：**用于任务之间交换数据和消息。

### 5.1.2 FreeRTOS移植

FreeRTOS是广泛使用的开源RTOS，可移植到各种嵌入式平台，包括STM32单片机。

移植FreeRTOS到STM32单片机需要以下步骤：

1. **创建FreeRTOS配置：**根据STM32单片机的具体型号和外设配置FreeRTOS。
2. **移植内核：**将FreeRTOS内核移植到STM32单片机的架构和外设。
3. **移植驱动程序：**为STM32单片机的外设编写FreeRTOS兼容的驱动程序。
4. **创建任务：**创建任务并配置其优先级、堆栈大小和其他属性。
5. **创建同步机制：**使用FreeRTOS提供的同步机制，如互斥锁和信号量，协调任务之间的访问共享资源。

**代码示例：**

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

// 任务1
void task1(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 执行任务1的代码
        vTaskDelay(100);
    }
}

// 任务2
void task2(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 执行任务2的代码
        vTaskDelay(200);
    }
}

int main(void) {
    // 创建任务1
    xTaskCreate(task1, "Task1", 128, NULL, 1, NULL);

    // 创建任务2
    xTaskCreate(task2, "Task2", 128, NULL, 2, NULL);

    // 启动调度程序
    vTaskStartScheduler();

    return 0;
}