【STM32单片机入门指南】：10步快速掌握STM32架构与原理

# 1. STM32单片机概述

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）生产的一系列32位微控制器。它们基于ARM Cortex-M内核，具有高性能、低功耗和丰富的片上外设。STM32单片机广泛应用于工业控制、物联网、消费电子等领域。

STM32单片机的主要特点包括：

* **高性能：**基于ARM Cortex-M内核，主频高达216MHz，提供强大的计算能力。
* **低功耗：**采用先进的低功耗技术，支持多种低功耗模式，延长电池寿命。
* **丰富的片上外设：**集成各种外设，包括GPIO、定时器、UART、ADC、DAC等，满足不同的应用需求。

# 2. STM32单片机架构

STM32单片机架构是其内部结构和功能模块的集合，它决定了单片机的性能和功能。本章节将深入探讨STM32单片机的架构，包括其核心处理器、外设和内存系统。

### 2.1 ARM Cortex-M内核

STM32单片机采用ARM Cortex-M系列内核作为其核心处理器。Cortex-M内核是专为嵌入式系统设计的低功耗、高性能处理器，具有以下特点：

#### 2.1.1 Cortex-M内核架构

Cortex-M内核采用哈佛架构，具有独立的指令和数据存储器。其架构包括以下主要组件：

- **程序计数器（PC）：**存储当前正在执行的指令的地址。
- **寄存器文件：**包含通用寄存器和特殊寄存器，用于存储数据和控制信息。
- **指令流水线：**提高指令执行效率，通过预取和解码指令来减少延迟。
- **异常处理单元（EHU）：**处理中断和异常情况，确保系统稳定性。

#### 2.1.2 Cortex-M内核指令集

Cortex-M内核支持一系列指令，包括：

- **算术和逻辑指令：**用于执行基本算术和逻辑运算。
- **数据传输指令：**用于在寄存器、存储器和外设之间移动数据。
- **控制流指令：**用于改变程序执行流，包括跳转、分支和调用。
- **异常和中断指令：**用于处理中断和异常情况。

### 2.2 STM32外设

STM32单片机集成了丰富的片上外设，为各种应用提供了强大的功能。这些外设包括：

#### 2.2.1 GPIO（通用输入/输出）

GPIO外设提供数字输入和输出功能，允许单片机与外部设备进行交互。其主要特性包括：

- **可配置的引脚模式：**每个引脚可以配置为输入、输出、中断或模拟功能。
- **可编程中断：**引脚可以配置为在特定事件（例如上升沿或下降沿）时触发中断。
- **高驱动能力：**引脚可以提供高电流驱动能力，适合驱动LED、继电器等外部设备。

#### 2.2.2 定时器

定时器外设用于生成精确的时间间隔和脉冲。其主要特性包括：

- **多种定时器类型：**STM32单片机提供多种定时器类型，包括通用定时器、高级定时器和基本定时器。
- **可编程时基：**定时器可以配置为使用内部时钟或外部时钟源。
- **捕获和比较功能：**定时器可以捕获外部事件并与比较值进行比较，触发中断或生成输出脉冲。

#### 2.2.3 UART（通用异步收发器）

UART外设用于串行通信，允许单片机与外部设备交换数据。其主要特性包括：

- **可配置的波特率：**UART可以配置为使用不同的波特率，以适应各种通信需求。
- **数据格式：**UART支持多种数据格式，包括8位、9位和奇偶校验。
- **FIFO缓冲：**UART包含FIFO缓冲区，用于存储待发送或接收的数据，提高通信效率。

# 3. STM32单片机编程

### 3.1 C语言编程基础

**3.1.1 数据类型和变量**

C语言中，数据类型用于定义变量存储的数据类型，常见的数据类型包括：

- **整数类型：**int、short、long
- **浮点类型：**float、double
- **字符类型：**char
- **字符串类型：**char[]

变量用于存储数据，声明变量时需要指定数据类型和变量名，例如：

int age = 25;
char name[] = "John Doe";

**3.1.2 运算符和表达式**

运算符用于对数据进行操作，表达式由运算符和操作数组成。C语言中常见的运算符包括：

- **算术运算符：**+、-、*、/、%
- **关系运算符：**==、!=、<、>、<=、>=
- **逻辑运算符：**&&、||、!

表达式用于计算值，例如：

int sum = a + b;
if (age > 18) {
  // ...
}

### 3.2 STM32 HAL库

**3.2.1 HAL库简介**

STM32 HAL（硬件抽象层）库是一组软件库，用于简化STM32单片机的编程。HAL库提供了对STM32外设的低级访问，同时隐藏了底层硬件的复杂性。

**3.2.2 GPIO HAL库使用**

GPIO HAL库用于配置和控制STM32的GPIO（通用输入/输出）引脚。使用GPIO HAL库配置GPIO引脚的步骤如下：

1. 初始化GPIO外设：

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);

2. 设置GPIO引脚电平：

HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);

**3.2.3 定时器 HAL库使用**

定时器 HAL库用于配置和控制STM32的定时器外设。使用定时器 HAL库配置定时器的步骤如下：

1. 初始化定时器外设：

TIM_HandleTypeDef htim;
htim.Instance = TIM2;
htim.Init.Prescaler = 64000;
htim.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim.Init.Period = 1000;
HAL_TIM_Base_Init(&htim);

2. 启动定时器：

HAL_TIM_Base_Start(&htim);

# 4. STM32单片机应用

本章节介绍STM32单片机的实际应用，包括LED控制、串口通信和定时器应用。

### 4.1 LED控制

#### 4.1.1 GPIO配置

LED控制需要配置GPIO（通用输入/输出）引脚。STM32单片机具有多个GPIO端口，每个端口包含多个GPIO引脚。

// GPIO配置函数
void GPIO_Config(void) {
  // 使能GPIOA时钟
  RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;

  // 设置PA0引脚为输出模式
  GPIOA->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE0);
  GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE0_0;
}

**代码逻辑分析：**

* `RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;`：使能GPIOA时钟，确保GPIOA端口能够正常工作。
* `GPIOA->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE0);`：清除PA0引脚的模式位，将其设置为输出模式。
* `GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE0_0;`：设置PA0引脚的模式为输出模式。

#### 4.1.2 LED点亮和闪烁

// LED点亮函数
void LED_On(void) {
  // 设置PA0引脚为高电平
  GPIOA->BSRR |= GPIO_BSRR_BS0;
}

// LED闪烁函数
void LED_Blink(void) {
  while (1) {
    // LED点亮100ms
    LED_On();
    HAL_Delay(100);

    // LED熄灭100ms
    GPIOA->BSRR |= GPIO_BSRR_BR0;
    HAL_Delay(100);
  }
}

**代码逻辑分析：**

* `GPIOA->BSRR |= GPIO_BSRR_BS0;`：设置PA0引脚为高电平，点亮LED。
* `HAL_Delay(100);`：延时100ms。
* `GPIOA->BSRR |= GPIO_BSRR_BR0;`：设置PA0引脚为低电平，熄灭LED。

### 4.2 串口通信

#### 4.2.1 UART配置

串口通信需要配置UART（通用异步收发器）外设。STM32单片机具有多个UART外设，每个UART外设包含多个UART通道。

// UART配置函数
void UART_Config(void) {
  // 使能UART1时钟
  RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;

  // 配置UART1波特率为115200
  USART1->BRR = 0x082B;

  // 配置UART1为8位数据位、无校验位、1个停止位
  USART1->CR1 &= ~(USART_CR1_M | USART_CR1_PCE | USART_CR1_PS);
}

**代码逻辑分析：**

* `RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;`：使能UART1时钟，确保UART1外设能够正常工作。
* `USART1->BRR = 0x082B;`：设置UART1波特率为115200。
* `USART1->CR1 &= ~(USART_CR1_M | USART_CR1_PCE | USART_CR1_PS);`：配置UART1为8位数据位、无校验位、1个停止位。

#### 4.2.2 串口数据收发

// 串口数据发送函数
void UART_SendData(uint8_t data) {
  // 等待发送缓冲区为空
  while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE)) {}

  // 发送数据
  USART1->DR = data;
}

// 串口数据接收函数
uint8_t UART_ReceiveData(void) {
  // 等待接收缓冲区不为空
  while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE)) {}

  // 接收数据
  return USART1->DR;
}

**代码逻辑分析：**

* `while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE)) {}`：等待发送缓冲区为空，确保数据可以正常发送。
* `USART1->DR = data;`：发送数据。
* `while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE)) {}`：等待接收缓冲区不为空，确保数据可以正常接收。
* `return USART1->DR;`：接收数据。

### 4.3 定时器应用

#### 4.3.1 定时器配置

定时器应用需要配置定时器外设。STM32单片机具有多个定时器外设，每个定时器外设包含多个定时器通道。

// 定时器配置函数
void TIM_Config(void) {
  // 使能TIM2时钟
  RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;

  // 配置TIM2为向上计数模式、预分频系数为1000、自动重装载值为1000
  TIM2->CR1 &= ~(TIM_CR1_DIR | TIM_CR1_CMS);
  TIM2->PSC = 1000;
  TIM2->ARR = 1000;
}

**代码逻辑分析：**

* `RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;`：使能TIM2时钟，确保TIM2外设能够正常工作。
* `TIM2->CR1 &= ~(TIM_CR1_DIR | TIM_CR1_CMS);`：配置TIM2为向上计数模式。
* `TIM2->PSC = 1000;`：设置TIM2的预分频系数为1000。
* `TIM2->ARR = 1000;`：设置TIM2的自动重装载值为1000。

#### 4.3.2 定时器中断处理

// 定时器中断服务函数
void TIM2_IRQHandler(void) {
  // 清除定时器中断标志位
  TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;

  // 定时器中断处理代码
}

**代码逻辑分析：**

* `TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;`：清除定时器中断标志位，表示中断已处理完毕。
* `// 定时器中断处理代码`：在此处编写定时器中断处理代码。

# 5. STM32单片机进阶**

**5.1 实时操作系统（RTOS）**

**5.1.1 RTOS简介**

实时操作系统（RTOS）是一种专为嵌入式系统设计的操作系统，它可以确保系统对事件的实时响应。RTOS提供了一组任务调度、同步和通信机制，使开发人员能够创建可靠且可预测的嵌入式系统。

**5.1.2 FreeRTOS使用**

FreeRTOS是一个流行的开源RTOS，它具有轻量级、可移植性和实时性等特点。使用FreeRTOS进行STM32单片机编程需要以下步骤：

1. 创建任务：任务是RTOS中的执行单元，它包含要执行的代码。
2. 创建队列：队列用于任务之间的通信和同步。
3. 创建信号量：信号量用于保护共享资源，防止多个任务同时访问同一资源。
4. 启动任务：任务通过调用vTaskStart()函数启动。
5. 调度任务：RTOS调度器负责根据任务优先级和状态调度任务。

**代码示例：**

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.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);

  // 启动任务调度器
  vTaskStartScheduler();

  return 0;
}

**5.2 网络通信**

**5.2.1 以太网配置**

STM32单片机可以通过以太网接口与网络连接。以太网配置需要以下步骤：

1. 配置PHY芯片：PHY芯片是连接STM32单片机和以太网物理层的设备。
2. 配置MAC控制器：MAC控制器是STM32单片机中的以太网控制器。
3. 配置IP地址和子网掩码：IP地址和子网掩码用于标识STM32单片机在网络中的位置。

**5.2.2 TCP/IP协议栈使用**

TCP/IP协议栈是一组协议，用于在网络中传输数据。使用TCP/IP协议栈进行STM32单片机编程需要以下步骤：

1. 创建套接字：套接字是网络通信的端点。
2. 绑定套接字：将套接字绑定到特定的IP地址和端口号。
3. 监听套接字：监听套接字等待来自客户端的连接请求。
4. 接受连接：接受客户端的连接请求并创建一个新的套接字用于通信。
5. 发送和接收数据：通过套接字发送和接收数据。

**代码示例：**

#include "lwip/sockets.h"
#include "lwip/netdb.h"

int main(void) {
  // 创建套接字
  int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

  // 绑定套接字
  struct sockaddr_in servaddr;
  memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
  servaddr.sin_family = AF_INET;
  servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
  servaddr.sin_port = htons(8080);
  bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

  // 监听套接字
  listen(sockfd, 5);

  // 接受连接
  struct sockaddr_in cliaddr;
  socklen_t clilen = sizeof(cliaddr);
  int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &clilen);

  // 发送和接收数据
  char buf[1024];
  while (1) {
    int n = recv(connfd, buf, sizeof(buf), 0);
    if (n > 0) {
      send(connfd, buf, n, 0);
    }
  }

  // 关闭套接字
  close(sockfd);
  close(connfd);

  return 0;
}