【STM32单片机极速入门指南】：10步打造你的嵌入式系统

# 1. STM32单片机简介**

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）生产的一系列基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器。它以其高性能、低功耗和丰富的外围设备而闻名，广泛应用于嵌入式系统、物联网设备和工业自动化等领域。

STM32单片机采用哈佛架构，具有独立的指令和数据存储器。其处理器内核包括Cortex-M0、M3、M4和M7，提供不同的性能和功耗选择。此外，STM32单片机还集成了丰富的片上外围设备，如GPIO、定时器、中断控制器、ADC、DAC和通信接口，为开发人员提供了广泛的连接和控制选项。

# 2. STM32单片机硬件架构

### 2.1 处理器内核和存储器结构

#### 2.1.1 Cortex-M内核简介

STM32单片机采用基于ARM架构的Cortex-M内核，该内核专为嵌入式应用而设计，具有低功耗、高性能的特点。Cortex-M内核有多个系列，例如Cortex-M0、Cortex-M3、Cortex-M4和Cortex-M7，每个系列都针对不同的性能和功耗要求进行了优化。

Cortex-M内核采用哈佛架构，即指令和数据存储在不同的存储器空间中。这种架构提高了指令获取和数据访问的效率。Cortex-M内核还支持浮点运算单元（FPU），用于处理浮点运算。

#### 2.1.2 存储器层次结构

STM32单片机具有多级存储器层次结构，包括：

- **寄存器文件：**高速、低延迟的存储器，用于存储临时数据和指令。
- **SRAM（静态随机存取存储器）：**高速、易失性存储器，用于存储程序代码和数据。
- **Flash存储器：**非易失性存储器，用于存储程序代码和常量数据。
- **EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）：**非易失性存储器，用于存储需要频繁更新的配置数据。

### 2.2 外围设备和接口

STM32单片机集成了丰富的片上外围设备，包括：

#### 2.2.1 GPIO、定时器和中断

- **GPIO（通用输入/输出）：**用于连接外部设备，如LED、按钮和传感器。
- **定时器：**用于生成定时脉冲、测量时间间隔和创建PWM信号。
- **中断：**当发生特定事件时，中断系统会暂停当前执行的程序并跳转到中断服务程序。

#### 2.2.2 通信接口：UART、SPI、I2C

- **UART（通用异步收发传输器）：**用于与其他设备进行串行通信。
- **SPI（串行外围接口）：**用于与高速外围设备进行同步通信。
- **I2C（两线式接口）：**用于与低速外围设备进行串行通信。

**外围设备连接示例：**

// 连接LED到GPIOA的Pin5
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_5;
GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

// 配置定时器2为1ms中断
TIM_HandleTypeDef htim2;
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 8400 - 1;
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 1000 - 1;
HAL_TIM_Base_Init(&htim2);
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);

// 配置UART1为115200波特率
UART_HandleTypeDef huart1;
huart1.Instance = USART1;
huart1.Init.BaudRate = 115200;
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
HAL_UART_Init(&huart1);

# 3. STM32单片机软件开发环境

### 3.1 开发工具链和IDE

STM32单片机软件开发需要使用特定的开发工具链和集成开发环境（IDE）。常用的开发工具链包括：

- **Keil uVision：**一款流行的商业IDE，提供代码编辑、编译、调试和仿真功能。
- **STM32CubeIDE：**一款免费的IDE，由STMicroelectronics提供，包含了完整的STM32开发工具链。

### 3.1.1 Keil uVision

Keil uVision是一款功能强大的IDE，提供以下特性：

- 代码编辑器，支持语法高亮、自动补全和错误检查。
- 编译器和链接器，用于将源代码编译为可执行文件。
- 调试器，用于单步执行代码、设置断点和检查变量值。
- 仿真器，用于在虚拟环境中运行代码并调试硬件问题。

### 3.1.2 STM32CubeIDE

STM32CubeIDE是一款免费的IDE，由STMicroelectronics提供。它包含了以下特性：

- 基于Eclipse的代码编辑器，提供类似于Keil uVision的特性。
- STM32CubeMX图形配置工具，用于快速配置STM32外设。
- 内置编译器和调试器，与Keil uVision类似。
- 支持多种第三方工具和插件，增强IDE功能。

### 3.2 程序结构和编译过程

STM32单片机程序通常由以下部分组成：

- **头文件（.h）：**包含函数原型、数据结构和宏定义。
- **源文件（.c）：**包含函数实现和全局变量定义。
- **工程文件（.uvprojx）：**用于配置IDE和编译过程。

### 3.2.1 工程文件和代码组织

工程文件定义了编译过程的设置，包括：

- 源文件列表
- 编译器和链接器选项
- 调试器和仿真器设置

代码组织遵循模块化设计原则，将程序分解为多个文件和函数，以提高可维护性和可读性。

### 3.2.2 编译、链接和调试

编译过程将源代码编译为目标代码（通常为汇编代码）。链接器将目标代码与库文件链接，生成可执行文件。调试器用于在代码执行期间检查变量值、设置断点和单步执行代码。

**代码块：**

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
    // 初始化 GPIO
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;
    GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_0 | GPIO_CRH_CNF13_0;

    // 循环闪烁 LED
    while (1)
    {
        // 设置 GPIO 输出高电平
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;
        // 延时
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {}
        // 设置 GPIO 输出低电平
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;
        // 延时
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {}
    }
}

**逻辑分析：**

- 初始化GPIOC时钟，并配置PC13引脚为输出模式。
- 进入无限循环，交替设置PC13引脚为高电平和低电平，实现LED闪烁。
- 延时函数用于控制闪烁频率。

# 4. STM32单片机应用实践**

**4.1 LED闪烁程序**

**4.1.1 GPIO配置和初始化**

LED闪烁程序是STM32单片机最基本的应用之一，它涉及到GPIO（通用输入/输出）端口的配置和初始化。GPIO端口允许微控制器与外部设备进行通信，如LED灯。

以下代码段展示了GPIO配置和初始化的过程：

// 包含必要的头文件
#include "stm32f10x.h"

// 定义LED引脚（PB0）
#define LED_PIN GPIO_Pin_0

// GPIO初始化函数
void GPIO_Init(void) {
    // 启用GPIOB时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    // 配置GPIOB0为输出模式
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}

**参数说明：**

* `RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE)`：启用GPIOB时钟。
* `GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED_PIN`：指定要配置的引脚为LED引脚（PB0）。
* `GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP`：配置引脚为推挽输出模式。
* `GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz`：设置引脚输出速度为50MHz。

**逻辑分析：**

1. 首先，启用GPIOB时钟，以提供GPIOB端口所需的电源。
2. 然后，配置GPIOB0引脚为输出模式，并设置输出速度为50MHz。
3. 这样，就可以通过设置或清除GPIOB0引脚来控制LED灯的开关。

**4.1.2 定时器配置和中断处理**

为了让LED闪烁，需要使用定时器来产生周期性的中断。中断处理程序中，可以控制GPIO引脚的状态，从而实现LED的闪烁。

以下代码段展示了定时器配置和中断处理的过程：

// 包含必要的头文件
#include "stm32f10x.h"

// 定义定时器3
#define TIM3 TIM3

// 定时器初始化函数
void TIM3_Init(void) {
    // 启用TIM3时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

    // 配置TIM3为向上计数模式
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000; // 设置计数周期为1000
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7200; // 设置预分频器为7200
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; // 设置时钟分频为1
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 设置向上计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 启用TIM3中断
    TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);

    // 启用TIM3
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

// TIM3中断处理函数
void TIM3_IRQHandler(void) {
    // 检查是否为更新中断
    if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) {
        // 清除更新中断标志位
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);

        // 改变GPIOB0引脚的状态
        GPIOB->ODR ^= LED_PIN;
    }
}

**参数说明：**

* `RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE)`：启用TIM3时钟。
* `TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000`：设置TIM3的计数周期为1000，即每1000个时钟周期产生一次中断。
* `TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7200`：设置TIM3的预分频器为7200，即每7200个时钟周期才计数一次。
* `TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up`：设置TIM3为向上计数模式。
* `TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE)`：启用TIM3的更新中断。
* `TIM_Cmd(TIM3, ENABLE)`：启用TIM3。

**逻辑分析：**

1. 首先，启用TIM3时钟，以提供TIM3所需的电源。
2. 然后，配置TIM3为向上计数模式，并设置计数周期和预分频器。这样，TIM3每1000个时钟周期产生一次中断。
3. 启用TIM3中断，并在中断处理程序中改变GPIOB0引脚的状态。
4. 这样，每当TIM3产生中断时，LED灯就会闪烁一次。

# 5.1 实时操作系统（RTOS）

### 5.1.1 FreeRTOS简介

FreeRTOS是一个开源、轻量级、抢占式实时操作系统（RTOS），专为嵌入式系统而设计。它提供了任务管理、同步、内存管理和定时器等基本功能，使开发人员能够创建复杂的实时应用程序。

FreeRTOS的特点包括：

- **抢占式调度：**高优先级的任务可以抢占低优先级的任务，确保关键任务的及时执行。
- **任务管理：**支持创建和管理多个任务，每个任务都有自己的堆栈和优先级。
- **同步机制：**提供互斥锁、信号量和事件等同步机制，以协调任务之间的访问和通信。
- **内存管理：**提供动态内存分配和管理功能，以优化内存使用。
- **定时器：**支持创建和管理定时器，用于调度任务和事件。

### 5.1.2 任务管理和同步

在FreeRTOS中，任务是执行代码的最小单元。每个任务都有自己的堆栈和优先级。任务调度器根据任务的优先级和可用性决定哪个任务可以执行。

任务之间的同步是通过同步机制实现的，包括：

- **互斥锁：**用于保护临界区，确保同一时间只有一个任务可以访问共享资源。
- **信号量：**用于协调任务之间的通信和同步。
- **事件：**用于通知任务发生特定事件，例如数据可用或任务完成。

// 创建一个互斥锁
MutexHandle_t mutex = xSemaphoreCreateMutex();

// 获取互斥锁
xSemaphoreTake(mutex, portMAX_DELAY);

// 访问共享资源

// 释放互斥锁
xSemaphoreGive(mutex);

通过使用FreeRTOS的任务管理和同步机制，开发人员可以创建复杂的实时应用程序，这些应用程序可以可靠地响应外部事件和执行关键任务。