【STM32单片机编程秘籍】：从小白到大师的进阶之路

# 1. STM32单片机基础**

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）生产的一系列基于ARM Cortex-M内核的微控制器。这些单片机具有高性能、低功耗和丰富的片上外设，广泛应用于工业控制、物联网、医疗保健和消费电子等领域。

STM32单片机家族有多个系列，包括STM32F、STM32L和STM32G系列，每个系列都有其独特的特性和应用场景。例如，STM32F系列以其高性能和丰富的功能著称，而STM32L系列则以其低功耗和低成本优势见长。

# 2. STM32单片机编程环境搭建

### 2.1 工具链的选择和安装

STM32单片机编程需要一套完整的工具链，包括编译器、汇编器、链接器等工具。目前主流的STM32工具链主要有Keil MDK和IAR Embedded Workbench。

#### 2.1.1 Keil MDK

Keil MDK（Microcontroller Development Kit）是由ARM公司提供的STM32单片机开发工具包，包含了Keil C51编译器、汇编器、链接器、调试器等工具。Keil MDK提供了一个友好的图形化界面，易于使用，是初学者和专业开发者常用的工具链。

**安装步骤：**

1. 下载Keil MDK安装包。
2. 双击安装包，按照提示进行安装。
3. 安装完成后，打开Keil MDK，创建一个新的工程。

#### 2.1.2 IAR Embedded Workbench

IAR Embedded Workbench是由IAR Systems公司提供的STM32单片机开发工具链，包含了IAR C/C++编译器、汇编器、链接器、调试器等工具。IAR Embedded Workbench具有强大的代码分析和调试功能，适合于复杂项目开发。

**安装步骤：**

1. 下载IAR Embedded Workbench安装包。
2. 双击安装包，按照提示进行安装。
3. 安装完成后，打开IAR Embedded Workbench，创建一个新的工程。

### 2.2 开发环境的配置

#### 2.2.1 工程创建和配置

在工具链安装完成后，需要创建一个新的工程并进行配置。

**Keil MDK：**

1. 打开Keil MDK，点击“File”->“New”->“MDK-ARM Project”。
2. 在“Project Location”中选择工程保存路径。
3. 在“Target Device”中选择目标STM32单片机型号。
4. 点击“OK”创建工程。

**IAR Embedded Workbench：**

1. 打开IAR Embedded Workbench，点击“File”->“New”->“Project”。
2. 在“Project Location”中选择工程保存路径。
3. 在“Target”中选择目标STM32单片机型号。
4. 点击“OK”创建工程。

#### 2.2.2 调试器设置

为了能够对程序进行调试，需要配置调试器。

**Keil MDK：**

1. 在Keil MDK中，点击“Debug”->“Options for Target”。
2. 在“Debugger”选项卡中，选择调试器类型（如ST-Link）。
3. 在“Target”选项卡中，选择目标STM32单片机型号。
4. 点击“OK”保存设置。

**IAR Embedded Workbench：**

1. 在IAR Embedded Workbench中，点击“Project”->“Options”。
2. 在“Debugger”选项卡中，选择调试器类型（如ST-Link）。
3. 在“Target”选项卡中，选择目标STM32单片机型号。
4. 点击“OK”保存设置。

# 3. STM32单片机硬件架构**

### 3.1 内核和外设

#### 3.1.1 Cortex-M内核

STM32单片机采用基于ARM架构的Cortex-M内核，具有高性能、低功耗的特点。Cortex-M内核分为多个系列，如Cortex-M0、Cortex-M3、Cortex-M4等，不同系列的内核性能和外设资源有所不同。

#### 3.1.2 外设资源

STM32单片机集成了丰富的片上外设资源，包括：

- **通用输入/输出（GPIO）**：用于与外部设备进行数据交互。
- **定时器**：用于生成定时脉冲、测量时间间隔。
- **串口**：用于与外部设备进行串行通信。
- **模数转换器（ADC）**：用于将模拟信号转换为数字信号。
- **数模转换器（DAC）**：用于将数字信号转换为模拟信号。
- **实时时钟（RTC）**：用于保持时间和日期。
- **看门狗定时器（WDT）**：用于监控系统运行状态。

### 3.2 时钟系统

#### 3.2.1 时钟树结构

STM32单片机的时钟系统由多个时钟源组成，通过时钟树结构进行分配。时钟源包括：

- **内部高速振荡器（HSI）**：内部时钟，频率固定。
- **外部高速振荡器（HSE）**：外部时钟，频率可调。
- **内部低速振荡器（LSI）**：内部时钟，频率低，功耗低。
- **外部低速振荡器（LSE）**：外部时钟，频率低，精度高。

#### 3.2.2 时钟配置

时钟配置是STM32单片机编程中至关重要的环节。时钟配置包括：

- **时钟源选择**：选择合适的时钟源作为系统时钟。
- **时钟分频**：通过分频器将高频时钟转换为低频时钟。
- **时钟门控**：关闭不使用的外设时钟，以节省功耗。

**代码块：时钟配置示例**

// 选择 HSE 为系统时钟
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_HSE;

// 等待 HSE 稳定
while ((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS_HSE) == 0);

// 配置时钟分频
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE1_DIV2; // APB1 时钟分频为 2
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE2_DIV4; // APB2 时钟分频为 4

**逻辑分析：**

这段代码配置 HSE 为系统时钟，并等待 HSE 稳定。然后，配置 APB1 和 APB2 时钟分频，以降低外设时钟频率，节省功耗。

# 4. STM32单片机编程实战

### 4.1 输入输出接口编程

#### 4.1.1 GPIO配置

GPIO（通用输入输出）是STM32单片机中重要的外设之一，它允许用户控制外部设备或读取外部信号。GPIO配置包括以下步骤：

1. **时钟使能：**在使用GPIO之前，需要为其使能时钟。这可以通过设置RCC寄存器中的相应位来实现。
2. **引脚配置：**GPIO引脚可以通过设置GPIO寄存器中的模式、输出类型和下拉/上拉电阻等参数来配置。
3. **读写数据：**配置好GPIO引脚后，就可以通过读写GPIO寄存器来控制外部设备或读取外部信号。

// 使能GPIOA时钟
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;

// 配置GPIOA引脚0为输出模式
GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE0;
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE0_0;

// 设置GPIOA引脚0为高电平
GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_ODR0;

#### 4.1.2 中断处理

STM32单片机支持GPIO中断，当GPIO引脚状态发生变化时，可以触发中断。中断处理包括以下步骤：

1. **中断使能：**在使用GPIO中断之前，需要为其使能中断。这可以通过设置EXTI寄存器中的相应位来实现。
2. **中断配置：**GPIO中断可以配置为上升沿、下降沿或双边沿触发。这可以通过设置EXTI寄存器中的触发方式位来实现。
3. **中断服务函数：**当GPIO中断发生时，会触发中断服务函数。在中断服务函数中，可以处理中断事件。

// 使能GPIOA引脚0中断
EXTI->IMR1 |= EXTI_IMR1_IM0;

// 设置GPIOA引脚0中断为上升沿触发
EXTI->RTSR1 |= EXTI_RTSR1_RT0;

// 中断服务函数
void EXTI0_IRQHandler(void) {
  // 处理GPIOA引脚0中断事件
  if (EXTI->PR1 & EXTI_PR1_PIF0) {
    EXTI->PR1 |= EXTI_PR1_PIF0;
  }
}

### 4.2 定时器编程

#### 4.2.1 定时器原理

定时器是STM32单片机中另一个重要的外设，它可以用来产生精确的时间间隔或测量时间。STM32单片机有不同的定时器类型，每种类型都有其独特的特性。

定时器的工作原理如下：

1. **时钟源：**定时器使用时钟源来产生时钟脉冲。时钟源可以是内部时钟（如HSI、HSE）或外部时钟（如LSE）。
2. **计数器：**定时器有一个计数器，它根据时钟脉冲递增或递减。
3. **比较器：**定时器有一个比较器，它将计数器值与比较值进行比较。
4. **中断：**当计数器值与比较值相等时，定时器会触发中断。

#### 4.2.2 定时器应用实例

定时器可以用于各种应用，例如：

* **延时：**通过设置定时器的比较值，可以产生精确的延时。
* **PWM（脉宽调制）：**通过改变定时器的比较值，可以产生可变占空比的PWM信号。
* **捕获：**定时器可以捕获外部事件的时间戳。

// 初始化TIM2定时器为1ms中断
RCC->APB1ENR1 |= RCC_APB1ENR1_TIM2EN;
TIM2->PSC = 8400 - 1; // 84MHz / 8400 = 10kHz
TIM2->ARR = 1000 - 1; // 10kHz / 1000 = 1ms
TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE;
TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

// 定时器中断服务函数
void TIM2_IRQHandler(void) {
  if (TIM2->SR & TIM_SR_UIF) {
    TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;
    // 定时器中断事件处理
  }
}

### 4.3 串口通信编程

#### 4.3.1 串口通信原理

串口通信是一种异步通信方式，它使用两条线（TX和RX）来传输数据。串口通信的原理如下：

1. **数据帧：**数据帧由起始位、数据位、奇偶校验位（可选）和停止位组成。
2. **波特率：**波特率是串口通信中每秒传输的比特数。
3. **数据格式：**数据格式包括数据位数、奇偶校验方式和停止位数。

#### 4.3.2 串口通信应用实例

串口通信可以用于各种应用，例如：

* **调试：**通过串口可以输出调试信息，方便调试程序。
* **数据传输：**通过串口可以传输数据到外部设备，如显示器、打印机等。
* **远程控制：**通过串口可以远程控制设备。

// 初始化USART1为9600bps 8N1模式
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;
USART1->BRR = 84000000 / 9600;
USART1->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_RE;
USART1->CR1 |= USART_CR1_UE;

// 发送数据
USART1->DR = 'A';

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

# 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，它能够保证系统对时间要求严格的任务进行实时响应。RTOS提供了任务调度、同步、通信等机制，帮助开发者构建可靠、高效的嵌入式系统。

### 5.1.2 FreeRTOS移植和使用

FreeRTOS是目前最流行的开源RTOS之一，它具有轻量级、可移植性好、易于使用的特点。下面介绍如何将FreeRTOS移植到STM32单片机上：

1. **下载FreeRTOS源码**：从FreeRTOS官方网站下载最新版本的源码。
2. **创建工程**：在Keil MDK或IAR Embedded Workbench中创建一个新的工程。
3. **添加FreeRTOS源码**：将下载的FreeRTOS源码添加到工程中。
4. **配置FreeRTOS**：在FreeRTOSConfig.h文件中配置FreeRTOS的选项，如任务数量、堆栈大小等。
5. **创建任务**：创建任务函数，并将其添加到任务调度器中。
6. **编译和下载**：编译工程并下载到STM32单片机上。

下面是一个使用FreeRTOS创建简单任务的示例代码：

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

void task1(void *pvParameters)
{
    while (1) {
        // 任务逻辑
    }
}

int main(void)
{
    xTaskCreate(task1, "Task1", 128, NULL, 1, NULL);
    vTaskStartScheduler();

    while (1) {
        // 主循环
    }
}

在该示例中，task1是一个简单的任务，它将无限循环执行任务逻辑。vTaskStartScheduler()函数启动任务调度器，它将根据任务优先级调度任务的执行。