STM32F407外设接口一网打尽：GPIO到USART的深度解析


参考资源链接：[STM32F407 Cortex-M4 MCU 数据手册：高性能、低功耗特性](https://wenku.csdn.net/doc/64604c48543f8444888dcfb2?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32F407微控制器概述

STM32F407微控制器是基于ARM Cortex-M4核心的高性能32位微控制器，广泛应用于工业控制、医疗设备和嵌入式系统等。它拥有1MB的闪存和192KB的RAM，以及丰富的外设接口，这些特性使其成为众多开发者和制造商的选择。

## 1.1 基本架构和特性

STM32F407的核心是ARM Cortex-M4，带有浮点单元（FPU）和数字信号处理器（DSP）。这一特性意味着它能够高效地执行复杂算法，特别适合于需要进行实时信号处理的应用。此外，它还包含了许多高级特性，比如以太网MAC、USB OTG和相机接口。

## 1.2 应用领域

由于其高性能和广泛集成的外设，STM32F407被应用于多个领域，例如音频处理、音频/视频（A/V）应用、移动应用和安全应用。此外，它丰富的存储选项和多种通信接口，使得STM32F407成为物联网（IoT）设备的理想选择。

## 1.3 开发环境和工具链

为了支持STM32F407微控制器的开发，STMicroelectronics 提供了集成开发环境（IDE）和一系列调试工具。最常用的IDE包括STM32CubeIDE和Keil MDK-ARM，它们为编程、编译和调试提供了全面的解决方案。利用这些工具，开发者可以更加高效地利用STM32F407的全部潜能。

# 2. STM32F407的GPIO深入解析

STM32F407微控制器的通用输入输出端口（GPIO）是其灵活性和功能多样性的基石。它们支持各种配置选项，使得开发人员能够根据不同的应用需求，将GPIO端口用作数字输入/输出、模拟输入、特殊功能的引脚（如外部中断引脚、时钟输出引脚等）。本章将详细介绍STM32F407的GPIO功能，从基础操作到高级应用，全面解析如何有效地利用GPIO端口。

## 2.1 GPIO基础

### 2.1.1 GPIO结构和寄存器

在STM32F407中，每个GPIO引脚都由一个对应的GPIO端口控制，每个端口包含16个引脚（GPIOA到GPIOH）。每个GPIO端口都可以通过一系列专用的寄存器进行配置和控制。这些寄存器包括：

- **GPIOx_CRL** 和 **GPIOx_CRH**：配置低/高8个引脚的状态。
- **GPIOx_IDR**：输入数据寄存器，用于读取引脚当前的输入数据。
- **GPIOx_ODR**：输出数据寄存器，用于设置引脚的输出数据。
- **GPIOx_BSRR**：位设置/复位寄存器，用于原子性地设置或清除任何引脚。
- **GPIOx_BRR**：位复位寄存器，用于原子性地清除任意引脚。
- **GPIOx_LCKR**：配置锁定寄存器，用于锁定端口的配置。

### 2.1.2 GPIO的配置和控制

GPIO的配置通过设置相关寄存器来完成。配置GPIO通常遵循以下步骤：

1. **确定引脚模式**：根据需要配置引脚为输入模式、输出模式、复用功能模式或模拟模式。
2. **设置速度和输出类型**：如果引脚被配置为输出，需要设置输出类型（推挽或开漏）和速度。
3. **选择上拉/下拉电阻**：对于输入模式的引脚，可以选择启用内部上拉或下拉电阻。
4. **配置中断/事件**：如果需要，可以配置引脚产生外部中断或事件。
5. **使能或禁用引脚**：最后，可以根据需要启用或禁用引脚。

示例代码配置GPIO引脚：

// 使能GPIOB时钟
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);

// 配置GPIOB的第10个引脚为输出模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

// 设置GPIOB第10个引脚为高电平
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10);

// 清除GPIOB第10个引脚的电平
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10);

在上述代码中，首先通过`RCC_AHB1PeriphClockCmd`函数使能GPIOB端口的时钟，然后通过`GPIO_Init`函数配置引脚。`GPIO_InitStructure`结构体用于存储引脚的配置信息。

## 2.2 GPIO的高级应用

### 2.2.1 复用功能

STM32F407的GPIO引脚不仅仅能够作为简单的数字I/O使用，它们还可以配置为复用功能。复用功能允许引脚用来进行其他外设的操作，如UART、SPI、I2C、CAN、TIM等。这通过GPIOx_CRL和GPIOx_CRH寄存器中的模式位和配置位来完成。例如，可以将GPIOB的第10个引脚配置为TIM2的通道输出：

// 使能GPIOB和TIM2时钟
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

// 配置GPIOB的第10个引脚为复用功能模式，并设置为TIM2的通道2输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

// 将PB10引脚的复用功能映射到TIM2
GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_TIM2);

// 设置TIM2的相关参数
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000 - 1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = (uint16_t) ((SystemCoreClock / 1000000) - 1);
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

// 启动TIM2
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

在上述代码中，首先配置了GPIOB的第10个引脚为复用功能模式，然后通过`GPIO_PinAFConfig`函数将PB10引脚的复用功能映射到TIM2。随后配置TIM2的相关参数，并最终启动TIM2。

### 2.2.2 中断和事件

GPIO端口支持外部中断和事件（EXTI），这允许开发人员通过检测外部事件（如引脚电平变化）来唤醒设备或执行某些操作。GPIO的中断配置涉及两个寄存器：EXTI_LineConfig和NVIC。EXTI_LineConfig用于选择哪些引脚触发中断，而NVIC则用于配置中断优先级。

示例代码配置GPIO中断：

// 配置GPIOC的第13个引脚为输入模式，并配置为外部中断线13
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN;
GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);

// 配置EXTI_line13
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line13;
EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising_Falling; // 上升沿和下降沿触发
EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

// 配置NVIC
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI15_10_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x02;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

在上述代码中，首先将GPIOC的第13个引脚配置为输入模式，并启用外部中断。然后，配置EXTI_line13，设置中断触发条件为上升沿和下降沿。最后，配置NVIC来启用中断。

### 2.2.3 低功耗管理

低功耗管理是设计移动或电池供电设备时的关键考虑因素。STM32F407提供了多种低功耗模式，包括睡眠模式、停止模式和待机模式。在这些模式下，某些或全部外设，包括GPIO引脚，都可以进行功耗优化。

为了最小化功耗，可以将未使用的GPIO引脚配置为模拟输入，这样可以关闭它们的驱动器并减少功耗。此外，通过电源控制寄存器（PWR_CR）可以控制整个设备的电源域。

示例代码实现GPIO低功耗管理：

// 关闭GPIOA的第2个引脚的输出驱动器
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

// 设置睡眠模式
PWR_EnterSleepMode(PWR_SLEEPENTRY_WFI);

在上述代码中，将GPIOA的第2个引脚配置为模拟输入，以关闭其输出驱动器。然后，通过`PWR_EnterSleepMode`函数，将设备置于睡眠模式以减少功耗。

### 表格展示GPIO配置参数

下面的表格展示了GPIO的一些关键配置参数和其功能：

| 参数名 | 描述 | 可选值 | 默认值 |
| :---: | :--- | :---: | :---: |
| GPIO_Pin | 指定要配置的引脚 | 0x00-0xFF | - |
| GPIO_Mode | 引脚模式 | IN, OUT, AF, AN | - |
| GPIO_OType | 输出类型 | PP, OD | PP |
| GPIO_Speed | 输出速度 | 2MHz, 25MHz, 50MHz, 100MHz | - |
| GPIO_PuPd | 上拉/下拉电阻 | UP, DOWN, NOPULL | NOPULL |
| EXTI_Line | 中断线 | EXTI_Line0-EXTI_Line15 | - |
| EXTI_Trigger | 中断触发方式 | Rising, Falling, Rising_Falling | - |
| NVIC_IRQChannel | 中断通道 | 具体中断通道 | - |

通过合理的配置GPIO，STM32F407微控制器可以满足各种复杂应用场景的需求，使其在实际项目开发中显示出极大的灵活性和扩展性。在下一节中，我们将深入了解STM32F407的定时器和计数器功能，掌握更多驱动外设的高级技巧。

# 3. STM32F407的定时器和计数器

## 3.1 基础定时器

### 3.1.1 定时器的工作原理

基础定时器在嵌入式系统中扮演着至关重要的角色，它是用于测量时间间隔、生成精确的时间基准、或者执行周期性任务的一种硬件资源。基础定时器的基本工作原理是使用一个预设的时钟频率来驱动一个计数器，该计数器从预设的初始值开始计数，当计数器的值达到设定的阈值时，触发相应的事件或中断。

在STM32F407微控制器中，基础定时器包括一个预分频器和一个自动重装载寄存器。预分频器用于降低计数频率，而自动重装载寄存器设定计数器的最大值。当计数器计数达到此最大值后，它会自动重置到初始值，并且可以配置为产生更新事件（如中断）。

### 3.1.2 定时器的配置和使用

在使用基础定时器之前，需要对其进行配置，包括时钟源选择、预分频器值设置、自动重装载值设置以及中断或事件的启用。以下是一个简单的代码示例，展示了如何在STM32F407上配置基础定时器：

#include "stm32f4xx.h"

void TIM2_Config(void)
{
    // 1. 使能定时器时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    // 2. 定时器基本配置
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_Time