STM32入门教程：概述与基本开发环境搭建

# 1. STM32概述

STM32是意法半导体（STMicroelectronics）推出的32位微控制器系列，基于ARM Cortex-M内核，广泛应用于嵌入式系统开发。其主要特点包括：

- 高性能：基于ARM Cortex-M内核，主频高达216MHz，提供卓越的处理能力。
- 低功耗：采用先进的低功耗技术，支持多种低功耗模式，延长电池续航时间。
- 丰富的外设：集成多种外设，包括定时器、ADC、UART、SPI、I2C等，满足各种应用需求。
- 易于开发：提供完善的开发工具链，包括IDE、编译器、调试器等，简化开发流程。

# 2. STM32开发环境搭建**

**2.1 IDE选择与安装**

STM32开发环境搭建的第一步是选择和安装一个集成开发环境（IDE）。IDE提供了一个图形化界面，用于编写、编译、调试和管理代码。对于STM32开发，有两种流行的IDE：

**2.1.1 Keil MDK**

Keil MDK（微设备开发工具包）是Arm公司开发的专有IDE。它提供了一个全面的开发环境，包括编辑器、编译器、调试器和仿真器。Keil MDK支持多种STM32微控制器，并提供广泛的库和示例。

**2.1.2 IAR Embedded Workbench**

IAR Embedded Workbench是IAR Systems开发的另一个专有IDE。它也提供了一个全面的开发环境，包括编辑器、编译器、调试器和仿真器。IAR Embedded Workbench支持多种STM32微控制器，并提供广泛的库和示例。

**2.2 编译器和调试器配置**

选择并安装IDE后，需要配置编译器和调试器。

**2.2.1 编译器选项设置**

编译器选项设置指定了编译代码的方式。这些选项包括优化级别、目标平台和内存映射。编译器选项可以通过IDE的项目设置进行配置。

**2.2.2 调试器配置与使用**

调试器用于在代码执行时对其进行故障排除。调试器可以设置断点、检查变量和寄存器，以及单步执行代码。调试器可以通过IDE的调试工具栏进行配置和使用。

**代码块：**

// Keil MDK编译器选项设置示例
project_options {
  optimization_level = 2;
  target_platform = STM32F407VG;
  memory_map = stm32f407vg.map;
}

**代码逻辑分析：**

此代码块设置了Keil MDK编译器选项。它将优化级别设置为2（中等优化），目标平台设置为STM32F407VG，并使用stm32f407vg.map作为内存映射文件。

**表格：**

| IDE | 特性 |
|---|---|
| Keil MDK | 专有，全面的开发环境，广泛的库和示例 |
| IAR Embedded Workbench | 专有，全面的开发环境，广泛的库和示例 |

**Mermaid流程图：**

sequenceDiagram
participant IDE
participant Compiler
participant Debugger

IDE->Compiler: Send code
Compiler->IDE: Return compiled code
IDE->Debugger: Send compiled code
Debugger->IDE: Return debugging information

**流程图说明：**

此流程图显示了IDE、编译器和调试器之间的交互。IDE将代码发送给编译器，编译器返回编译后的代码。IDE将编译后的代码发送给调试器，调试器返回调试信息。

# 3. STM32开发实践

### 3.1 LED点亮程序

**3.1.1 程序结构分析**

STM32 LED点亮程序是一个简单的程序，用于点亮开发板上连接到 GPIO 引脚的 LED。程序结构通常如下：

* **头文件包含：**包含必要的头文件，如 `stm32f10x.h` 和 `stm32f10x_gpio.h`。
* **系统时钟配置：**配置系统时钟，确保 MCU 以正确的频率运行。
* **GPIO 配置：**配置用于控制 LED 的 GPIO 引脚，将其设置为输出模式。
* **LED 点亮循环：**进入一个无限循环，在循环中不断点亮和熄灭 LED。

### 3.1.2 代码编写与调试

**代码块：LED点亮程序**

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"

int main() {
    // 系统时钟配置
    RCC_DeInit();
    RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
    RCC_WaitForHSEStartUp();
    RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);
    RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);

    // GPIO 配置
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);

    // LED 点亮循环
    while (1) {
        // 点亮 LED
        GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);
        // 延时
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
        // 熄灭 LED
        GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);
        // 延时
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
    }
}

**代码逻辑分析：**

* **系统时钟配置：**使用 `RCC_DeInit()` 重置系统时钟，然后使用 `RCC_HSEConfig()` 启用外部高速振荡器 (HSE)，并使用 `RCC_WaitForHSEStartUp()` 等待 HSE 启动。最后，使用 `RCC_HCLKConfig()` 和 `RCC_PCLK2Config()` 配置时钟。
* **GPIO 配置：**使用 `GPIO_InitTypeDef` 结构体配置 GPIOC 的第 13 引脚，将其设置为推挽输出模式，速度为 50MHz。
* **LED 点亮循环：**程序进入一个无限循环，在循环中使用 `GPIO_SetBits()` 点亮 LED，然后使用 `for` 循环延时。之后，使用 `GPIO_ResetBits()` 熄灭 LED，并再次使用 `for` 循环延时。

### 3.2 按键输入处理

**3.2.1 中断配置与处理**

为了处理按键输入，需要配置中断。STM32 中断配置通常如下：

* **中断向量表：**设置中断向量表，将中断服务程序 (ISR) 地址映射到中断向量表中。
* **中断优先级：**设置中断优先级，决定中断处理的顺序。
* **中断使能：**使能中断，允许中断发生时触发 ISR。

**代码块：按键中断配置**

// 中断向量表
extern void EXTI0_IRQHandler(void);

// 中断优先级
#define EXTI0_IRQn 6

// 中断使能
void EXTI0_IRQHandler() {
    // 清除中断标志位
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);

    // 按键事件响应
    // ...
}

**代码逻辑分析：**

* **中断向量表：**使用 `extern` 声明 `EXTI0_IRQHandler` 函数，将其作为中断服务程序。
* **中断优先级：**使用 `#define` 定义 `EXTI0_IRQn` 为 6，表示中断优先级为 6。
* **中断使能：**在 `EXTI0_IRQHandler` 函数中，使用 `EXTI_ClearITPendingBit()` 清除中断标志位，然后执行按键事件响应代码。

**3.2.2 按键事件响应**

按键事件响应代码通常如下：

* **读取按键状态：**读取按键引脚的状态，确定按键是否被按下。
* **执行事件处理：**根据按键状态执行相应的事件处理，例如，点亮 LED 或执行其他操作。

**代码块：按键事件响应**

// 读取按键状态
uint8_t key_state = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0);

// 执行事件处理
if (key_state == 0) {
    // 按键按下
    // ...
} else {
    // 按键未按下
    // ...
}

**代码逻辑分析：**

* **读取按键状态：**使用 `GPIO_ReadInputDataBit()` 读取 GPIOA 的第 0 引脚的状态，确定按键是否被按下。
* **执行事件处理：**根据按键状态，执行相应的事件处理。如果按键被按下，则执行 `...` 代码；如果按键未按下，则执行 `...` 代码。

# 4. STM32外设使用

### 4.1 定时器

#### 4.1.1 定时器配置与使用

STM32系列微控制器集成了多个定时器外设，用于生成精确的时间间隔和控制脉冲宽度。定时器可以用于各种应用，例如LED闪烁、PWM输出、捕获外部事件等。

要配置定时器，需要设置以下参数：

- **时钟源：**定时器的时钟源可以是内部时钟或外部时钟。内部时钟通常是微控制器的系统时钟，而外部时钟可以是外部晶体或其他时钟源。
- **预分频器：**预分频器用于降低定时器的时钟频率，从而生成更长的时钟周期。
- **计数模式：**定时器有不同的计数模式，包括向上计数、向下计数、中心对齐计数等。
- **自动重载值：**自动重载值指定定时器在计数到该值后重新开始计数。

以下代码示例演示了如何配置STM32定时器：

#include "stm32f10x.h"

void TIM2_Config(void)
{
    // 使能TIM2时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    // 设置TIM2时钟源为内部时钟
    TIM2->CR1 &= ~TIM_CR1_CMS;

    // 设置预分频器为1000
    TIM2->PSC = 1000;

    // 设置计数模式为向上计数
    TIM2->CR1 &= ~TIM_CR1_DIR;

    // 设置自动重载值为1000
    TIM2->ARR = 1000;

    // 启用TIM2
    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
}

#### 4.1.2 PWM输出与捕获

PWM（脉冲宽度调制）是一种通过改变脉冲宽度来控制输出电压或电流的技术。STM32定时器可以生成PWM信号，用于驱动电机、LED或其他需要可变电压或电流的设备。

捕获功能允许定时器测量外部事件的持续时间或频率。这可以用于测量传感器输入、控制电机速度或实现其他时间测量应用。

以下代码示例演示了如何使用STM32定时器生成PWM信号：

#include "stm32f10x.h"

void TIM2_PWM_Config(void)
{
    // 使能TIM2时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    // 设置TIM2时钟源为内部时钟
    TIM2->CR1 &= ~TIM_CR1_CMS;

    // 设置预分频器为1000
    TIM2->PSC = 1000;

    // 设置计数模式为向上计数
    TIM2->CR1 &= ~TIM_CR1_DIR;

    // 设置自动重载值为1000
    TIM2->ARR = 1000;

    // 设置比较值1为500
    TIM2->CCR1 = 500;

    // 设置输出比较模式为PWM模式1
    TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2;

    // 启用TIM2
    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
}

### 4.2 ADC

#### 4.2.1 ADC配置与使用

ADC（模数转换器）是一种将模拟信号（例如电压或电流）转换为数字信号的设备。STM32系列微控制器集成了多个ADC外设，用于测量外部模拟信号。

要配置ADC，需要设置以下参数：

- **采样时间：**采样时间决定了ADC转换一次模拟信号所需的时间。
- **参考电压：**参考电压用于将模拟信号转换为数字信号。
- **通道选择：**ADC可以测量多个模拟通道，需要选择要测量的通道。
- **转换模式：**ADC有不同的转换模式，包括单次转换、连续转换和扫描转换。

以下代码示例演示了如何配置STM32 ADC：

#include "stm32f10x.h"

void ADC1_Config(void)
{
    // 使能ADC1时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

    // 设置ADC1采样时间为239.5周期
    ADC1->SMPR2 |= ADC_SMPR2_SMP1_5 | ADC_SMPR2_SMP0_5;

    // 设置ADC1参考电压为内部参考电压
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_REFEN;

    // 设置ADC1通道1为模拟输入通道
    ADC1->SQR3 &= ~ADC_SQR3_SQ1;

    // 设置ADC1转换模式为单次转换模式
    ADC1->CR2 &= ~ADC_CR2_CONT;

    // 启用ADC1
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON;
}

#### 4.2.2 数据采集与处理

ADC转换完成后，数字信号可以从ADC数据寄存器中读取。数据采集和处理过程通常涉及以下步骤：

- **读取ADC数据：**从ADC数据寄存器中读取转换后的数字信号。
- **数据处理：**对数字信号进行处理，例如滤波、缩放或转换单位。
- **数据输出：**将处理后的数据输出到显示器、存储器或其他设备。

以下代码示例演示了如何读取ADC数据：

#include "stm32f10x.h"

uint16_t ADC1_Read(void)
{
    // 启动ADC转换
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;

    // 等待ADC转换完成
    while (!(ADC1->SR & ADC_SR_EOC));

    // 读取ADC数据
    return ADC1->DR;
}

# 5.1 RTOS介绍与应用

### 5.1.1 FreeRTOS简介

FreeRTOS（Free Real-Time Operating System）是一款开源、免费的实时操作系统（RTOS），专为嵌入式系统设计。它提供了一种轻量级、可裁剪的内核，可满足不同嵌入式应用的实时性、可靠性和可扩展性要求。

FreeRTOS具有以下特点：

- **实时性：**提供可预测的响应时间，确保任务在指定的时间内执行。
- **可裁剪性：**内核模块化设计，用户可根据需求裁剪出所需的组件，减少系统开销。
- **可移植性：**支持多种处理器架构和编译器，便于移植到不同的嵌入式平台。
- **开放源码：**免费且开源，用户可自由修改和分发。

### 5.1.2 任务创建与调度

任务是FreeRTOS中执行的代码单元。任务创建和调度是RTOS的核心功能。

#### 任务创建

TaskHandle_t task_handle;
xTaskCreate(task_function, "task_name", stack_size, parameter, priority, &task_handle);

- `task_function`：任务执行函数。
- `task_name`：任务名称（用于调试）。
- `stack_size`：任务堆栈大小（字节）。
- `parameter`：传递给任务函数的参数。
- `priority`：任务优先级（数字越大，优先级越高）。
- `task_handle`：任务句柄，用于控制任务。

#### 任务调度

FreeRTOS采用优先级调度算法，优先级高的任务将优先执行。任务调度器负责根据任务优先级和就绪状态决定哪个任务执行。

sequenceDiagram
participant A as Task 1
participant B as Task 2
participant C as Task 3
A->B: Task 1 runs
B->C: Task 2 runs
C->A: Task 3 runs

#### 任务同步

多个任务并发执行时，需要考虑任务同步问题。FreeRTOS提供了多种同步机制，如：

- **互斥锁（Mutex）：**确保同一时刻只有一个任务访问共享资源。
- **信号量（Semaphore）：**用于限制资源访问的数量。
- **事件标志组（Event Group）：**用于通知任务特定事件的发生。