STM32 微控制器基础：10个关键概念，助你轻松掌握嵌入式开发

# 1. STM32 微控制器简介

STM32 微控制器是由意法半导体 (STMicroelectronics) 制造的 32 位微控制器系列。它们基于 ARM Cortex-M 处理器内核，以其高性能、低功耗和广泛的应用而闻名。STM32 微控制器广泛用于嵌入式系统，包括物联网设备、工业自动化和医疗设备。

STM32 微控制器具有各种架构和功能，以满足不同的应用需求。它们的核心架构包括 Cortex-M0、Cortex-M3 和 Cortex-M4 处理器内核，提供从低功耗到高性能的各种选项。此外，STM32 微控制器还集成了广泛的外围设备，例如 GPIO、定时器、ADC 和通信接口，使其能够与各种外部设备和传感器进行交互。

# 2. STM32 微控制器架构和功能

### 2.1 STM32 的核心架构

STM32 微控制器基于 ARM Cortex-M 系列处理器，提供强大的计算能力和低功耗特性。

#### 2.1.1 Cortex-M 系列处理器

Cortex-M 系列处理器专为嵌入式系统而设计，具有以下特点：

- **高性能：**采用 Thumb-2 指令集，提供高执行效率。
- **低功耗：**采用节能技术，如动态电压和频率调节 (DVFS)。
- **灵活的可扩展性：**从低端到高端，提供各种性能和外设选项。

STM32 微控制器采用 Cortex-M0+、Cortex-M3、Cortex-M4 和 Cortex-M7 等不同内核，满足不同应用需求。

#### 2.1.2 内存和外设

STM32 微控制器集成了丰富的内存和外设资源，包括：

- **内存：**片上 RAM 和 Flash，用于存储程序和数据。
- **外设：**包括 GPIO、定时器、ADC、DAC、UART、SPI、I2C 等，提供广泛的连接和控制功能。

### 2.2 STM32 的外围设备

STM32 微控制器集成了各种外围设备，扩展了其功能和应用范围。

#### 2.2.1 GPIO

GPIO（通用输入/输出）引脚是 STM32 微控制器中最重要的外设之一，可用于连接外部设备，如 LED、按钮和传感器。GPIO 引脚可配置为输入、输出或中断引脚。

#### 2.2.2 定时器

定时器是 STM32 微控制器中另一个关键外设，可用于生成脉冲、测量时间间隔和创建 PWM 信号。STM32 微控制器通常有多个定时器，每个定时器具有不同的功能和配置选项。

#### 2.2.3 ADC

ADC（模数转换器）是 STM32 微控制器中用于将模拟信号（如电压或电流）转换为数字信号的外设。ADC 允许微控制器与模拟世界交互，例如读取传感器数据或控制模拟设备。

# 3. STM32 微控制器编程

### 3.1 STM32 的开发环境

#### 3.1.1 IDE 和工具链

STM32 微控制器编程需要一个集成开发环境 (IDE) 和一个工具链。IDE 提供了编辑、编译和调试代码所需的所有工具，而工具链则包含编译器、汇编器和链接器。

常用的 STM32 IDE 包括：

- **STM32CubeIDE**：由 STMicroelectronics 提供的官方 IDE，免费且功能齐全。
- **Keil MDK-ARM**：商业 IDE，提供高级调试和分析功能。
- **IAR Embedded Workbench**：另一个商业 IDE，以其可靠性和易用性而闻名。

STM32 工具链通常包含在 IDE 中，但也可以单独下载。常用的工具链包括：

- **ARM Compiler**：ARM 官方编译器，提供高性能和优化。
- **GNU Compiler Collection (GCC)**：免费且开源的编译器，广泛用于嵌入式系统开发。

#### 3.1.2 调试和仿真

调试和仿真对于 STM32 微控制器编程至关重要。调试器允许开发人员在代码执行时检查寄存器、内存和变量的值。仿真器提供了一种在实际硬件上运行代码而不必烧录到设备上的方法。

常用的 STM32 调试器和仿真器包括：

- **ST-LINK/V2**：STMicroelectronics 提供的官方调试器和仿真器，价格实惠且易于使用。
- **J-Link**：由 SEGGER 提供的商业调试器和仿真器，提供高级功能和支持多种设备。
- **ULINKpro**：由 Keil 提供的商业调试器和仿真器，与 MDK-ARM IDE 紧密集成。

### 3.2 STM32 的编程语言

#### 3.2.1 C 语言

C 语言是 STM32 微控制器编程中最常用的语言。它是一种高级语言，提供对硬件的低级访问。C 语言代码易于理解和维护，并且具有丰富的库和资源。

// 闪烁 LED 的 C 语言代码示例

#include "stm32f10x.h"

int main() {
  // 初始化 GPIOB 时钟
  RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN;

  // 配置 PB0 为输出引脚
  GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE0;
  GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE0_0;

  while (1) {
    // 将 PB0 输出为高电平，点亮 LED
    GPIOB->BSRR = GPIO_BSRR_BS0;

    // 延时 500ms
    for (int i = 0; i < 500000; i++) {}

    // 将 PB0 输出为低电平，熄灭 LED
    GPIOB->BSRR = GPIO_BSRR_BR0;

    // 延时 500ms
    for (int i = 0; i < 500000; i++) {}
  }
}

**代码逻辑分析：**

- 初始化 GPIOB 时钟以启用 PB0 引脚。
- 配置 PB0 为输出引脚。
- 进入一个无限循环，在循环中：
- 将 PB0 输出为高电平，点亮 LED。
- 延时 500ms。
- 将 PB0 输出为低电平，熄灭 LED。
- 延时 500ms。

#### 3.2.2 汇编语言

汇编语言是一种低级语言，直接操作处理器的指令集。它提供了对硬件的更精细控制，但代码更难理解和维护。汇编语言通常用于编写底层驱动程序和中断服务例程。

; 闪烁 LED 的汇编语言代码示例

.equ LED_PIN, 0
.equ GPIOB_BASE, 0x40010C00

.text
.global main
main:
  ; 初始化 GPIOB 时钟
  ldr r0, =0x40021018
  ldr r1, [r0]
  orr r1, r1, #0x08
  str r1, [r0]

  ; 配置 PB0 为输出引脚
  ldr r0, =GPIOB_BASE
  ldr r1, [r0, #0x04]
  bic r1, r1, #0x03
  str r1, [r0, #0x04]

1:
  ; 将 PB0 输出为高电平，点亮 LED
  ldr r0, =GPIOB_BASE
  ldr r1, [r0, #0x18]
  orr r1, r1, #LED_PIN
  str r1, [r0, #0x18]

  ; 延时 500ms
  ldr r0, =0x00100000
2:
  subs r0, r0, #1
  bne 2b

  ; 将 PB0 输出为低电平，熄灭 LED
  ldr r0, =GPIOB_BASE
  ldr r1, [r0, #0x18]
  bic r1, r1, #LED_PIN
  str r1, [r0, #0x18]

  ; 延时 500ms
  ldr r0, =0x00100000
3:
  subs r0, r0, #1
  bne 3b

  b 1b

**代码逻辑分析：**

- 初始化 GPIOB 时钟以启用 PB0 引脚。
- 配置 PB0 为输出引脚。
- 进入一个无限循环，在循环中：
- 将 PB0 输出为高电平，点亮 LED。
- 延时 500ms。
- 将 PB0 输出为低电平，熄灭 LED。
- 延时 500ms。

# 4. STM32 微控制器应用

### 4.1 STM32 在嵌入式系统中的应用

STM32 微控制器广泛应用于各种嵌入式系统中，其中包括：

- **物联网设备：**STM32 微控制器具有低功耗、高性能和广泛的连接选项，使其成为物联网设备的理想选择。它们可用于构建传感器节点、网关和边缘设备。
- **工业自动化：**STM32 微控制器在工业自动化系统中扮演着至关重要的角色。它们可用于控制电机、传感器和执行器，实现复杂的自动化任务。

### 4.2 STM32 的实际项目示例

为了进一步了解 STM32 微控制器的实际应用，让我们探讨两个示例项目：

#### 4.2.1 LED 闪烁

**目标：**使用 STM32 微控制器控制 LED 闪烁。

**步骤：**

1. **配置 GPIO 引脚：**将 STM32 微控制器的 GPIO 引脚配置为输出模式。
2. **编写代码：**编写代码循环开关 GPIO 引脚，以控制 LED 的闪烁。

// 设置 GPIO 引脚为输出模式
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);

// 循环开关 GPIO 引脚
while (1) {
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
  HAL_Delay(500);
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
  HAL_Delay(500);
}

**代码逻辑：**

- 初始化 GPIO 引脚为输出模式。
- 进入无限循环，交替设置和复位 GPIO 引脚，从而控制 LED 的闪烁。
- `HAL_Delay()` 函数用于设置延时，控制闪烁频率。

#### 4.2.2 ADC 数据采集

**目标：**使用 STM32 微控制器采集模拟数据。

**步骤：**

1. **配置 ADC：**初始化 ADC 外设，设置采样率和分辨率。
2. **读取 ADC 值：**使用 `HAL_ADC_Start()` 和 `HAL_ADC_GetValue()` 函数读取 ADC 值。

// 初始化 ADC
ADC_HandleTypeDef ADC_Handle;
ADC_ChannelConfTypeDef ADC_Channel;
ADC_Handle.Instance = ADC1;
ADC_Channel.Channel = ADC_CHANNEL_0;
ADC_Channel.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
ADC_Channel.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;
HAL_ADC_Init(&ADC_Handle);
HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Channel);

// 读取 ADC 值
uint16_t ADC_Value;
while (1) {
  HAL_ADC_Start(&ADC_Handle);
  HAL_ADC_PollForConversion(&ADC_Handle, HAL_MAX_DELAY);
  ADC_Value = HAL_ADC_GetValue(&ADC_Handle);
}

**代码逻辑：**

- 初始化 ADC 外设和 ADC 通道。
- 进入无限循环，启动 ADC 转换并轮询转换完成。
- `HAL_ADC_GetValue()` 函数用于获取转换后的 ADC 值。

**Mermaid 流程图：**

sequenceDiagram
participant User
participant STM32

User->STM32: Initialize ADC
STM32->User: ADC initialized
User->STM32: Start ADC conversion
STM32->User: Conversion started
User->STM32: Poll for conversion completion
STM32->User: Conversion completed
User->STM32: Get ADC value
STM32->User: ADC value retrieved

**流程图说明：**

该流程图描述了 STM32 微控制器 ADC 数据采集过程的步骤：

1. 用户初始化 ADC 外设。
2. STM32 初始化 ADC 并配置通道。
3. 用户启动 ADC 转换。
4. STM32 开始转换。
5. 用户轮询转换完成。
6. STM32 完成转换。
7. 用户获取转换后的 ADC 值。

# 5.1 STM32 的实时操作系统

### 5.1.1 FreeRTOS

FreeRTOS 是一个开源且免费的实时操作系统 (RTOS)，专为嵌入式系统设计。它具有以下特点：

- **轻量级：** 内核仅需几 KB 的 RAM，非常适合资源受限的系统。
- **可移植性：** 可移植到各种微控制器和处理器架构上。
- **实时性：** 提供确定性的响应时间，确保关键任务在指定的时间内执行。
- **任务管理：** 支持优先级驱动的任务调度，允许用户定义任务的优先级和执行顺序。
- **同步机制：** 提供互斥锁、信号量和队列等同步机制，以协调并发任务之间的访问。

### 5.1.2 嵌入式 Linux

嵌入式 Linux 是 Linux 操作系统的精简版本，专为嵌入式系统设计。它具有以下特点：

- **功能丰富：** 提供广泛的库和工具，支持多种文件系统、网络协议和外围设备。
- **可扩展性：** 可以根据系统的需要进行定制和扩展。
- **社区支持：** 拥有庞大的社区和广泛的文档，提供支持和资源。
- **实时性：** 通过使用实时内核或补丁，可以实现实时性能。
- **安全性：** 提供安全功能，例如用户权限管理和内存保护。