STM32单片机基础知识：从零打造嵌入式系统，掌握核心原理

# 1. STM32单片机的基础架构和原理

STM32单片机是一种基于ARM Cortex-M内核的微控制器，广泛应用于嵌入式系统中。其内部架构包括：

- **处理器内核：**STM32单片机采用ARM Cortex-M内核，具有高性能、低功耗的特点。
- **存储器：**包括闪存（用于存储程序代码）、RAM（用于存储数据）和EEPROM（用于存储非易失性数据）。
- **外设：**包括GPIO、定时器、中断控制器、串口通信接口等，用于与外部设备交互。
- **总线：**包括AHB、APB1和APB2总线，用于连接处理器内核和外设。

# 2. STM32单片机编程语言和开发环境

### 2.1 C语言基础和STM32开发环境介绍

#### C语言基础

C语言是一种结构化编程语言，广泛应用于嵌入式系统开发。其特点包括：

- **结构化语法：**C语言采用分块结构，代码易于理解和维护。
- **低级控制：**C语言提供对底层硬件的直接访问，适合嵌入式系统开发。
- **可移植性：**C语言代码可在多种平台上编译和运行，提高了代码重用性。

#### STM32开发环境介绍

STM32CubeIDE是STM32单片机官方推荐的集成开发环境（IDE），它提供了以下功能：

- **代码编辑器：**支持语法高亮、自动补全等功能，提高编码效率。
- **调试器：**可对程序进行单步调试、断点设置等操作，方便代码调试。
- **外设配置工具：**提供图形化界面，简化外设配置和代码生成。
- **代码生成器：**根据外设配置自动生成初始化代码，减少编码工作量。

### 2.2 STM32单片机寄存器和外设编程

#### 寄存器编程

STM32单片机通过寄存器与外设进行交互。寄存器是存储器中的特定地址，用于控制外设的配置和数据传输。寄存器编程涉及以下步骤：

- **确定外设寄存器地址：**参考STM32参考手册，确定要访问的外设寄存器地址。
- **编写寄存器访问代码：**使用指针或结构体访问寄存器，并对寄存器位进行读写操作。

#### 外设编程

STM32单片机集成了丰富的外设，如GPIO、UART、SPI等。外设编程涉及以下步骤：

- **配置外设：**根据应用需求，配置外设的时钟、引脚复用、工作模式等参数。
- **初始化外设：**调用外设库函数或编写寄存器操作代码，初始化外设并使其进入工作状态。
- **数据传输：**通过外设寄存器进行数据读写，实现与外部设备的通信。

### 2.3 STM32单片机中断和定时器编程

#### 中断编程

中断是一种硬件机制，当特定事件发生时，会暂停当前程序执行并跳转到中断服务程序（ISR）。中断编程涉及以下步骤：

- **配置中断：**启用中断并设置中断优先级。
- **编写中断服务程序：**编写代码响应中断事件，处理相关任务。
- **中断返回：**在中断服务程序中，执行中断返回指令，恢复程序执行。

#### 定时器编程

定时器是用于产生定时脉冲或计数时间的硬件外设。定时器编程涉及以下步骤：

- **配置定时器：**设置定时器时钟源、计数模式、时钟分频等参数。
- **启动定时器：**使能定时器并开始计数。
- **中断处理：**当定时器计数达到设定值时，产生中断，触发中断服务程序。

# 3. UART、SPI、I2C等外设接口简介

**GPIO（通用输入/输出端口）**

GPIO是STM32单片机上最基本的I/O接口，它允许用户配置每个引脚为输入或输出模式，并控制其电平状态。GPIO引脚可以用于连接外部设备，如LED、按钮、传感器等。

**UART（通用异步收发器/发送器）**

UART是一种串行通信接口，用于在两个设备之间传输数据。它使用一对数据线（TX和RX）和一对控制线（RTS和CTS）来实现异步通信。UART接口常用于与PC、调试器或其他外部设备通信。

**SPI（串行外设接口）**

SPI是一种高速同步串行通信接口，用于在主设备和多个从设备之间传输数据。它使用四根信号线（SCK、MOSI、MISO、SS）来实现全双工通信。SPI接口常用于连接显示器、存储器、传感器等外设。

**I2C（两线式接口）**

I2C是一种低速同步串行通信接口，用于在多个设备之间传输数据。它仅使用两根信号线（SCL和SDA）来实现半双工通信。I2C接口常用于连接EEPROM、RTC、传感器等低速外设。

### 3.2 外设接口的配置和使用实例

**GPIO配置**

// 配置GPIOA的第5个引脚为输出模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

**UART配置**

// 配置UART1，波特率为9600bps，8位数据位，无校验位，1个停止位
UART_HandleTypeDef huart1;
huart1.Instance = USART1;
huart1.Init.BaudRate = 9600;
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
HAL_UART_Init(&huart1);

**SPI配置**

// 配置SPI1，主模式，时钟极性为低，时钟相位为1，8位数据位
SPI_HandleTypeDef hspi1;
hspi1.Instance = SPI1;
hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
HAL_SPI_Init(&hspi1);

**I2C配置**

// 配置I2C1，从模式，地址为0x20
I2C_HandleTypeDef hi2c1;
hi2c1.Instance = I2C1;
hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0x20;
hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
HAL_I2C_Init(&hi2c1);

### 3.3 外设接口在实际项目中的应用

**GPIO应用**

* 控制LED灯的亮灭
* 读取按钮的状态
* 检测传感器信号

**UART应用**

* 与PC或调试器通信
* 发送或接收串口数据
* 实现远程控制

**SPI应用**

* 与显示器通信
* 读取或写入EEPROM数据
* 连接传感器或其他外设

**I2C应用**

* 与RTC通信
* 读取或写入EEPROM数据
* 连接传感器或其他低速外设

# 4. STM32单片机实时操作系统

### 4.1 实时操作系统的概念和特点

实时操作系统（RTOS）是一种专门设计用于嵌入式系统中的操作系统，它能够保证系统在可预测的时间内对事件做出响应。与通用操作系统不同，RTOS 具有以下特点：

- **确定性：**RTOS 可以保证在特定时间内对事件做出响应，从而确保系统行为的可预测性。
- **低延迟：**RTOS 的调度算法经过优化，可以最大限度地减少任务之间的延迟。
- **资源管理：**RTOS 提供了高效的资源管理机制，包括任务调度、内存管理和外设管理。
- **多任务：**RTOS 允许同时执行多个任务，提高了系统的并发性和吞吐量。

### 4.2 FreeRTOS、μC/OS-II等实时操作系统简介

目前，有多种 RTOS 可用于 STM32 单片机，其中最流行的有：

- **FreeRTOS：**一款开源、轻量级的 RTOS，具有丰富的功能和广泛的社区支持。
- **μC/OS-II：**一款商业 RTOS，具有可靠性和高性能，广泛应用于工业控制和医疗设备中。

**FreeRTOS**

FreeRTOS 是一款免费且开源的 RTOS，具有以下特点：

- **轻量级：**内核大小仅为几 KB，适合资源受限的嵌入式系统。
- **可移植性：**支持多种处理器架构和开发环境。
- **丰富的功能：**提供任务调度、同步机制、内存管理和外设驱动等功能。

**μC/OS-II**

μC/OS-II 是一款商业 RTOS，具有以下特点：

- **可靠性：**经过严格测试和验证，具有很高的可靠性。
- **高性能：**采用抢占式调度算法，可实现低延迟和高吞吐量。
- **丰富的功能：**提供任务管理、内存管理、事件标志、消息队列等功能。

### 4.3 实时操作系统在STM32单片机中的应用

RTOS 在 STM32 单片机中有着广泛的应用，包括：

- **多任务管理：**允许同时执行多个任务，提高系统的并发性和响应能力。
- **实时控制：**保证系统在可预测的时间内对事件做出响应，适合于工业控制、医疗设备等应用。
- **资源管理：**提供高效的资源管理机制，优化系统资源利用率。
- **网络通信：**支持网络协议栈，方便 STM32 单片机与其他设备进行通信。
- **图形用户界面（GUI）：**提供图形库和事件处理机制，支持在 STM32 单片机上开发 GUI 应用。

**示例：FreeRTOS 在 STM32 单片机上的应用**

以下代码示例展示了如何在 STM32 单片机上使用 FreeRTOS 创建一个简单的任务：

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

void task1(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 执行任务 1 的代码
        vTaskDelay(1000); // 延迟 1000 毫秒
    }
}

void task2(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 执行任务 2 的代码
        vTaskDelay(500); // 延迟 500 毫秒
    }
}

int main(void) {
    // 创建任务 1
    xTaskCreate(task1, "Task 1", 128, NULL, 1, NULL);

    // 创建任务 2
    xTaskCreate(task2, "Task 2", 128, NULL, 2, NULL);

    // 启动调度器
    vTaskStartScheduler();

    return 0;
}

**代码逻辑分析：**

- 任务 1 每 1000 毫秒执行一次，任务 2 每 500 毫秒执行一次。
- `xTaskCreate()` 函数用于创建任务，其参数包括任务函数、任务名称、堆栈大小、任务参数和优先级。
- `vTaskDelay()` 函数用于延迟任务的执行，其参数为延迟时间（以毫秒为单位）。
- `vTaskStartScheduler()` 函数用于启动调度器，调度器负责管理任务的执行。

# 5.1 嵌入式系统架构和设计

### 嵌入式系统架构

嵌入式系统通常采用分层架构，每一层负责特定的功能，相互协作完成整个系统的任务。典型的嵌入式系统架构包括以下层级：

- **硬件层：**包括处理器、存储器、外设接口等物理组件，负责数据的处理、存储和交互。
- **操作系统层：**管理硬件资源，提供任务调度、内存管理、进程通信等基本服务。
- **中间件层：**提供操作系统和应用程序之间的桥梁，提供各种服务，如文件系统、网络通信、设备驱动等。
- **应用程序层：**由用户开发的特定功能代码，实现系统所需的功能。

### 嵌入式系统设计

嵌入式系统设计是一个复杂的过程，需要考虑以下关键因素：

- **功能要求：**明确系统需要实现的功能，包括性能、可靠性、功耗等指标。
- **硬件选择：**根据功能要求选择合适的处理器、存储器和外设，考虑成本、性能、功耗等因素。
- **操作系统选择：**选择满足系统需求的操作系统，考虑实时性、资源占用、功能特性等。
- **软件设计：**按照嵌入式系统架构进行软件设计，遵循模块化、可重用性、可维护性原则。
- **测试和调试：**进行严格的测试和调试，确保系统满足功能要求，稳定可靠。

### 嵌入式系统设计工具

嵌入式系统设计可以使用各种工具辅助，包括：

- **集成开发环境（IDE）：**提供代码编辑、编译、调试等功能，简化软件开发过程。
- **仿真器和调试器：**用于代码调试和系统性能分析，帮助快速定位和解决问题。
- **实时操作系统（RTOS）开发工具：**提供任务调度、内存管理等功能，简化嵌入式系统开发。
- **硬件抽象层（HAL）：**提供对硬件的统一访问接口，简化外设编程，提高代码可移植性。

# 6.1 STM32单片机网络通信

### 6.1.1 以太网通信

以太网是STM32单片机常用的网络通信方式，它支持TCP/IP协议栈，可以实现与其他设备的网络连接和数据传输。STM32单片机内置以太网控制器，可以通过外接以太网PHY芯片实现以太网通信。

**以太网通信步骤：**

1. 初始化以太网控制器和PHY芯片。
2. 配置IP地址、子网掩码和网关。
3. 创建套接字，用于与其他设备建立连接。
4. 发送和接收数据。

### 6.1.2 Wi-Fi通信

Wi-Fi是一种无线网络通信技术，它可以通过Wi-Fi模块与其他设备建立无线连接。STM32单片机可以通过外接Wi-Fi模块实现Wi-Fi通信。

**Wi-Fi通信步骤：**

1. 初始化Wi-Fi模块。
2. 连接到Wi-Fi网络。
3. 创建套接字，用于与其他设备建立连接。
4. 发送和接收数据。

### 6.1.3 蓝牙通信

蓝牙是一种短距离无线通信技术，它可以用于数据传输和设备连接。STM32单片机可以通过外接蓝牙模块实现蓝牙通信。

**蓝牙通信步骤：**

1. 初始化蓝牙模块。
2. 扫描附近的蓝牙设备。
3. 与其他蓝牙设备建立连接。
4. 发送和接收数据。

### 6.1.4 网络通信应用

STM32单片机网络通信在实际项目中有着广泛的应用，例如：

* 物联网设备的数据传输
* 远程控制和监控
* 无线传感器网络
* 工业自动化和控制