STM32单片机外设全解析：从GPIO到DMA，一网打尽

# 1. STM32单片机外设概述**

STM32单片机外设是其功能强大的组成部分，提供各种特性，增强了单片机的功能。外设可以分为通用外设、通信外设和高级外设。

通用外设包括GPIO、定时器和看门狗定时器，用于基本的输入/输出、时间测量和系统复位。通信外设，如串口、I2C和SPI，用于与外部设备进行数据传输。高级外设，如DMA、ADC和DAC，提供高级功能，如数据传输优化、模拟信号转换和数字信号生成。

了解STM32单片机外设对于充分利用其功能至关重要。本指南将深入探讨每个外设，包括其功能、配置和应用，帮助开发人员充分发挥STM32单片机的潜力。

# 2. 通用外设**

**2.1 通用输入/输出（GPIO）**

**2.1.1 GPIO引脚配置**

GPIO引脚配置是控制GPIO引脚电气特性的关键步骤。STM32单片机提供了丰富的GPIO配置选项，包括引脚模式、输出类型、上拉/下拉电阻等。

**代码块：**

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

**逻辑分析：**

* `GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;`：定义GPIO初始化结构体变量。
* `GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_5;`：设置要配置的引脚为GPIOA的第5个引脚。
* `GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;`：设置引脚模式为推挽输出模式。
* `GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_PULLUP;`：设置引脚的上拉电阻。
* `GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FAST;`：设置引脚的速度为快速。
* `HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);`：使用HAL库初始化GPIO引脚。

**2.1.2 GPIO中断处理**

GPIO中断处理允许STM32单片机在GPIO引脚发生特定事件（如电平变化）时执行特定的操作。STM32单片机支持多种GPIO中断类型，包括外部中断、上升沿中断、下降沿中断等。

**代码块：**

// 配置GPIOA的第5个引脚为外部中断
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
EXTI_InitStructure.Line = EXTI_LINE5;
EXTI_InitStructure.Mode = EXTI_MODE_INTERRUPT;
EXTI_InitStructure.Trigger = EXTI_TRIGGER_RISING;
EXTI_InitStructure.GPIOSel = EXTI_GPIO_PortA;
HAL_EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

// 注册GPIOA的第5个引脚中断回调函数
HAL_EXTI_Callback(EXTI_LINE5, EXTI_Callback);

**逻辑分析：**

* `EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;`：定义外部中断初始化结构体变量。
* `EXTI_InitStructure.Line = EXTI_LINE5;`：设置要配置的中断线为EXTI_LINE5（对应GPIOA的第5个引脚）。
* `EXTI_InitStructure.Mode = EXTI_MODE_INTERRUPT;`：设置中断模式为中断模式。
* `EXTI_InitStructure.Trigger = EXTI_TRIGGER_RISING;`：设置中断触发类型为上升沿触发。
* `EXTI_InitStructure.GPIOSel = EXTI_GPIO_PortA;`：设置中断引脚为GPIOA。
* `HAL_EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);`：使用HAL库初始化外部中断。
* `HAL_EXTI_Callback(EXTI_LINE5, EXTI_Callback);`：注册中断回调函数，当EXTI_LINE5发生中断时，将调用EXTI_Callback函数。

**2.2 定时器**

**2.2.1 定时器基本原理**

定时器是STM32单片机中用于生成精确时间间隔或脉冲的通用外设。STM32单片机提供了多种定时器类型，包括通用定时器、基本定时器、高级定时器等。定时器可以用于各种应用，如延时、PWM生成、捕获/比较等。

**2.2.2 定时器模式和应用**

STM32单片机定时器支持多种工作模式，包括计数模式、捕获模式、比较模式等。不同的模式可以满足不同的应用需求。

**表格：STM32单片机定时器模式**

| 模式 | 描述 | 应用 |
|---|---|---|
| 计数模式 | 定时器递增或递减计数 | 延时、频率测量 |
| 捕获模式 | 捕获外部事件的发生时间 | 测量脉冲宽度、相位差 |
| 比较模式 | 当计数器达到指定值时产生中断 | PWM生成、脉冲调制 |

**代码块：**

// 配置TIM2为计数模式
TIM_HandleTypeDef htim2;
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 8400 - 1; // 分频系数为8400
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 计数模式为向上计数
htim2.Init.Period = 1000 - 1; // 计数周期为1000
HAL_TIM_Base_Init(&htim2);

// 启动TIM2
HAL_TIM_Base_Start(&htim2);

**逻辑分析：**

* `TIM_HandleTypeDef htim2;`：定义TIM2定时器句柄变量。
* `htim2.Instance = TIM2;`：设置定时器实例为TIM2。
* `htim2.Init.Prescaler = 8400 - 1;`：设置定时器分频系数为8400。
* `htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;`：设置定时器计数模式为向上计数。
* `htim2.Init.Period = 1000 - 1;`：设置定时器计数周期为1000。
* `HAL_TIM_Base_Init(&htim2);`：使用HAL库初始化TIM2定时器。
* `HAL_TIM_Base_Start(&htim2);`：启动TIM2定时器。

# 3. 通信外设**

通信外设是STM32单片机中不可或缺的一部分，它们负责与外部设备进行数据交换。本章节将介绍STM32单片机中的三种主要通信外设：串口通信、I2C总线和SPI总线。

**3.1 串口通信**

串口通信是一种异步通信协议，它使用一对数据线（TXD和RXD）进行单向数据传输。串口通信具有以下特点：

- **简单易用：**串口通信的硬件和软件实现都非常简单。
- **低成本：**串口通信需要的硬件成本很低。
- **广泛应用：**串口通信广泛应用于各种嵌入式系统中，如调试、数据传输和设备控制。

**3.1.1 串口通信原理**

串口通信的基本原理是通过发送和接收串行数据位来实现数据传输。每个数据位由一个起始位、数据位、奇偶校验位和一个停止位组成。

- **起始位：**一个低电平信号，表示数据传输的开始。
- **数据位：**传输的数据信息，通常为8位或16位。
- **奇偶校验位：**用于检测数据传输中的错误，可以是奇校验或偶校验。
- **停止位：**一个高电平信号，表示数据传输的结束。

**3.1.2 STM32串口配置和使用**

STM32单片机提供了多个串口外设，可以通过寄存器配置和操作来实现串口通信。串口配置主要包括以下步骤：

1. **使能串口时钟：**在RCC寄存器中使能串口时钟。
2. **配置串口引脚：**将GPIO引脚配置为串口功能，通常使用GPIOx_AFRx寄存器。
3. **设置串口波特率：**通过串口外设的波特率寄存器（BRR）设置波特率。
4. **配置数据格式：**通过串口外设的数据格式寄存器（CR1）设置数据位、奇偶校验和停止位。
5. **使能串口：**通过串口外设的控制寄存器（CR1）使能串口。

以下代码示例展示了如何配置STM32单片机的串口USART1：

// 使能串口1时钟
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;

// 配置串口1引脚
GPIOA->AFR[1] |= GPIO_AFRH_AF7_USART1;

// 设置串口1波特率为9600
USART1->BRR = 0x341;

// 配置串口1数据格式为8位、无奇偶校验、1个停止位
USART1->CR1 = USART_CR1_TE | USART_CR1_RE | USART_CR1_8M;

// 使能串口1
USART1->CR1 |= USART_CR1_UE;

**3.2 I2C总线**

I2C总线是一种串行通信协议，它使用两条数据线（SDA和SCL）进行双向数据传输。I2C总线具有以下特点：

- **多主从模式：**I2C总线支持多个主设备和多个从设备同时连接。
- **地址寻址：**每个从设备都有一个唯一的地址，主设备可以通过地址寻址特定的从设备。
- **数据传输速率低：**I2C总线的数据传输速率通常较低，一般在100kbps以内。

**3.2.1 I2C总线原理**

I2C总线的数据传输过程由主设备发起，主设备通过发送起始信号开始数据传输，然后发送从设备地址和读/写命令。从设备收到地址和命令后，如果地址匹配，则会响应主设备的请求，并进行数据传输。

**3.2.2 STM32 I2C配置和使用**

STM32单片机提供了多个I2C外设，可以通过寄存器配置和操作来实现I2C通信。I2C配置主要包括以下步骤：

1. **使能I2C时钟：**在RCC寄存器中使能I2C时钟。
2. **配置I2C引脚：**将GPIO引脚配置为I2C功能，通常使用GPIOx_AFRx寄存器。
3. **设置I2C波特率：**通过I2C外设的波特率寄存器（CCR）设置波特率。
4. **配置I2C模式：**通过I2C外设的控制寄存器（CR1）配置I2C模式，如主模式或从模式。
5. **使能I2C：**通过I2C外设的控制寄存器（CR1）使能I2C。

以下代码示例展示了如何配置STM32单片机的I2C外设I2C1为从模式：

// 使能I2C1时钟
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_I2C1EN;

// 配置I2C1引脚
GPIOB->AFR[1] |= GPIO_AFRH_AF4_I2C1;

// 设置I2C1波特率为100kbps
I2C1->CCR = 0x28;

// 配置I2C1为从模式
I2C1->CR1 = I2C_CR1_PE;

// 设置从设备地址为0x5A
I2C1->OAR1 = 0x5A;

// 使能I2C1
I2C1->CR1 |= I2C_CR1_PE;

**3.3 SPI总线**

SPI总线是一种高速同步通信协议，它使用四条数据线（SCK、MOSI、MISO和SS）进行全双工数据传输。SPI总线具有以下特点：

- **高速数据传输：**SPI总线的数据传输速率可以达到数十MHz。
- **主从模式：**SPI总线支持单主多从模式，一个主设备可以连接多个从设备。
- **数据格式灵活：**SPI总线支持多种数据格式，如8位、16位和32位。

**3.3.1 SPI总线原理**

SPI总线的数据传输过程由主设备发起，主设备通过发送时钟信号（SCK）同步数据传输。主设备通过MOSI线发送数据，从设备通过MISO线接收数据。SS线用于片选从设备，只有被片选的从设备才能参与数据传输。

**3.3.2 STM32 SPI配置和使用**

STM32单片机提供了多个SPI外设，可以通过寄存器配置和操作来实现SPI通信。SPI配置主要包括以下步骤：

1. **使能SPI时钟：**在RCC寄存器中使能SPI时钟。
2. **配置SPI引脚：**将GPIO引脚配置为SPI功能，通常使用GPIOx_AFRx寄存器。
3. **设置SPI波特率：**通过SPI外设的波特率寄存器（BR）设置波特率。
4. **配置SPI模式：**通过SPI外设的控制寄存器（CR1）配置SPI模式，如主模式或从模式。
5. **使能SPI：**通过SPI外设的控制寄存器（CR1）使能SPI。

以下代码示例展示了如何配置STM32单片机的SPI外设SPI1为主模式：

// 使能SPI1时钟
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SPI1EN;

// 配置SPI1引脚
GPIOA->AFR[0] |= GPIO_AFRL_AF5_SPI1;

// 设置SPI1波特率为1MHz
SPI1->CR1 = SPI_CR1_BR_2;

// 配置SPI1为主模式
SPI1->CR1 |= SPI_CR1_MSTR;

// 使能SPI1
SPI1->CR1 |= SPI_CR1_SPE;

# 4. 高级外设**

**4.1 直接存储器访问（DMA）**

**4.1.1 DMA基本原理**

DMA（Direct Memory Access）是一种硬件机制，允许外设直接访问系统内存，而无需CPU的干预。这可以显著提高数据传输速度，特别是对于大数据量传输的情况。

DMA控制器负责管理数据传输，它从外设接收数据请求，并根据预先配置的传输参数，将数据从外设缓冲区传输到内存或从内存传输到外设缓冲区。

**4.1.2 STM32 DMA配置和使用**

STM32单片机提供了多个DMA控制器，每个控制器可以管理多个DMA通道。DMA通道可以配置为传输各种类型的数据，包括字节、半字和字。

配置DMA通道需要以下步骤：

1. **选择DMA控制器和通道：**确定要使用的DMA控制器和通道。
2. **配置DMA源和目标地址：**指定数据源地址（外设缓冲区）和目标地址（内存地址）。
3. **设置传输数据量：**指定要传输的数据量。
4. **设置传输模式：**选择数据传输模式，例如单次传输、循环传输或乒乓传输。
5. **启用DMA通道：**启动DMA传输。

**代码示例：**

#include "stm32f10x.h"

int main() {
  // 初始化DMA控制器和通道
  RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);
  DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
  DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_1;
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&USART1->DR;
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)data;
  DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralToMemory;
  DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 100;
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;
  DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;
  DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
  DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
  DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure);

  // 启用DMA通道
  DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);

  // 启动数据传输
  USART_DMACmd(USART1, USART_DMAReq_Tx, ENABLE);

  return 0;
}

**逻辑分析：**

这段代码配置DMA通道1，将USART1外设缓冲区中的数据传输到内存地址data中。DMA控制器将自动处理数据传输，无需CPU干预。

**参数说明：**

* `DMA_Channel_1`：选择DMA通道1。
* `(uint32_t)&USART1->DR`：USART1外设缓冲区地址。
* `(uint32_t)data`：内存地址。
* `DMA_DIR_PeripheralToMemory`：数据传输方向为从外设到内存。
* `100`：传输数据量为100字节。
* `DMA_PeripheralInc_Disable`：外设缓冲区地址不递增。
* `DMA_MemoryInc_Enable`：内存地址递增。
* `DMA_PeripheralDataSize_Byte`：外设缓冲区数据大小为字节。
* `DMA_MemoryDataSize_Byte`：内存数据大小为字节。
* `DMA_Mode_Normal`：正常传输模式。
* `DMA_Priority_High`：高优先级。
* `DMA_M2M_Disable`：非内存到内存传输。

# 5. 外设应用实例

### 5.1 GPIO控制LED闪烁

**目的：**使用GPIO控制LED闪烁，实现简单的输出功能。

**步骤：**

1. **配置GPIO引脚：**
- 使用 `RCC_AHB1PeriphClockCmd` 函数使能GPIO时钟。
- 使用 `GPIO_InitTypeDef` 结构体配置GPIO引脚。
- 调用 `GPIO_Init` 函数初始化GPIO引脚。

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

2. **控制LED闪烁：**
- 使用 `GPIO_SetBits` 和 `GPIO_ResetBits` 函数控制GPIO引脚输出高电平或低电平。
- 使用 `HAL_Delay` 函数延时一段时间。

while (1) {
  GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
  HAL_Delay(500);
  GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
  HAL_Delay(500);
}

### 5.2 定时器生成PWM波形

**目的：**使用定时器生成PWM波形，实现LED亮度调节。

**步骤：**

1. **配置定时器：**
- 使用 `RCC_APB1PeriphClockCmd` 函数使能定时器时钟。
- 使用 `TIM_TimeBaseInitTypeDef` 结构体配置定时器基本参数。
- 调用 `TIM_TimeBaseInit` 函数初始化定时器。

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 72 - 1;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 1000 - 1;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStruct);

2. **配置PWM输出：**
- 使用 `TIM_OCInitTypeDef` 结构体配置PWM输出通道。
- 调用 `TIM_OCInit` 函数初始化PWM输出通道。

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;
TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = 500;
TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStruct);

3. **启动定时器：**
- 调用 `TIM_Cmd` 函数启动定时器。

TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

### 5.3 串口通信发送和接收数据

**目的：**使用串口进行通信，实现数据的发送和接收。

**步骤：**

1. **配置串口：**
- 使用 `RCC_APB1PeriphClockCmd` 函数使能串口时钟。
- 使用 `USART_InitTypeDef` 结构体配置串口参数。
- 调用 `USART_Init` 函数初始化串口。

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2, ENABLE);

USART_InitTypeDef USART_InitStruct;
USART_InitStruct.USART_BaudRate = 9600;
USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;
USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
USART_Init(USART2, &USART_InitStruct);

2. **发送数据：**
- 使用 `USART_SendData` 函数发送数据。

USART_SendData(USART2, 'A');

3. **接收数据：**
- 使用 `USART_ReceiveData` 函数接收数据。

uint8_t data = USART_ReceiveData(USART2);