揭秘STM32单片机架构：深入剖析内部结构，掌握工作原理

# 1. STM32单片机简介**

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）推出的32位微控制器系列，基于ARM Cortex-M内核。它具有高性能、低功耗和丰富的片上外设，广泛应用于工业控制、物联网、医疗电子等领域。

STM32单片机采用哈佛架构，具有独立的指令存储器和数据存储器，提高了指令执行效率。同时，其内部集成了丰富的片上外设，如定时器、串口、ADC等，无需外接电路即可实现各种功能。

STM32单片机支持多种开发环境，如Keil MDK、IAR Embedded Workbench等，提供丰富的软件库和开发工具，降低了开发难度，提高了开发效率。

# 2. STM32单片机内部结构

STM32单片机内部结构复杂，由处理器核心、存储器系统和外围设备组成。

### 2.1 处理器核心

处理器核心是单片机的中央处理单元，负责执行指令和处理数据。STM32单片机采用ARM Cortex-M系列处理器核心，具有高性能、低功耗的特点。

### 2.2 存储器系统

存储器系统负责存储程序和数据。STM32单片机采用哈佛结构，即程序存储器和数据存储器分开。

#### 2.2.1 Flash存储器

Flash存储器是一种非易失性存储器，用于存储程序代码。Flash存储器具有可擦除和可编程的特点，可以多次擦除和写入数据。

#### 2.2.2 SRAM存储器

SRAM存储器是一种易失性存储器，用于存储数据和变量。SRAM存储器具有速度快、功耗低的特点，但断电后数据会丢失。

### 2.3 外围设备

外围设备是单片机与外部世界交互的接口，包括定时器、串口、ADC等。

#### 2.3.1 定时器

定时器是一种用于生成精确时间间隔的设备。STM32单片机有多个定时器，可以用于生成脉冲、测量时间间隔和产生PWM信号。

#### 2.3.2 串口

串口是一种用于数据传输的设备。STM32单片机有多个串口，可以用于与其他设备进行通信。

#### 2.3.3 ADC

ADC是一种用于将模拟信号转换为数字信号的设备。STM32单片机有多个ADC，可以用于测量电压、电流和温度等模拟量。

**表格：STM32单片机外围设备一览**

| 外围设备 | 功能 |
|---|---|
| 定时器 | 生成时间间隔、测量时间间隔、产生PWM信号 |
| 串口 | 数据传输 |
| ADC | 模拟信号转数字信号 |
| GPIO | 通用输入输出 |
| I2C | 串行通信 |
| SPI | 串行通信 |
| DMA | 数据传输 |

**Mermaid流程图：STM32单片机内部结构**

graph LR
subgraph 处理器核心
    ARM Cortex-M
end
subgraph 存储器系统
    Flash存储器
    SRAM存储器
end
subgraph 外围设备
    定时器
    串口
    ADC
    GPIO
    I2C
    SPI
    DMA
end
处理器核心 --> 存储器系统
处理器核心 --> 外围设备

**代码块：STM32定时器初始化**

#include "stm32f10x.h"

void TIM2_Init(void)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 10000 - 1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;

    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

**代码逻辑分析：**

* RCC_APB1PeriphClockCmd()函数使能TIM2定时器的时钟。
* TIM_TimeBaseStructure结构体配置定时器的时基参数。
* TIM_TimeBaseInit()函数初始化定时器的时基。
* TIM_Cmd()函数使能定时器。

**参数说明：**

* TIM2：定时器2
* &TIM_TimeBaseStructure：时基参数结构体指针

# 3. STM32单片机工作原理

### 3.1 时钟系统

STM32单片机采用多时钟源设计，包括内部时钟源和外部时钟源。内部时钟源主要有高速内部时钟（HSI）、低速内部时钟（LSI）和实时时钟（RTC）。外部时钟源主要有外部晶振（HSE）和外部低速晶振（LSE）。

时钟系统的主要功能是为单片机各模块提供稳定的时钟信号，保证系统正常运行。时钟系统通过时钟控制寄存器（RCC）进行配置和控制。

### 3.2 复位机制

STM32单片机具有多种复位机制，包括上电复位、外部复位、软件复位和看门狗复位。

* **上电复位（POR）：**当单片机上电时，POR信号会将单片机复位。
* **外部复位（NRST）：**当外部复位引脚上出现低电平时，NRST信号会将单片机复位。
* **软件复位（SWRST）：**通过执行特定的指令，可以触发软件复位。
* **看门狗复位（WDR）：**当看门狗定时器溢出时，WDR信号会将单片机复位。

复位机制确保单片机在异常情况下能够恢复到已知状态，保证系统的稳定性。

### 3.3 中断系统

STM32单片机具有强大的中断系统，支持多达数十个中断源。中断系统可以将外部事件或内部事件通知给单片机，并触发相应的处理程序。

中断系统主要由中断控制器和中断向量表组成。中断控制器负责管理中断请求，并根据中断优先级决定中断处理顺序。中断向量表存储着中断处理程序的地址，当发生中断时，单片机会根据中断源跳到相应的中断处理程序。

### 3.4 DMA控制器

DMA（直接存储器访问）控制器是一种硬件外设，可以实现数据在存储器和外设之间的直接传输，无需CPU参与。DMA控制器通过DMA通道进行配置，每个DMA通道可以连接一个外设和一个存储器区域。

DMA控制器可以提高数据传输效率，减轻CPU负担。在需要频繁数据传输的应用中，使用DMA控制器可以显著提升系统性能。

#### DMA控制器工作原理

DMA控制器的工作原理如下：

1. 配置DMA通道，指定数据源、数据目标、传输长度和传输方向。
2. 启动DMA传输，DMA控制器会自动将数据从数据源传输到数据目标。
3. 当传输完成时，DMA控制器会触发DMA传输完成中断。

#### DMA控制器参数说明

DMA控制器的主要参数如下：

* **通道号：**DMA通道的编号，用于标识不同的DMA通道。
* **数据源：**数据传输的源地址。
* **数据目标：**数据传输的目标地址。
* **传输长度：**要传输的数据长度。
* **传输方向：**数据传输的方向，可以是存储器到外设或外设到存储器。

#### DMA控制器代码示例

以下代码示例演示了如何使用DMA控制器传输数据：

// 配置DMA通道
DMA_InitTypeDef DMA_InitStruct;
DMA_InitStruct.Channel = DMA_Channel_1;
DMA_InitStruct.Direction = DMA_DIR_MemoryToPeripheral;
DMA_InitStruct.PeriphInc = DMA_PINC_Enable;
DMA_InitStruct.MemInc = DMA_MINC_Enable;
DMA_InitStruct.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_Byte;
DMA_InitStruct.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_Byte;
DMA_InitStruct.Mode = DMA_MODE_Normal;
DMA_InitStruct.Priority = DMA_PRIORITY_High;
DMA_Init(&DMA_InitStruct);

// 启动DMA传输
DMA_Cmd(DMA_Channel_1, ENABLE);

// 等待DMA传输完成
while (!DMA_GetFlagStatus(DMA_FLAG_TC1));

// 清除DMA传输完成标志位
DMA_ClearFlag(DMA_FLAG_TC1);

# 4.1 C语言编程

### 4.1.1 数据类型

STM32单片机使用C语言进行编程，C语言提供了丰富的**数据类型**，用于表示不同类型的数据。常见的数据类型包括：

- **整型：**int、short、long，用于存储整数。
- **浮点型：**float、double，用于存储小数。
- **字符型：**char，用于存储单个字符。
- **字符串：**char[]，用于存储字符串。
- **布尔型：**bool，用于表示真或假。

### 4.1.2 运算符

C语言提供了各种**运算符**，用于对数据进行操作。常见运算符包括：

- **算术运算符：**+、-、*、/、%，用于进行加、减、乘、除、取余运算。
- **比较运算符：**==、!=、>、<、>=、<=，用于比较两个值的大小或相等性。
- **逻辑运算符：**&&、||、!，用于进行与、或、非逻辑运算。
- **位运算符：**&、|、^、<<、>>，用于进行位与、位或、位异或、左移、右移运算。

## 4.2 STM32库函数

STM32单片机提供了丰富的**库函数**，用于简化外设操作和编程。这些库函数由STMicroelectronics提供，包含了对STM32单片机外设的低级访问和控制。

### 4.2.1 外设初始化

外设初始化是使用STM32库函数的第一步。它涉及配置外设的寄存器，以使其处于所需的工作模式。例如，要初始化一个定时器，可以使用以下代码：

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 8400;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

**参数说明：**

- RCC_APB1PeriphClockCmd()：使能TIM2外设时钟。
- TIM_TimeBaseInitTypeDef：定时器基准初始化结构体。
- TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period：定时器周期，单位为ms。
- TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler：定时器预分频器，用于分频时钟源。
- TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision：定时器时钟分频器。
- TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode：定时器计数模式，这里设置为向上计数模式。
- TIM_TimeBaseInit()：初始化定时器基准。
- TIM_Cmd()：使能定时器。

### 4.2.2 外设操作

外设初始化后，可以使用STM32库函数对它们进行操作。例如，要设置定时器中断，可以使用以下代码：

TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

**参数说明：**

- TIM_ITConfig()：配置定时器中断。
- TIM_IT_Update：定时器更新中断。
- ENABLE：使能中断。
- NVIC_InitTypeDef：NVIC初始化结构体。
- NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel：中断通道号。
- NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority：中断抢占优先级。
- NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority：中断子优先级。
- NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd：中断使能。
- NVIC_Init()：初始化NVIC。

# 5. STM32单片机应用实例

本章节将通过几个实际应用实例，展示STM32单片机的应用方法和编程技巧。

### 5.1 LED闪烁

LED闪烁是STM32单片机最基本的应用之一。通过控制LED的亮灭，可以实现各种指示灯、状态灯等功能。

**代码实现：**

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
    // 初始化GPIO端口
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;
    GPIOC->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE13 | GPIO_CRH_CNF13);
    GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_0 | GPIO_CRH_CNF13_0;

    while (1)
    {
        // 点亮LED
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;
        // 延时1秒
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
        // 熄灭LED
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;
        // 延时1秒
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
    }
}

**代码逻辑分析：**

* 初始化GPIO端口：首先需要初始化用于控制LED的GPIO端口，设置其模式为输出模式。
* 点亮LED：通过设置GPIO端口的BSRR寄存器，将LED对应的引脚置为高电平，即可点亮LED。
* 延时：通过循环计数的方式实现延时，单位为微秒。
* 熄灭LED：通过设置GPIO端口的BSRR寄存器，将LED对应的引脚置为低电平，即可熄灭LED。

### 5.2 按键检测

按键检测是STM32单片机的另一个常见应用。通过检测按键的按下和释放，可以实现各种控制和交互功能。

**代码实现：**

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
    // 初始化GPIO端口
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;
    GPIOC->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE13 | GPIO_CRH_CNF13);
    GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_0 | GPIO_CRH_CNF13_0;

    while (1)
    {
        // 检测按键是否按下
        if ((GPIOC->IDR & GPIO_IDR_IDR13) == 0)
        {
            // 按下按键后执行的操作
            // ...
        }
    }
}

**代码逻辑分析：**

* 初始化GPIO端口：首先需要初始化用于检测按键的GPIO端口，设置其模式为输入模式。
* 检测按键是否按下：通过读取GPIO端口的IDR寄存器，可以获取按键引脚的状态。如果按键按下，则对应的引脚电平为低电平。
* 按下按键后执行的操作：当检测到按键按下时，可以执行相应的操作，例如控制LED闪烁、显示信息等。

### 5.3 定时器中断

定时器中断是STM32单片机的一种重要中断源。通过配置定时器，可以实现周期性或单次中断，从而实现各种定时和控制功能。

**代码实现：**

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
    // 初始化定时器
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
    TIM2->CR1 = 0;
    TIM2->PSC = 7199;
    TIM2->ARR = 999;
    TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE;
    NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);

    while (1)
    {
        // 定时器中断处理函数
        // ...
    }
}

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;

    // 定时器中断处理逻辑
    // ...
}

**代码逻辑分析：**

* 初始化定时器：首先需要初始化用于产生中断的定时器，设置其时钟源、分频系数、重装载值等参数。
* 配置中断：通过设置TIM2->DIER寄存器，可以使能定时器中断。
* 启用中断：通过调用NVIC_EnableIRQ函数，可以启用定时器中断。
* 定时器中断处理函数：当定时器中断发生时，会执行定时器中断处理函数。在该函数中，需要清除中断标志位，并执行相应的中断处理逻辑。

# 6. STM32单片机高级应用**

### 6.1 PWM输出

**6.1.1 PWM原理**

脉宽调制（PWM）是一种调制技术，通过改变脉冲的宽度来控制输出电压或电流的平均值。在STM32单片机中，PWM输出通常使用定时器外设实现。

**6.1.2 STM32定时器PWM配置**

// 初始化定时器为PWM模式
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 8400; // 分频系数
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000; // 周期
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; // 时钟分频
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 计数模式
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

// 初始化PWM输出通道
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; // PWM模式
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; // 输出使能
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500; // 脉冲宽度
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; // 输出极性
TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);

### 6.2 ADC采样

**6.2.1 ADC原理**

模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号。STM32单片机内置ADC外设，支持多种采样模式和分辨率。

**6.2.2 STM32 ADC配置**

// 初始化ADC
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b; // 分辨率
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; // 单次转换模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; // 非连续转换模式
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None; // 无外部触发
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; // 数据右对齐
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = 1; // 转换次数
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

// 配置ADC通道
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_1Cycles5); // 通道0，采样时间1.5个周期

### 6.3 I2C通信

**6.3.1 I2C原理**

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信协议，用于连接多个设备。STM32单片机内置I2C外设，支持主从模式和多主模式。

**6.3.2 STM32 I2C配置**

// 初始化I2C
I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C; // I2C模式
I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2; // 占空比2:1
I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x0A; // 本机地址
I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable; // 应答使能
I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit; // 7位地址模式
I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);