【STM32单片机开发实战指南】：从入门到精通的系统性教程

# 1. STM32单片机简介与开发环境搭建

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）生产的一系列基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器。它具有高性能、低功耗、丰富的片上外设和广泛的应用领域。

要开始使用STM32单片机，需要搭建开发环境。常用的开发环境包括Keil MDK、IAR Embedded Workbench和STM32CubeIDE。这些开发环境提供了编译器、调试器和仿真器，可以帮助开发人员编写、调试和测试STM32程序。

# 2. STM32单片机基础编程

### 2.1 C语言基础与嵌入式开发

#### 2.1.1 C语言基础语法

C语言是一种结构化编程语言，具有简洁、高效、可移植性好的特点。嵌入式开发中广泛使用C语言，其语法主要包括：

- **数据类型：**int（整数）、float（浮点数）、char（字符）、double（双精度浮点数）等。
- **变量：**用于存储数据的命名空间，如：int a = 10;
- **常量：**值不可改变的变量，如：const int b = 20;
- **运算符：**用于进行算术、逻辑、比较等操作，如：+、-、*、/、&&、||、==、!=。
- **控制语句：**用于控制程序执行流程，如：if、else、for、while、switch。
- **函数：**用于封装代码块，实现特定功能，如：int add(int a, int b) { return a + b; }

#### 2.1.2 嵌入式系统中的C语言特点

嵌入式系统中的C语言与标准C语言存在一些差异：

- **内存管理：**嵌入式系统通常资源有限，C语言中动态内存分配（malloc、free）不适合使用。
- **浮点数运算：**嵌入式系统中浮点数运算开销较大，应尽量使用整数运算。
- **位操作：**嵌入式系统中经常需要对寄存器进行位操作，C语言提供了位移（<<、>>）、位与（&）、位或（|）、位异或（^）等操作符。
- **宏定义：**宏定义用于定义常量或函数，可以提高代码可读性，如：#define LED_ON 1。

### 2.2 STM32单片机架构与寄存器

#### 2.2.1 STM32单片机架构概述

STM32单片机采用ARM Cortex-M内核，具有以下特点：

- **哈佛架构：**指令和数据存储在不同的存储器中，提高了指令执行效率。
- **流水线设计：**指令分阶段执行，提高了指令吞吐量。
- **低功耗设计：**提供多种低功耗模式，延长电池续航时间。

STM32单片机内部结构主要包括：

- **内核：**负责指令执行和控制。
- **存储器：**包括程序存储器（Flash）和数据存储器（SRAM）。
- **外设：**提供各种功能，如GPIO、定时器、ADC、UART等。
- **总线：**连接各个模块，实现数据传输。

#### 2.2.2 核心寄存器和外设寄存器

STM32单片机提供了丰富的寄存器，用于控制和配置内核和外设。

- **核心寄存器：**包括程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）、通用寄存器（R0-R15）等，用于存储指令和数据。
- **外设寄存器：**每个外设都有自己的寄存器组，用于配置和控制外设的功能。例如，GPIO寄存器用于配置GPIO引脚的模式和状态。

### 2.3 STM32单片机时钟与中断

#### 2.3.1 时钟系统配置

STM32单片机具有多级时钟系统，包括：

- **高速外部时钟（HSE）：**外部晶体振荡器或陶瓷谐振器提供的高精度时钟。
- **高速内部时钟（HSI）：**内部RC振荡器提供的时钟，精度较低。
- **低速内部时钟（LSI）：**内部低速RC振荡器提供的时钟，精度更低，但功耗更小。

时钟系统配置包括选择时钟源、配置分频系数等。例如，以下代码配置HSE为系统时钟，分频系数为8：

RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct;
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSE;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV8;
RCC_ClkInit(&RCC_ClkInitStruct);

#### 2.3.2 中断机制与处理

STM32单片机提供了中断机制，用于处理外部事件或内部事件。中断分为两种类型：

- **外部中断：**由外部引脚触发，如GPIO引脚中断。
- **内部中断：**由内部事件触发，如定时器中断、ADC中断等。

中断处理包括配置中断源、编写中断服务程序（ISR）。例如，以下代码配置GPIO引脚PA0为外部中断源：

EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct;
EXTI_InitStruct.EXTI_Line = EXTI_Line0;
EXTI_InitStruct.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI_InitStruct.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);

# 3.1 GPIO编程

#### 3.1.1 GPIO引脚配置

GPIO引脚配置是STM32单片机外设编程的基础，它决定了GPIO引脚的输入输出方向、电气特性和中断触发方式。

**GPIO引脚配置寄存器**

GPIO引脚配置主要通过GPIO引脚配置寄存器（GPIOx_MODER、GPIOx_OTYPER、GPIOx_OSPEEDR、GPIOx_PUPDR、GPIOx_IDR、GPIOx_ODR）进行设置。

**配置步骤**

1. **确定GPIO端口和引脚：**确定要配置的GPIO端口（如GPIOA、GPIOB等）和引脚（如PA0、PB1等）。
2. **设置模式：**通过GPIOx_MODER寄存器设置引脚模式，有输入、输出、推挽输出、开漏输出等模式可选。
3. **设置输出类型：**通过GPIOx_OTYPER寄存器设置输出类型，有推挽输出和开漏输出可选。
4. **设置输出速度：**通过GPIOx_OSPEEDR寄存器设置输出速度，有低速、中速和高速可选。
5. **设置上拉/下拉电阻：**通过GPIOx_PUPDR寄存器设置上拉/下拉电阻，有无上拉/下拉、上拉电阻、下拉电阻可选。

**代码示例**

// 配置GPIOA第0引脚为输出模式，推挽输出，低速，无上拉/下拉电阻
GPIOA->MODER &= ~(3 << (0 * 2)); // 清除MODER寄存器的第0、1位
GPIOA->MODER |= (1 << (0 * 2)); // 设置MODER寄存器的第0位为1
GPIOA->OTYPER &= ~(1 << 0); // 清除OTYPER寄存器的第0位
GPIOA->OSPEEDR &= ~(3 << (0 * 2)); // 清除OSPEEDR寄存器的第0、1位
GPIOA->PUPDR &= ~(3 << (0 * 2)); // 清除PUPDR寄存器的第0、1位

#### 3.1.2 GPIO输入输出操作

GPIO输入输出操作是GPIO编程的核心功能，它可以实现数据的输入和输出。

**输入操作**

GPIO输入操作通过读取GPIO输入数据寄存器（GPIOx_IDR）获取引脚上的电平状态。

**代码示例**

// 读取GPIOA第0引脚的电平状态
uint8_t input_state = GPIOA->IDR & (1 << 0);

**输出操作**

GPIO输出操作通过设置GPIO输出数据寄存器（GPIOx_ODR）控制引脚上的电平状态。

**代码示例**

// 设置GPIOA第0引脚为高电平
GPIOA->ODR |= (1 << 0);

// 设置GPIOA第0引脚为低电平
GPIOA->ODR &= ~(1 << 0);

# 4. STM32单片机通信编程

### 4.1 UART编程

#### 4.1.1 UART基本原理

UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）是一种异步串行通信接口，广泛应用于嵌入式系统中。它通过单根信号线实现数据的单向传输，数据传输速率和数据格式可以通过配置来设定。

UART通信的基本原理如下：

- **起始位：**一个逻辑0的位，表示数据传输的开始。
- **数据位：**包含要传输的数据，通常为8位或9位，最低有效位在前。
- **奇偶校验位：**可选，用于检测数据传输中的错误。
- **停止位：**一个或多个逻辑1的位，表示数据传输的结束。

#### 4.1.2 UART配置与数据收发

STM32单片机中UART外设的配置和数据收发操作主要通过以下寄存器实现：

- **USART_CR1寄存器：**控制UART的通信模式、波特率和数据格式。
- **USART_BRR寄存器：**设置UART的波特率。
- **USART_DR寄存器：**用于数据收发，写入数据时触发数据发送，读取数据时获取接收到的数据。

以下代码示例演示了如何配置UART外设并发送数据：

// 初始化UART外设
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN; // 使能USART1时钟
USART1->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_RE; // 启用发送器和接收器
USART1->BRR = 0x683; // 设置波特率为9600bps

// 发送数据
USART1->DR = 'A'; // 发送字符'A'
while (!(USART1->SR & USART_SR_TC)); // 等待发送完成

### 4.2 SPI编程

#### 4.2.1 SPI基本原理

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信接口，用于连接主设备和一个或多个从设备。它通过四根信号线实现全双工数据传输，包括时钟线（SCK）、主设备输出数据线（MOSI）、主设备输入数据线（MISO）和片选线（CS）。

SPI通信的基本原理如下：

- 主设备控制通信时序，并通过SCK线提供时钟信号。
- 数据在MOSI和MISO线上同时传输，主设备和从设备可以同时发送和接收数据。
- CS线用于选择要通信的从设备，当CS线为低电平时，主设备可以与该从设备进行通信。

#### 4.2.2 SPI配置与数据传输

STM32单片机中SPI外设的配置和数据传输操作主要通过以下寄存器实现：

- **SPI_CR1寄存器：**控制SPI的通信模式、波特率和数据格式。
- **SPI_BRR寄存器：**设置SPI的波特率。
- **SPI_DR寄存器：**用于数据收发，写入数据时触发数据发送，读取数据时获取接收到的数据。

以下代码示例演示了如何配置SPI外设并发送数据：

// 初始化SPI外设
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SPI1EN; // 使能SPI1时钟
SPI1->CR1 |= SPI_CR1_MSTR | SPI_CR1_SPE; // 设置为主模式并启用SPI
SPI1->BRR = 0x683; // 设置波特率为9600bps

// 发送数据
SPI1->DR = 0x55; // 发送数据0x55
while (!(SPI1->SR & SPI_SR_TXE)); // 等待发送完成

### 4.3 I2C编程

#### 4.3.1 I2C基本原理

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种半双工串行通信接口，用于连接多个设备。它通过两根信号线实现数据传输，包括时钟线（SCL）和数据线（SDA）。

I2C通信的基本原理如下：

- 主设备控制通信时序，并通过SCL线提供时钟信号。
- 数据在SDA线上双向传输，主设备和从设备可以同时发送和接收数据。
- 每条I2C总线上最多可以连接127个从设备，通过地址位进行区分。

#### 4.3.2 I2C配置与数据交换

STM32单片机中I2C外设的配置和数据交换操作主要通过以下寄存器实现：

- **I2C_CR1寄存器：**控制I2C的通信模式、波特率和数据格式。
- **I2C_BRR寄存器：**设置I2C的波特率。
- **I2C_DR寄存器：**用于数据收发，写入数据时触发数据发送，读取数据时获取接收到的数据。

以下代码示例演示了如何配置I2C外设并发送数据：

// 初始化I2C外设
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_I2C1EN; // 使能I2C1时钟
I2C1->CR1 |= I2C_CR1_PE; // 启用I2C
I2C1->BRR = 0x683; // 设置波特率为9600bps

// 发送数据
I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START; // 发送起始信号
while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_SB)); // 等待起始信号发送完成
I2C1->DR = 0x55; // 发送数据0x55
while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_TXE)); // 等待发送完成

# 5.1 LED闪烁程序

### 5.1.1 程序设计与实现

LED闪烁程序是STM32单片机入门级应用，其主要功能是控制LED灯周期性闪烁。程序设计步骤如下：

1. **配置GPIO引脚：**将LED连接到STM32单片机的特定GPIO引脚，并配置该引脚为输出模式。
2. **初始化定时器：**使用定时器模块产生周期性中断，控制LED灯的闪烁频率。
3. **中断服务函数：**在定时器中断服务函数中，通过设置GPIO引脚的输出电平来控制LED灯的亮灭。

以下代码展示了LED闪烁程序的实现：

#include "stm32f10x.h"

int main()
{
    // 配置GPIO引脚
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;
    GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_0 | GPIO_CRH_CNF13_0;

    // 初始化定时器
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
    TIM2->PSC = 7200 - 1; // 定时器分频系数
    TIM2->ARR = 1000 - 1; // 自动重装载值
    TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE; // 允许更新中断
    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 启动定时器

    while (1)
    {
        // 中断服务函数中控制LED灯闪烁
        if (TIM2->SR & TIM_SR_UIF)
        {
            GPIOC->ODR ^= GPIO_ODR_ODR13; // 翻转GPIO引脚输出电平
            TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF; // 清除更新中断标志位
        }
    }
}

### 5.1.2 仿真调试与分析

1. **仿真调试：**使用仿真器或调试器将程序下载到STM32单片机中，并进行调试。
2. **分析：**观察GPIO引脚的输出电平变化，确认LED灯是否按预期闪烁。
3. **优化：**根据实际需求调整定时器参数（分频系数和自动重装载值）以优化闪烁频率。