STM32单片机编程软件实战教程：从零到精通的快速通道

# 1. STM32单片机简介和开发环境搭建**

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的基于ARM Cortex-M内核的高性能微控制器系列。其特点包括：

- 高性能：基于ARM Cortex-M内核，主频可达168MHz
- 低功耗：采用先进的低功耗技术，具有多种低功耗模式
- 丰富的外设：集成丰富的片上外设，如GPIO、定时器、ADC等
- 开发环境完善：提供完善的开发工具链和支持库，方便开发

要开始使用STM32单片机，需要搭建开发环境，包括：

- **集成开发环境（IDE）：**推荐使用Keil MDK或IAR Embedded Workbench
- **编译器：**使用ARM Compiler或GCC编译器
- **仿真器或调试器：**用于下载程序和调试
- **开发板：**提供必要的硬件资源，如电源、时钟和外设

# 2. STM32单片机编程基础

### 2.1 STM32单片机架构和外设介绍

STM32单片机采用ARM Cortex-M内核，具有高性能、低功耗的特点。其内部架构主要包括：

- **CPU内核：**负责执行程序指令，处理数据。
- **存储器：**包括程序存储器（Flash）和数据存储器（RAM）。
- **外设：**提供各种功能，如GPIO、定时器、ADC、USB等。

STM32单片机的外设非常丰富，可以满足各种应用需求。常见的外设包括：

- **GPIO（通用输入/输出）：**用于控制外部设备，如LED、按键等。
- **定时器：**用于产生定时中断，控制PWM输出等。
- **ADC（模数转换器）：**用于将模拟信号转换为数字信号。
- **USB：**用于与外部设备进行高速数据传输。

### 2.2 C语言在STM32单片机中的应用

C语言是一种广泛应用于嵌入式开发的编程语言。STM32单片机支持C语言编程，提供了丰富的库函数和开发工具。

使用C语言编程STM32单片机需要遵循以下步骤：

1. **编写程序：**使用C语言编写程序代码，定义变量、函数和数据结构。
2. **编译：**使用编译器将C语言代码编译成汇编代码。
3. **汇编：**使用汇编器将汇编代码汇编成机器指令。
4. **链接：**使用链接器将汇编代码与库函数链接成可执行文件。

### 2.3 STM32单片机编程流程

STM32单片机编程流程主要包括以下步骤：

1. **初始化系统：**初始化时钟、外设和中断。
2. **配置外设：**根据应用需求配置GPIO、定时器、ADC等外设。
3. **编写应用代码：**编写应用程序代码，实现具体功能。
4. **调试程序：**使用调试器调试程序，查找错误。
5. **生成固件：**将调试好的程序编译、链接生成固件文件。
6. **烧写固件：**将固件文件烧写到STM32单片机中。

**代码块：**

// 初始化系统
void SystemInit(void)
{
    // 配置时钟
    RCC_DeInit();
    RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
    while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET);
    RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE, 8, 168, 2, 2);
    RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);
    RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div2);
    RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div4);
    // 配置中断
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, 0x0);
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

**逻辑分析：**

该代码块实现了STM32单片机的系统初始化。首先配置时钟，然后配置中断。

**参数说明：**

- `RCC_DeInit()：`复位时钟配置。
- `RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON)：`开启高速外部时钟（HSE）。
- `while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET);：`等待HSE稳定。
- `RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE, 8, 168, 2, 2)：`配置PLL时钟，使用HSE作为时钟源，分频系数为8，倍频系数为168，预分频系数为2，输出分频系数为2。
- `RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1)：`将系统时钟设置为PLL时钟，不分频。
- `RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div2)：`将APB2时钟设置为HCLK时钟，分频系数为2。
- `RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div4)：`将APB1时钟设置为HCLK时钟，分频系数为4。
- `NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2)：`设置中断优先级分组为2。
- `NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, 0x0)：`将中断向量表设置在Flash中，从地址0x0开始。
- `NVIC_Init(&NVIC_InitStructure)：`初始化NVIC，根据NVIC_InitStructure结构体配置中断。

# 3. STM32 单片机外设编程

### 3.1 GPIO 编程

#### 3.1.1 GPIO 的配置和使用

**GPIO 配置**

STM32 单片机上的 GPIO 引脚可以配置为输入、输出或模拟功能。GPIO 配置寄存器（GPIOx_MODER）用于设置引脚模式。

// 设置 GPIOA 引脚 0 为输出模式
GPIOA->MODER &= ~(3 << (0 * 2));
GPIOA->MODER |= (1 << (0 * 2));

**逻辑分析：**

* `GPIOA->MODER &= ~(3 << (0 * 2))`：清除引脚 0 的模式位（第 0 和第 1 位）。
* `GPIOA->MODER |= (1 << (0 * 2))`：将引脚 0 的模式位设置为输出模式（第 0 位为 1）。

**GPIO 输出**

配置为输出模式的引脚可以通过 GPIOx_ODR 寄存器进行输出。

// 将 GPIOA 引脚 0 输出高电平
GPIOA->ODR |= (1 << 0);

**逻辑分析：**

* `GPIOA->ODR |= (1 << 0)`：将引脚 0 的输出数据寄存器位（第 0 位）设置为 1，输出高电平。

#### 3.1.2 GPIO 中断处理

**GPIO 中断配置**

GPIO 中断可以通过 GPIOx_IER 寄存器进行配置。

// 使能 GPIOA 引脚 0 的上升沿中断
GPIOA->IER |= (1 << 0);

**逻辑分析：**

* `GPIOA->IER |= (1 << 0)`：将引脚 0 的中断使能寄存器位（第 0 位）设置为 1，使能上升沿中断。

**GPIO 中断服务函数**

当引脚 0 发生上升沿中断时，会触发中断服务函数。

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    EXTI->PR |= (1 << 0);

    // 中断处理代码
}

**逻辑分析：**

* `EXTI->PR |= (1 << 0)`：清除引脚 0 的中断标志位（第 0 位）。
* 中断处理代码：在中断服务函数中执行中断处理代码，例如读取输入数据或执行其他操作。

### 3.2 定时器编程

#### 3.2.1 定时器的配置和使用

**定时器配置**

STM32 单片机上的定时器可以用于生成脉冲、测量时间或产生中断。定时器配置寄存器（TIMx_CR1）用于设置定时器的模式和时钟源。

// 配置 TIM2 为向上计数模式，时钟源为内部时钟
TIM2->CR1 &= ~(TIM_CR1_DIR | TIM_CR1_CMS);
TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

**逻辑分析：**

* `TIM2->CR1 &= ~(TIM_CR1_DIR | TIM_CR1_CMS)`：清除方向位和时钟源位。
* `TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN`：使能定时器。

**定时器计数**

定时器的计数值存储在 TIMx_CNT 寄存器中。

// 获取 TIM2 的当前计数值
uint32_t count = TIM2->CNT;

**逻辑分析：**

* `TIM2->CNT`：获取 TIM2 的当前计数值。

#### 3.2.2 定时器中断处理

**定时器中断配置**

定时器中断可以通过 TIMx_DIER 寄存器进行配置。

// 使能 TIM2 的更新中断
TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE;

**逻辑分析：**

* `TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE`：将 TIM2 的更新中断使能位（第 0 位）设置为 1，使能更新中断。

**定时器中断服务函数**

当定时器发生更新中断时，会触发中断服务函数。

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

    // 中断处理代码
}

**逻辑分析：**

* `TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF`：清除 TIM2 的更新中断标志位（第 0 位）。
* 中断处理代码：在中断服务函数中执行中断处理代码，例如执行特定操作或更新数据。

### 3.3 ADC 编程

#### 3.3.1 ADC 的配置和使用

**ADC 配置**

ADC 配置寄存器（ADCx_CR1）用于设置 ADC 的采样时间、分辨率和触发源。

// 配置 ADC1 为 12 位分辨率，采样时间为 239.5 个时钟周期
ADC1->CR1 &= ~(ADC_CR1_RES | ADC_CR1_SMP);
ADC1->CR1 |= ADC_CR1_RES_1 | ADC_CR1_SMP_2;

**逻辑分析：**

* `ADC1->CR1 &= ~(ADC_CR1_RES | ADC_CR1_SMP)`：清除分辨率位和采样时间位。
* `ADC1->CR1 |= ADC_CR1_RES_1 | ADC_CR1_SMP_2`：将分辨率设置为 12 位（第 1 位为 1），将采样时间设置为 239.5 个时钟周期（第 2 位为 1）。

**ADC 转换**

ADC 转换通过 ADCx_CR2 寄存器中的 ADON 位启动。

// 启动 ADC1 转换
ADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON;

**逻辑分析：**

* `ADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON`：将 ADON 位设置为 1，启动 ADC1 转换。

#### 3.3.2 ADC 中断处理

**ADC 中断配置**

ADC 中断可以通过 ADCx_IER 寄存器进行配置。

// 使能 ADC1 的转换完成中断
ADC1->IER |= ADC_IER_EOCIE;

**逻辑分析：**

* `ADC1->IER |= ADC_IER_EOCIE`：将 ADC1 的转换完成中断使能位（第 0 位）设置为 1，使能转换完成中断。

**ADC 中断服务函数**

当 ADC 转换完成时，会触发中断服务函数。

void ADC1_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    ADC1->SR &= ~ADC_SR_EOC;

    // 中断处理代码
}

**逻辑分析：**

* `ADC1->SR &= ~ADC_SR_EOC`：清除 ADC1 的转换完成标志位（第 0 位）。
* 中断处理代码：在中断服务函数中执行中断处理代码，例如读取转换结果或执行其他操作。

# 4.1 DMA编程

### 4.1.1 DMA的配置和使用

**DMA（直接存储器访问）**是一种硬件机制，允许外设直接与内存进行数据传输，而无需CPU的干预。这可以大大提高数据传输的效率，特别是对于大数据量传输的情况。

**STM32单片机上DMA的配置和使用步骤如下：**

1. **使能DMA时钟：**在RCC寄存器中使能DMA时钟。
2. **配置DMA通道：**选择要使用的DMA通道，并配置其源地址、目标地址、数据传输长度、传输方向等参数。
3. **配置外设：**配置外设的DMA请求源，并使能DMA请求。
4. **启动DMA传输：**启动DMA传输，DMA控制器将根据配置的参数自动进行数据传输。

**DMA配置示例代码：**

#include "stm32f10x.h"

void DMA_Config(void)
{
    // 使能DMA1时钟
    RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_DMA1EN;

    // 选择DMA通道1
    DMA1_Channel1->CCR &= ~DMA_CCR1_EN;

    // 配置源地址
    DMA1_Channel1->CPAR = (uint32_t)&source_buffer;

    // 配置目标地址
    DMA1_Channel1->CMAR = (uint32_t)&destination_buffer;

    // 配置数据传输长度
    DMA1_Channel1->CNDTR = data_length;

    // 配置传输方向
    DMA1_Channel1->CCR |= DMA_CCR1_DIR;

    // 配置外设请求源
    DMA1_Channel1->CCR |= DMA_CCR1_PL;

    // 使能DMA请求
    DMA1_Channel1->CCR |= DMA_CCR1_EN;
}

### 4.1.2 DMA中断处理

DMA传输完成后，DMA控制器会触发一个中断。可以通过配置DMA中断服务函数来处理该中断。

**DMA中断处理示例代码：**

void DMA1_Channel1_IRQHandler(void)
{
    // 检查中断标志位
    if (DMA1->ISR & DMA_ISR_TCIF1)
    {
        // 清除中断标志位
        DMA1->IFCR |= DMA_IFCR_CTCIF1;

        // DMA传输完成，执行后续操作
    }
}

# 5.1 LED闪烁程序

LED闪烁程序是STM32单片机入门最经典的实战项目之一。通过该程序，我们可以学习如何配置GPIO引脚、控制LED灯的亮灭。

### 程序实现步骤

1. **配置GPIO引脚**

首先，我们需要配置一个GPIO引脚作为LED灯的控制引脚。STM32单片机有多个GPIO端口，每个端口有16个GPIO引脚。我们可以根据需要选择一个GPIO引脚，例如GPIOA的第5个引脚（PA5）。

   // 定义LED灯控制引脚
   #define LED_PIN GPIO_PIN_5
   // 配置GPIO引脚为输出模式
   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
   GPIO_InitStruct.Pin = LED_PIN;
   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
   HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

2. **控制LED灯亮灭**

配置好GPIO引脚后，就可以通过设置引脚电平来控制LED灯的亮灭。当引脚电平为高电平时，LED灯亮；当引脚电平为低电平时，LED灯灭。

   // 点亮LED灯
   HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, LED_PIN, GPIO_PIN_SET);
   // 熄灭LED灯
   HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, LED_PIN, GPIO_PIN_RESET);

3. **循环闪烁**

为了让LED灯循环闪烁，我们需要在循环中不断点亮和熄灭LED灯。我们可以使用延时函数来控制闪烁的频率。

   while (1)
   {
       // 点亮LED灯
       HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, LED_PIN, GPIO_PIN_SET);
       HAL_Delay(500); // 延时500ms
       // 熄灭LED灯
       HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, LED_PIN, GPIO_PIN_RESET);
       HAL_Delay(500); // 延时500ms
   }