揭秘STM32单片机架构：深入剖析内部运作机制

# 1. STM32单片机简介**

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）推出的一系列基于ARM Cortex-M内核的高性能微控制器。它具有广泛的型号选择，从低功耗的8位MCU到高性能的32位MCU，可以满足各种嵌入式应用的需求。

STM32单片机以其卓越的性能、丰富的外设和低功耗特性而著称。它广泛应用于工业控制、医疗电子、汽车电子、物联网等领域。

# 2. STM32 单片机架构

### 2.1 核心架构

#### 2.1.1 Cortex-M 内核

STM32 单片机采用 ARM Cortex-M 系列内核，该内核专为嵌入式系统设计，具有低功耗、高性能和高代码密度等特点。Cortex-M 内核包括多个型号，如 Cortex-M0、Cortex-M3 和 Cortex-M4 等，不同的型号具有不同的性能和功能。

#### 2.1.2 总线结构

STM32 单片机采用哈佛总线结构，即指令总线和数据总线分离。指令总线用于读取和执行指令，而数据总线用于读取和写入数据。哈佛总线结构可以提高指令执行效率，降低功耗。

### 2.2 外设系统

STM32 单片机集成了丰富的片上外设，包括 GPIO、定时器、ADC 等。这些外设可以满足各种应用需求，如数字输入/输出、时间测量、模拟信号采集等。

#### 2.2.1 GPIO

GPIO（General Purpose Input/Output）是通用输入/输出端口，可以配置为输入或输出模式。GPIO 可以连接外部设备，如按钮、LED、传感器等。

#### 2.2.2 定时器

定时器可以产生精确的时间间隔，用于控制外部设备或实现定时功能。STM32 单片机有多种定时器外设，如基本定时器、高级定时器和通用定时器等。

#### 2.2.3 ADC

ADC（Analog-to-Digital Converter）是模数转换器，可以将模拟信号转换为数字信号。STM32 单片机有多种 ADC 外设，如 12 位 ADC、16 位 ADC 和 24 位 ADC 等。

### 2.3 中断系统

中断系统允许外部事件或内部事件打断 CPU 的正常执行流程，从而快速响应事件。STM32 单片机的中断系统包括中断向量表和中断优先级。

#### 2.3.1 中断向量表

中断向量表是一个存储中断服务程序地址的表。当发生中断时，CPU 会根据中断向量表找到对应的中断服务程序并执行。

#### 2.3.2 中断优先级

STM32 单片机支持中断优先级，允许某些中断比其他中断具有更高的优先级。当发生多个中断时，CPU 会优先处理高优先级中断。

**代码块：**

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

    // 执行中断处理逻辑
    // ...
}

**逻辑分析：**

TIM2_IRQHandler 函数是 TIM2 定时器中断服务程序。当 TIM2 定时器发生中断时，CPU 会执行该函数。函数首先清除中断标志位，然后执行中断处理逻辑。

**参数说明：**

* TIM2->SR：TIM2 定时器状态寄存器
* TIM_SR_UIF：更新中断标志位

# 3. STM32单片机编程

### 3.1 C语言编程基础

#### 3.1.1 数据类型

STM32单片机编程主要使用C语言，因此了解C语言的数据类型至关重要。C语言中常见的数据类型包括：

- 整数类型：int、short、long等，用于存储整数。
- 浮点数类型：float、double等，用于存储浮点数。
- 字符类型：char，用于存储单个字符。
- 字符串类型：char *，用于存储字符串。
- 结构体：用于存储相关数据的集合。
- 枚举类型：用于定义一组常量。

#### 3.1.2 变量

变量用于存储数据，在C语言中，变量需要先声明其数据类型，然后再使用。变量的声明语法如下：

<数据类型> <变量名>;

例如：

int age;

#### 3.1.3 函数

函数是C语言中代码重用的基本单位，它包含一组语句，用于执行特定任务。函数的声明语法如下：

<返回类型> <函数名>(<参数列表>);

例如：

int sum(int a, int b) {
  return a + b;
}

### 3.2 STM32单片机寄存器操作

#### 3.2.1 寄存器寻址

STM32单片机具有丰富的寄存器，用于控制其外设和功能。寄存器寻址使用特定地址访问寄存器。寄存器的地址通常在头文件中定义。

#### 3.2.2 寄存器读写

寄存器读写操作通过指针访问寄存器地址进行。寄存器的读写语法如下：

// 读寄存器
uint32_t value = *<寄存器地址>;

// 写寄存器
*<寄存器地址> = value;

例如：

// 读GPIOA端口输出数据寄存器
uint32_t output_data = *GPIOA_ODR;

// 写GPIOA端口输出数据寄存器，设置第5位为高电平
*GPIOA_ODR |= (1 << 5);

### 3.3 外设驱动开发

#### 3.3.1 GPIO驱动

GPIO（通用输入/输出）是STM32单片机中最重要的外设之一，用于控制外部设备。GPIO驱动用于配置和控制GPIO引脚。

// 初始化GPIOA第5位为输出模式
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);

// 设置GPIOA第5位为高电平
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);

#### 3.3.2 定时器驱动

定时器是STM32单片机中另一个常用的外设，用于产生定时中断和测量时间。定时器驱动用于配置和控制定时器。

// 初始化TIM2定时器为10ms中断
TIM_HandleTypeDef TIM_Handle;
TIM_Handle.Instance = TIM2;
TIM_Handle.Init.Prescaler = 8400 - 1;
TIM_Handle.Init.Period = 1000 - 1;
TIM_Handle.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_Base_Init(&TIM_Handle);

// 启动TIM2定时器
HAL_TIM_Base_Start_IT(&TIM_Handle);

# 4. STM32单片机应用**

STM32单片机作为一款功能强大的微控制器，在实际应用中有着广泛的应用场景。本章节将介绍几个STM32单片机的典型应用，包括LED闪烁、温度检测和串口通信。

**4.1 LED闪烁程序**

**4.1.1 程序设计**

LED闪烁程序是STM32单片机最基本的应用之一。其原理是通过控制GPIO引脚的输出电平，实现LED的亮灭交替。以下是一个LED闪烁程序的代码示例：

#include "stm32f10x.h"

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

    while (1)
    {
        // 设置GPIO引脚为高电平
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;
        // 延时1s
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
        // 设置GPIO引脚为低电平
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;
        // 延时1s
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
    }
}

**4.1.2 调试与验证**

将程序下载到STM32单片机后，通过调试器连接单片机和计算机。在调试器中，可以对程序进行单步调试，查看寄存器的值，并验证程序的正确性。

**4.2 温度检测程序**

**4.2.1 温度传感器原理**

STM32单片机内置了温度传感器，可以测量芯片内部的温度。温度传感器的工作原理是基于PN结的正向偏置特性，当PN结正向偏置时，其两端的电压会随着温度的变化而变化。

**4.2.2 程序实现**

以下是一个温度检测程序的代码示例：

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
    // 初始化ADC
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN;
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON;

    while (1)
    {
        // 启动ADC转换
        ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;
        // 等待转换完成
        while (!(ADC1->SR & ADC_SR_EOC));
        // 读取转换结果
        uint16_t adc_value = ADC1->DR;
        // 计算温度
        float temperature = (adc_value * 3.3 / 4096 - 0.76) / 0.025;
        // 输出温度
        printf("Temperature: %.2f°C\n", temperature);
    }
}

**4.3 串口通信程序**

**4.3.1 串口通信原理**

串口通信是一种异步通信方式，通过发送和接收串行数据来实现两台设备之间的通信。STM32单片机内置了UART外设，可以实现串口通信。

**4.3.2 程序设计**

以下是一个串口通信程序的代码示例：

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
    // 初始化UART
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;
    USART1->BRR = 0x341;
    USART1->CR1 |= USART_CR1_UE;

    while (1)
    {
        // 发送数据
        USART1->DR = 'A';
        // 等待数据发送完成
        while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE));
        // 接收数据
        while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE));
        uint8_t data = USART1->DR;
        // 处理接收到的数据
        printf("Received data: %c\n", data);
    }
}

# 5.1 实时操作系统

### 5.1.1 FreeRTOS简介

FreeRTOS（Free Real-Time Operating System）是一个开源的、轻量级的、抢占式实时操作系统（RTOS），专为嵌入式系统设计。它提供了一系列核心功能，包括任务管理、同步机制和时钟服务，使开发人员能够创建复杂的、响应迅速的嵌入式应用程序。

FreeRTOS的主要特点包括：

- **开源和免费：**FreeRTOS是根据MIT许可证发布的，这意味着它可以免费用于商业和非商业目的。
- **轻量级：**FreeRTOS的内核非常小，通常只有几千字节，使其适用于资源受限的嵌入式系统。
- **抢占式：**FreeRTOS是一个抢占式操作系统，这意味着优先级较高的任务可以抢占优先级较低的任务的执行。
- **可移植性：**FreeRTOS可以在各种处理器架构和操作系统上移植，包括STM32单片机。

### 5.1.2 任务管理

任务是FreeRTOS中执行的代码单元。每个任务都有自己的堆栈、优先级和执行上下文。任务管理是FreeRTOS的核心功能，它允许开发人员创建和管理多个并发任务。

FreeRTOS提供了一系列任务管理函数，包括：

- **xTaskCreate()：**创建新任务。
- **xTaskDelete()：**删除任务。
- **vTaskDelay()：**挂起任务一段时间。
- **xTaskGetTickCount()：**获取系统滴答计数。

**代码块：**

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

void task1(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 任务1的代码
  }
}

void task2(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 任务2的代码
  }
}

int main(void) {
  // 创建任务1
  xTaskCreate(task1, "Task1", 128, NULL, 1, NULL);

  // 创建任务2
  xTaskCreate(task2, "Task2", 128, NULL, 2, NULL);

  // 启动调度器
  vTaskStartScheduler();

  return 0;
}

**逻辑分析：**

该代码创建了两个任务：task1和task2。task1的优先级为1，task2的优先级为2。当调度器启动时，task1将被调度执行，因为它的优先级更高。当task1挂起或被抢占时，task2将被调度执行。

### 5.1.3 同步机制

同步机制是FreeRTOS中用于协调多个任务访问共享资源的机制。FreeRTOS提供了多种同步机制，包括：

- **二进制信号量：**用于保护临界区，防止多个任务同时访问共享资源。
- **互斥锁：**与二进制信号量类似，但提供额外的功能，例如优先级继承和递归锁定。
- **队列：**用于在任务之间传递数据。
- **事件组：**用于设置和清除事件标志，以通知任务发生特定事件。

**代码块：**

#include "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

SemaphoreHandle_t binarySemaphore;

void task1(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 获取二进制信号量
    xSemaphoreTake(binarySemaphore, portMAX_DELAY);

    // 访问共享资源

    // 释放二进制信号量
    xSemaphoreGive(binarySemaphore);
  }
}

void task2(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 获取二进制信号量
    xSemaphoreTake(binarySemaphore, portMAX_DELAY);

    // 访问共享资源

    // 释放二进制信号量
    xSemaphoreGive(binarySemaphore);
  }
}

int main(void) {
  // 创建二进制信号量
  binarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary();

  // 创建任务1
  xTaskCreate(task1, "Task1", 128, NULL, 1, NULL);

  // 创建任务2
  xTaskCreate(task2, "Task2", 128, NULL, 2, NULL);

  // 启动调度器
  vTaskStartScheduler();

  return 0;
}

**逻辑分析：**

该代码创建了一个二进制信号量，用于保护临界区。当task1或task2需要访问共享资源时，它们必须先获取信号量。如果信号量不可用，任务将被挂起，直到信号量可用。一旦任务获取了信号量，它就可以访问共享资源。访问完成后，任务必须释放信号量，以便其他任务可以访问共享资源。

# 6. STM32单片机开发工具**

**6.1 Keil MDK**

**6.1.1 IDE简介**

Keil MDK（Microcontroller Development Kit）是ARM公司为其Cortex-M内核单片机开发的集成开发环境（IDE）。它包含了代码编辑器、编译器、调试器和仿真器等功能，为STM32单片机开发提供了完善的工具链。

**6.1.2 项目管理**

在Keil MDK中，项目管理主要通过工程文件（*.uvprojx）进行。工程文件包含了项目的所有源文件、头文件、库文件和编译选项等信息。用户可以通过新建工程、打开工程或导入工程等方式来管理项目。

**6.2 ST-Link调试器**

**6.2.1 调试器连接**

ST-Link调试器是STMicroelectronics公司为STM32单片机开发的调试工具。它通过SWD（Serial Wire Debug）接口与单片机连接，可以实现代码调试、寄存器读写、内存读写等功能。

**6.2.2 调试功能**

在Keil MDK中，可以通过ST-Link调试器对STM32单片机进行调试。调试功能包括：

* 单步执行代码
* 设置断点
* 查看寄存器值
* 修改内存数据
* 查看堆栈信息

**代码示例：**

// Keil MDK工程文件示例
// 工程名称：MyProject
// 目标单片机：STM32F103C8T6

[Project]
FileName=MyProject.uvprojx
Name=MyProject
Target=STM32F103C8T6
Toolchain=ARM
Version=6.14.0

[Toolchain]
Name=ARM
Vendor=ARM
Version=6.14.0

**代码解释：**

该代码示例展示了Keil MDK工程文件的基本结构。工程名称为MyProject，目标单片机为STM32F103C8T6，使用的工具链为ARM 6.14.0版本。