STM32单片机入门指南：零基础快速上手，开启嵌入式开发之旅

# 1. STM32单片机简介**

STM32单片机是意法半导体公司推出的基于ARM Cortex-M内核的高性能微控制器系列。它广泛应用于工业控制、消费电子、医疗设备等领域。STM32单片机具有以下特点：

- 高性能：基于ARM Cortex-M内核，主频高达216MHz，具有强大的处理能力。
- 低功耗：采用先进的电源管理技术，提供多种低功耗模式，延长电池寿命。
- 丰富的外设：集成丰富的片上外设，包括定时器、ADC、UART、SPI等，满足各种应用需求。
- 易于开发：提供完善的开发工具链，包括IDE、编译器和调试器，简化开发过程。

# 2. STM32单片机基础

### 2.1 STM32单片机架构

#### 2.1.1 Cortex-M内核

STM32单片机采用ARM Cortex-M内核，是一种32位RISC处理器，具有低功耗、高性能的特点。Cortex-M内核分为多个子系列，STM32单片机主要采用Cortex-M0、Cortex-M3、Cortex-M4和Cortex-M7等内核。

#### 2.1.2 存储器系统

STM32单片机具有丰富的存储器系统，包括闪存（Flash）、静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。闪存用于存储程序和数据，具有可擦除和可编程的特点；SRAM用于存储临时数据，具有读写速度快、功耗低的特点；DRAM用于存储大量数据，具有容量大、成本低的特点。

#### 2.1.3 总线系统

STM32单片机采用多总线系统，包括系统总线（AHB）、外设总线（APB）和高速外设总线（AHB-Lite）。AHB总线用于连接高速外设，具有高带宽、低延迟的特点；APB总线用于连接低速外设，具有低功耗、低成本的特点；AHB-Lite总线用于连接高速外设，具有低功耗、低延迟的特点。

### 2.2 STM32单片机外设

#### 2.2.1 GPIO（通用输入/输出）

GPIO是STM32单片机最基本的外部接口，可以配置为输入或输出模式，用于与外部设备进行数据交互。GPIO具有可编程的引脚功能，可以配置为不同的功能，如数字输入/输出、模拟输入/输出、中断输入等。

#### 2.2.2 定时器

定时器是STM32单片机中重要的外设，用于生成精确的时间间隔或脉冲。STM32单片机有多个定时器，每个定时器具有不同的功能和特性。定时器可以配置为不同的模式，如定时器模式、计数器模式、PWM模式等。

#### 2.2.3 串口

串口是STM32单片机中常用的外设，用于与外部设备进行异步串行通信。STM32单片机有多个串口，每个串口具有不同的功能和特性。串口可以配置为不同的模式，如UART模式、USART模式、RS-485模式等。

### 2.3 STM32单片机编程环境

#### 2.3.1 开发工具链

STM32单片机的开发工具链包括编译器、汇编器、链接器和调试器等工具。STM32单片机主要使用ARM Compiler工具链，该工具链提供了针对不同Cortex-M内核的优化编译器和汇编器。

#### 2.3.2 集成开发环境（IDE）

IDE是集成开发工具链的图形化界面，为程序员提供了方便的开发环境。STM32单片机常用的IDE有Keil MDK、IAR Embedded Workbench和STM32CubeIDE等。IDE提供了代码编辑、调试、仿真等功能，大大提高了开发效率。

#### 2.3.3 调试器

调试器是用于调试程序的工具，可以帮助程序员查找和修复程序中的错误。STM32单片机常用的调试器有J-Link、ST-Link和SWD等。调试器可以连接到STM32单片机的调试接口，通过单步执行、断点设置等功能，帮助程序员快速定位程序中的问题。

# 3.1 LED闪烁程序

**目标：**
本节将指导您编写一个简单的LED闪烁程序，让您体验STM32单片机的基本编程。

**硬件准备：**
* STM32开发板
* LED灯
* 电阻

**软件准备：**
* STM32CubeIDE

**步骤：**

1. **创建新项目：**
- 打开STM32CubeIDE，新建一个项目。
- 选择目标板，如STM32F103C8T6。

2. **配置GPIO：**
- 在“CubeMX”窗口中，导航到“Pinout & Configuration”选项卡。
- 选择要连接LED灯的GPIO引脚，将其配置为输出模式。

3. **编写代码：**
- 在“Source”窗口中，打开“main.c”文件。
- 添加以下代码：

#include "stm32f1xx_hal.h"

int main(void)
{
  HAL_Init();

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

  while (1)
  {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(500);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(500);
  }
}

**代码逻辑：**
- 初始化STM32单片机。
- 配置GPIO引脚为输出模式。
- 在一个无限循环中，交替设置GPIO引脚为高电平和低电平，从而使LED灯闪烁。

4. **编译和下载：**
- 编译代码并将其下载到开发板。

5. **运行程序：**
- 复位开发板，观察LED灯闪烁。

**扩展：**
- 调整闪烁频率，修改`HAL_Delay()`函数中的参数。
- 使用其他GPIO引脚连接LED灯。
- 添加按钮输入，控制LED灯的闪烁。

# 4. STM32单片机高级应用**

## 4.1 定时器应用

### 4.1.1 定时器简介

定时器是STM32单片机中一个重要的外设，它可以用来产生精确的定时或计数脉冲。STM32单片机有多种类型的定时器，包括通用定时器（TIMx）、基本定时器（TIMx_BAS）、高级定时器（TIMx_AF）和低功耗定时器（LPTIMx）。

### 4.1.2 定时器配置

STM32单片机的定时器可以通过寄存器进行配置。常用的寄存器包括：

* **CR1寄存器：**控制定时器的时钟源、计数模式、预分频器和溢出中断使能。
* **PSC寄存器：**预分频器寄存器，用于设置定时器时钟的预分频系数。
* **ARR寄存器：**自动重装载寄存器，用于设置定时器的重装载值。
* **CNT寄存器：**计数器寄存器，用于存储当前的计数值。

### 4.1.3 定时器中断

定时器可以产生中断，当计数器达到预定的值时触发中断。中断服务程序可以通过读取SR寄存器来确定中断源。

### 4.1.4 定时器应用实例

定时器在STM32单片机中有着广泛的应用，例如：

* **产生PWM波形：**通过配置定时器的输出比较寄存器，可以产生PWM波形。
* **测量脉冲宽度：**通过配置定时器的输入捕获寄存器，可以测量脉冲的宽度。
* **产生延时：**通过配置定时器的重装载值，可以产生精确的延时。

## 4.2 中断应用

### 4.2.1 中断简介

中断是一种硬件机制，当发生特定的事件时，中断服务程序会暂停当前正在执行的程序并执行中断服务程序。STM32单片机支持多种中断源，包括外部中断、定时器中断和串口中断。

### 4.2.2 中断配置

STM32单片机的中断可以通过寄存器进行配置。常用的寄存器包括：

* **NVIC_ISERx寄存器：**中断使能寄存器，用于使能特定的中断源。
* **NVIC_ICERx寄存器：**中断禁止寄存器，用于禁止特定的中断源。
* **NVIC_ISPRx寄存器：**中断挂起寄存器，用于挂起特定的中断源。
* **NVIC_IPRx寄存器：**中断优先级寄存器，用于设置特定中断源的优先级。

### 4.2.3 中断服务程序

当发生中断时，会执行中断服务程序。中断服务程序通常包含以下步骤：

* **保存寄存器：**保存当前正在执行的程序的寄存器值。
* **处理中断：**执行中断处理逻辑。
* **恢复寄存器：**恢复当前正在执行的程序的寄存器值。

### 4.2.4 中断应用实例

中断在STM32单片机中有着广泛的应用，例如：

* **按键处理：**通过配置外部中断，可以处理按键的按下和释放事件。
* **串口通信：**通过配置串口中断，可以处理串口数据的接收和发送事件。
* **定时器事件处理：**通过配置定时器中断，可以处理定时器溢出或捕获事件。

## 4.3 PWM应用

### 4.3.1 PWM简介

PWM（脉冲宽度调制）是一种调制技术，通过改变脉冲的宽度来控制输出的平均值。STM32单片机支持多种PWM输出通道，可以用来控制电机、LED和扬声器等设备。

### 4.3.2 PWM配置

STM32单片机的PWM输出可以通过寄存器进行配置。常用的寄存器包括：

* **TIMx_CCR1寄存器：**通道1比较寄存器，用于设置PWM输出的占空比。
* **TIMx_PSC寄存器：**预分频器寄存器，用于设置PWM输出的频率。
* **TIMx_ARR寄存器：**自动重装载寄存器，用于设置PWM输出的周期。

### 4.3.3 PWM输出

配置好PWM输出后，可以通过设置TIMx_CCR1寄存器来改变PWM输出的占空比。占空比的计算公式为：

占空比 = TIMx_CCR1 / TIMx_ARR

### 4.3.4 PWM应用实例

PWM在STM32单片机中有着广泛的应用，例如：

* **电机控制：**通过控制PWM输出的占空比，可以控制电机的转速和方向。
* **LED调光：**通过控制PWM输出的占空比，可以调节LED的亮度。
* **扬声器发声：**通过控制PWM输出的占空比，可以改变扬声器的音调和音量。

# 5.1 数字时钟项目

### 项目概述

数字时钟项目是一个使用STM32单片机实现的时钟功能。该项目将展示如何使用STM32单片机的定时器和显示器外设来构建一个功能齐全的数字时钟。

### 硬件要求

* STM32单片机开发板
* 7段数码管
* 按键
* 电阻
* 电源

### 软件要求

* STM32CubeIDE开发环境
* STM32CubeMX配置工具

### 项目实现

#### 1. 时钟初始化

// 初始化定时器
TIM_HandleTypeDef htim;
htim.Instance = TIM2;
htim.Init.Prescaler = 10000;
htim.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim.Init.Period = 1000;
HAL_TIM_Base_Init(&htim);

// 启动定时器
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim);

#### 2. 数码管显示

// 初始化数码管
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6;
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);

// 显示数字
void displayNumber(uint8_t number) {
  switch (number) {
    case 0:
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_SET);
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_RESET);
      break;
    // ...省略其他数字的显示代码
  }
}

#### 3. 按键输入

// 初始化按键
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

// 检测按键按下
if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET) {
  // 按键按下，执行相应操作
}

#### 4. 时间更新

// 定时器中断服务函数
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
  // 更新时间
  // ...省略更新时间代码
  // 显示时间
  displayNumber(hour);
  displayNumber(minute);
  displayNumber(second);
}

### 总结

本项目展示了如何使用STM32单片机的定时器、数码管和按键来构建一个功能齐全的数字时钟。通过对硬件和软件的详细讲解，读者可以掌握STM32单片机开发的基本知识和技能。