STM32F407裸机编程指南


参考资源链接：[STM32F407中文手册：ARM内核微控制器详细指南](https://wenku.csdn.net/doc/6412b69dbe7fbd1778d475ae?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32F407裸机编程概述

STM32F407是STMicroelectronics推出的一款基于ARM Cortex-M4的高性能微控制器，广泛应用于各种嵌入式系统中。裸机编程是指直接操作硬件资源，完成任务，无需操作系统介入的一种编程方式。它对硬件资源的控制更直接、响应更快，适合对实时性要求极高的应用。本章将介绍STM32F407裸机编程的基本概念、特点以及适用场景。

裸机编程通常涉及直接控制硬件如GPIO、定时器、ADC等，需要对硬件结构和寄存器有深入理解。开发者将编写启动代码来初始化系统，设置中断向量，并且手动管理内存与外设。这种编程方式要求开发者具有良好的底层硬件知识和编程技巧。

在本章后续内容中，我们将深入探讨STM32F407裸机编程的基本步骤，包括环境搭建、基本编程范例、以及如何进行调试和测试。通过本章的学习，读者将能够掌握STM32F407裸机编程的基础知识，为后续章节更高级的应用和优化打下坚实的基础。

# 2. STM32F407硬件结构和原理

## 2.1 STM32F407核心处理器架构

### 2.1.1 ARM Cortex-M4核心特性

ARM Cortex-M4核心是STM32F407系列微控制器的中央处理器，它继承了Cortex-M系列处理器的优秀特性，并加入了数字信号处理（DSP）功能。ARM Cortex-M4处理器支持单周期乘法累加（MAC）和单周期硬件除法操作，使得处理复杂的数学运算更为高效。Cortex-M4的浮点单元（FPU）支持IEEE-754标准单精度浮点运算，为需要数学计算的嵌入式应用提供了便利。

Cortex-M4核心还支持睡眠、深度睡眠和待机三种低功耗模式，以满足不同电源管理需求。指令集采用Thumb-2技术，可在16位和32位之间进行自适应，从而在保证高效执行的同时，最大限度地减少代码大小。此外，Cortex-M4的中断处理能力强大，具有确定的响应时间和优先级管理机制。

### 2.1.2 存储器组织和寄存器

STM32F407的存储器组织包括闪存（Flash）、静态随机存取存储器（SRAM）、嵌入式SRAM以及多种外设寄存器。核心处理器通过内部总线访问这些存储资源。内部的Flash存储器用于程序代码的存储，SRAM作为程序运行时的数据存储区。Cortex-M4核心的寄存器分为通用寄存器、特殊功能寄存器以及状态寄存器。通用寄存器用于数据操作，特殊功能寄存器则用于控制和配置外设。状态寄存器记录了处理器的当前状态，如程序状态字（PSR）。

处理器通过一个简单的地址映射方案访问这些寄存器，其中系统控制块（SCB）寄存器位于地址0xE000E000到0xE000EFFF的范围内。这些寄存器包括系统定时器、中断控制和调试系统等关键功能的控制寄存器。

## 2.2 STM32F407的外设接口

### 2.2.1 GPIO的工作模式和配置

通用输入输出端口（GPIO）是STM32F407与外界进行信号交互的重要接口。STM32F407的每个GPIO端口都可以独立配置为输入、输出或特殊功能模式。输入模式下，GPIO端口可以读取外部信号状态；输出模式下，GPIO端口可以输出高电平或低电平信号；特殊功能模式下，GPIO端口可以配置为模拟输入、外部中断输入或多种通信协议的接口。

GPIO的工作模式通过对应的配置寄存器进行设置。例如，`GPIOx_MODER`寄存器用于设置GPIO端口的工作模式，`GPIOx_IDR`寄存器用于读取输入数据，而`GPIOx_ODR`寄存器用于设置输出数据。例如：

// 使能GPIOA端口的时钟
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;

// 将GPIOA的第一个引脚配置为输出模式，并设置为推挽输出，输出速度为50MHz
GPIOA->MODER &= ~(GPIO_MODER_MODE0); // 清除之前的设置
GPIOA->MODER |= (GPIO_MODER_MODE0_1); // 设置为输出模式
GPIOA->OTYPER &= ~(GPIO_OTYPER_OT_0); // 设置为推挽输出
GPIOA->OSPEEDR |= (GPIO_OSPEEDER_OSPEED0_0 | GPIO_OSPEEDER_OSPEED0_1); // 设置为50MHz
GPIOA->PUPDR &= ~(GPIO_PUPDR_PUPD0); // 不使用上拉或下拉电阻

// 设置GPIOA的第一个引脚输出高电平
GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_ODR0;

在上述代码中，首先需要使能GPIOA端口的时钟。之后，通过修改`MODER`寄存器，将端口的第一个引脚配置为输出模式，并设置为推挽输出，输出速度为50MHz。最后，通过`ODR`寄存器设置引脚输出高电平。

### 2.2.2 定时器和计数器的使用

STM32F407系列微控制器内置了多个高级定时器和通用定时器，这些定时器可以用于测量时间间隔、产生PWM波形、进行输入捕获等操作。定时器和计数器是嵌入式系统中非常重要的外设，它们为实现时间相关的功能提供了强大的支持。

以通用定时器TIM2为例，它是32位定时器，拥有自动重装载寄存器（ARR）和可编程预分频器（PSC），通过它们可以灵活地设置计数频率。下面的代码展示了如何配置TIM2为基本定时器模式，并启动计数：

// 使能TIM2时钟
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;

// 设置预分频器，假设APB1时钟为84MHz，预分频器设置为8400-1
TIM2->PSC = 8400 - 1;

// 设置自动重装载寄存器值，产生1秒的定时周期
TIM2->ARR = 10000 - 1; // 预分频器值为8400，ARR值为10000，得到1秒周期

// 清除计数器
TIM2->CNT = 0;

// 配置中断使能寄存器，使能更新事件中断
TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE;

// 配置中断优先级并使能中断
NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 1);
NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);

// 启动定时器
TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

上述代码首先使能了TIM2的时钟，设置了预分频器和自动重装载寄存器来设定计数频率。之后，清除了计数器，并使能了更新事件中断。定时器配置完成后，启动定时器进行计数。

### 2.2.3 ADC和DAC转换器的应用

STM32F407微控制器集成了多个模拟数字转换器（ADC）和数字模拟转换器（DAC）。这些转换器让STM32F407能够处理模拟信号，例如从传感器获取数据或输出模拟信号控制执行器。

ADC转换器通过配置相关寄存器来启动转换过程。下面是一个简单的例子，展示了如何初始化ADC并开始一次转换：

// 使能ADC时钟
RCC->AHB2ENR |= RCC_AHB2ENR_ADC12EN;

// 配置ADC采样时间
ADC123->SMPR1 |= ADC_SMPR1_SMP0_2;

// 配置通道采样时间
ADC123->SQR3 |= ADC_SQR3_SQ1_0;

// 启动ADC转换
ADC123->CR |= ADC_CR_ADON;

// 等待转换完成
while (!(ADC123->ISR & ADC_ISR_EOC));

// 读取转换结果
uint32_t adc_value = ADC123->DR;

DAC转换器可以用来生成稳定的模拟信号输出。下面的代码配置并启动DAC产生模拟输出：

// 使能DAC时钟
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_DACEN;

// 设置DAC触发器，启用DMA，选择触发源
DAC->CR |= DAC_CR_DMAEN | DAC_CR_EN1;

// 设置DAC输出数据值
DAC->DHR12R1 = 2048; // 12位模式下，2048大约对应于VREF+的中点

// 启动DAC输出
DAC->CR |= DAC_CR_DMAEN | DAC_CR_EN1;

这些例子说明了如何使用STM32F407的ADC和DAC来实现基本的信号转换功能。通过程序控制，可以灵活地对这些转换器进行配置，以满足各种应用需求。

## 2.3 STM32F407的电源管理和时钟系统

### 2.3.1 电源管理策略

STM32F407提供全面的电源管理功能，包括睡眠模式、待机模式、停机模式和唤醒功能。通过多种电源模式，可以在不同的功耗和性能之间做出权衡，以满足低功耗要求的应用。

在软件中，可以通过修改电源控制寄存器`PWR_CR`来设置不同的电源模式。例如，将设备置于睡眠模式：

// 使能PWR时钟
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_PWREN;

// 设置PWR控制寄存器以进入睡眠模式
PWR->CR |= PWR_CR_PDDS; // 直接进入待机模式
PWR->CR |= PWR_CR CWUF; // 清除唤醒标志

// 清除待机和停机唤醒标志
PWR->CR |= PWR_CR_CSBF;

// 进入睡眠模式
__WFI(); // 等待中断，设备进入低功耗模式

上述代码片段演示了如何使能PWR时钟，设置进入待机模式，并执行等待中断指令，使设备进入低功耗状态。

### 2.3.2 时钟树和时钟安全系统

STM32F407使用一个灵活的时钟树结构来配置系统时钟。时钟源可以来自内部RC振荡器、外部晶振或外部时钟输入。通过STM32的时钟安全系统（CSS），系统可以检测外部时钟源的故障，并自动切换到内部时钟源，确保系统稳定运行。

在设计应用时，合理配置时钟树非常重要。例如，可以通过以下代码配置系统时钟源为外部高速时钟（HSE）：

// 使能外部高速时钟（HSE）
RCC->CR |= RCC_CR_HSEON;

// 等待HSE就绪
while((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) == 0);

// 设置PLL源为HSE，并配置分频和倍频参数
RCC->PLLCFGR = (RCC->PLLCFGR & ~RCC_PLLCFGR_PLLSRC) | RCC_PLLCFGR_PLLSRC_HSE;
RCC->PLLCFGR |= RCC_PLLCFGR_PLLM_4 | RCC_PLLCFGR_PLLN_168 | RCC_PLLCFGR_PLLP_4;

// 启用PLL
RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;

// 等待PLL就绪
while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0);

// 配置系统时钟为PLL输出
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_1;
while((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS) != RCC_CFGR_SWS_PLL);

上述代码首先使能外部高速时钟（HSE），并等待它稳定。随后配置PLL的分频、倍频参数，并启动PLL。最后，将系统时钟切换为PLL输出，并等待PLL成为时钟源。

通过以上代码和示例，我们介绍了STM32F407的电源管理和时钟系统，展示了如何在软件中控制这些硬件特性，以适应不同的应用需求。

# 3. STM32F407裸机编程环境搭建

## 3.1 开发工具链的选择与安装

### 3.1.1 Keil MDK-ARM的安装和配置

Keil MDK-ARM是由Keil公司开发的一款针对ARM架构的集成开发环境（IDE），它集成了编译器、调试器和硬件仿真功能，适合STM32F407等ARM Cortex-M系列微控制器的开发。以下是Keil MDK-ARM的安装和配置步骤：

1. 从Keil官网下载最新版本的MDK-ARM软件包。
2. 运行安装程序并遵循安装向导的指示完成安装。安装过程中可以选择安装额外的中间件和工具，比如STM32CubeMX或ST-Link驱动。
3. 安装完成后，启动Keil MDK-ARM，并创建一个新的项目。在项目创建向导中选择相应的MCU型号，即STM32F407。
4. 在项目中配置编译器和链接器选项。这包括设置编译器优化级别、堆栈大小、内存映射等。
5. 选择相应的硬件调试器。对于STM32F407，通常使用ST-Link调试器。安装ST-Link驱动并在Keil中正确配置。

graph LR
A[开始安装] --> B[下载Keil MDK-ARM]
B --> C[运行安装程序]
C --> D[选择MCU型号]
D --> E[配置编译器和链接器]
E --> F[设置硬件调试器]
F --> G[安装调试器驱动]
G --> H[完成配置]

### 3.1.2 STM32CubeMX工具的使用

STM32CubeMX是ST公司提供的一个图形化配置工具，允许用户通过图形化界面设置微控制器的各