STM32学习笔记（持续更新）丨学习心得丨代码实现
STM32学习笔记
本次课程采用单片机型号为STM32F103C8T6。
课程链接：江科大自化协 STM32入门教程
一、软件下载注册、驱动安装
1.1 软件（器件支持包）下载
由于新型号芯片的不断产生，需要下载器件支持包来更新Keil 5所支持的芯片型号。可以采用离线安装和在线安装两种方式。
软件注册采用注册机方式解决。
1.2 ST-LINK驱动安装
插入ST-LINK到Windows电脑。打开设备管理器，在“其他设备”中“STM32-Link”图标旁会带黄色感叹号。如果没有携带，说明电脑上已经存在ST-Link的驱动。在Keil 5的文件目录中就可以找到驱动安装文件。
除此之外，JLink也是一种常见的调试器。在文件目录中同样可以找到对应的驱动安装文件。
1.3 USB转串口驱动安装
插入USB转串口模块到Windows电脑。打开设备管理器，在“其他设备”中找到“USB-SERIAL CH340”，并且如果图标旁边有感叹号，说明电脑没有安装驱动。
在Windows 11系统中可以在“端口”中找到“USB-SERIAL CH340”。
二、工程的建立
2.1 STM32的开发方式
目前STM32的开发方式主要有基于寄存器的方式，基于标准库（库函数）的方式和基于HAL库的方式。
基于寄存器的方式是用程序直接配置寄存器，来达到想要的功能。这种方式最底层，最直接，效率会更高一些。但是由于STM32的寄存器复杂，寄存器太多，所以不推荐这种方式。
基于库函数的方式是使用ST官方提供的封装好的函数，通过这些函数来间接地配置寄存器。由于ST对寄存器封装的比较好，所以这种方式既能满足对寄存器的配置，对开发人员也比较友好，有利于提高开发效率。本课程采用基于库函数的开发方式。
基于HAL库的方式可以用图形化界面快速配置STM32， 但是这种方法隐藏了底层逻辑。推荐学习过标准库的开发方式之后，对这一种开发方式进行了解和学习。
2.2 新建工程的步骤
- 建立工程文件夹，在Keil中新建工程（工程文件名称为Project，存放在一个文件夹下，对该工程文件的说明写在文件夹上），选择芯片型号（本次课程选用STM32F103C8T6，故选择STM32F103C8）；
- 工程文件夹里建立Start，Library，User等文件夹，复制固件库中的文件到工程文件夹；
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配置STM32的启动文件（STM32的程序从启动文件开始执行）
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打开“固件库”文件夹，打开Libraries → \rightarrow → CMSIS → \rightarrow → CM3 → \rightarrow → DeviceSupport → \rightarrow → ST → \rightarrow → STM32F10x → \rightarrow → startup → \rightarrow → arm，将文件夹中的文件复制到新建的Start文件夹中。
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将启动文件导入到Keil的工程中时，启动文件只能导入一个。课程所用型号需要选择
startup_stm32f10x_md.s文件。启动文件的选择
选择启动文件时，需要考量芯片的两个指标：Flash容量、型号。
根据上表，如果使用STM32F100的型号，就选择启动文件后缀为vl的启动文件，根据Flash容量选择后缀为ld_vl，md_vl，hd_vl的文件，表中其他型号同理。
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回到STM32F10x文件夹，将
stm32f10x.h、system_stm32f10x.c、system_stm32f10x.h复制到Start文件夹中，并导入到工程组Start中（stm32f10x.h就是STM32外设寄存器描述文件，它的作用就同51单片机的头文件REGX52.H一样，是用来描述STM32有哪些寄存器和它对应的地址的）。
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配置内核寄存器的描述文件
- 打开CM3 → \rightarrow → CoreSupport，
core_cm3.h、core_cm3.c就是内核的寄存器描述文件（其中还包含了一些内核的配置函数），同样将它们复制到Start文件夹中，并导入到工程组Start中。
- 打开CM3 → \rightarrow → CoreSupport，
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配置User文件夹
- 在Keil工程文件中新建User文件夹，添加
main.c文件（注意：添加main.c文件时的路径要选择User文件夹，否则默认放在文件夹外），这时对main.c文件进行编译检查，如果没有报错和警告说明工程建立成功。 至此，基于寄存器开发的工程就建立完成了。 - 在在“固件库”文件夹中打开Project → \rightarrow → STM32F10x_StdPeriph_Template，其中
stm32f10x_conf.h是用来配置库函数头文件的包含关系的，其中还包含用来参数检查的函数定义，是所有库函数都需要的。此外stm32f10x_it.h，stm32f10x_it.c是用来存放中断函数的。将这三个文件复制下来，粘贴到工程的User文件夹中
- 在Keil工程文件中新建User文件夹，添加
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配置库函数Library文件夹
- 在工程文件夹中新建Library文件夹。
- 在“固件库”文件夹中打开Libraries → \rightarrow → STM32F10x_StdPeriph_Driver（STM32标准外设驱动） → \rightarrow → src，其中的文件就是库函数的源文件，其中
misc.c是内核的库函数，其他都是内核外的外设库函数。将其中所有文件复制到Library文件夹中。 - 在Libraries → \rightarrow →STM32F10x_StdPeriph_Driver（STM32标准外设驱动） → \rightarrow → inc 中是库函数的头文件，将其中所有文件复制到Library文件夹中。
注意事项
需要用的文件一定要复制到工程的文件夹里面，不要添加工程文件夹外面的文件，否则外面的文件一旦挪动位置，工程里就找不到文件了。所以我们要将用的文件复制到工程中，以保证工程的独立性。
- 工程里对应建立Start，Library，User等同名称的分组（Group），然后将文件夹内的文件添加到对应的分组里；
- 点击工程选项（魔术棒）、C/C++、在Include Path内声明所有包含头文件的文件夹（Start，Library，User）；
- 点击工程选项、C/C++、在Define内定义USE_STDPERIPH_DRIVER（宏定义，意为使用标准外设驱动）这是库函数的条件编译，使用库函数开发就必须要定义；
- 该宏定义在头文件
stm32f10x.h中（8296行）
#ifdef USE_STDPERIPH_DRIVER
#include "stm32f10x_conf.h"
#endif
其他工程在这个位置还声明了 STM32F10X_MD的字符串，但是Keil5在新建工程之后会自动声明该字符串，不需要再额外声明。
- 点击工程选项、Debug中下拉列表选择对应的调试器（本次课程使用ST-Link进行调试，故选择ST-Link Debugger），点击Settings，在Flash Download里勾选Reset and Run，勾选上这一项之后，下载的程序会立马复位并执行，省去了在开发板上手动按下复位的步骤。
2.3 工程文件的架构
工程的建立非常灵活，学会建立工程后可以依照自己的风格建立工程。
根据上图，我们可以了解STM32的工程架构（总结）如下所示：
首先是主动执行的文件：
startup_xx.s启动文件- 启动文件是程序执行最基本的文件，由汇编语言编写。启动文件内定义了中断向量表，中断服务函数等。
- 在中断服务函数中有一个复位中断，是整个程序的入口。 复位中断中调用
StstemInit函数和main函数。StstemInit函数定义在system_xx.c/.h文件中，这个函数的作用是设置微控制器的启动，初始化嵌入式闪存接口，锁相环，更新系统内核的时钟变量。这个函数仅在复位后需要调用。 - 在启动文件中还定义了STM32所有的其他中断函数。这些中断函数的定义，存放在
stm32f10x_it.c/.h中。在这两个文件最后还可以定义用户自己写的中断函数。当然，写在别的地方也可以。
system_xx.c/.h文件：定义SystemInit函数main.c文件：定义main函数stm32f10x_it.c/.h文件：定义中断函数- 其他用户文件：封装一些模块函数供主函数和中断函数调用
下面是被动执行的文件，相当于STM32的资源：
stm32f10x.h文件：外设寄存器描述- 该文件中都是寄存器和每一位寄存器的名字、地址信息等
core_cm3.c/.h文件：内核寄存器描述misc.c/.h，stm32f10x_adc.c/.h…文件：库函数stm32f10x_conf.h文件：库函数配置文件- 该文件用来配置头文件的包含关系，它include了所有的库函数头文件，同时在
stm32f10x.h中又include了stm32f10x_conf.h。所以，在使用这些库函数时，只需要包含stm32f10x.h这一个头文件，就相当于包含了所有的头文件
- 该文件用来配置头文件的包含关系，它include了所有的库函数头文件，同时在
2.4 环境的优化处理
- 为防止出现中文乱码在设置中将Encoding改为UTF-8格式（如果打开别人的文件出现乱码，可以尝试修改其他的编码格式）
- 在设置中的Colors & Fonts中可以修改字体样式和大小
2.5 使用寄存器开发实操
下面对开发板上的LED PC13 进行点灯操作。（通过查询数据手册寻找对应寄存器直接赋值。）
#include "stm32f10x.h" // Device header
int main(void)
{
RCC->APB2ENR = 0x00000010;
GPIOC->CRH = 0x00300000;
GPIOC->ODR = 0x00000000; // 灯亮
// GPIOC->ODR = 0x00002000; // 灯灭
while (1)
{
}
}
这种操作方式需要不断地查手册来了解每个寄存器的每一位的作用；且弊端为我们把除了PC13之外的位都配置为0，这会影响到其他端口的原有配置。如果想单独配置PC13位，需要使用 &=和 |= 的操作，太过麻烦，对开发人员不友好。
需要注意，编程完成后最后需要多空一行，否则程序会报出一个警告。
2.6 使用库函数配置寄存器实操
使用库函数配置寄存器虽然代码较为复杂，但是逻辑清晰，易于操作。下面对开发板上的LED PC13 进行点灯操作，初步体验GPIO的使用方法。在下一章会对GPIO作详细介绍。
#include "stm32f10x.h" // Device header
int main(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
// RCC_APB2外设时钟控制命令，用来开启时钟，RCC_APB2Periph_GPIOC是APB2的一个外设
// 在这个函数内部一样采用了&=和|=操作来配置RCC->APB2ENR寄存器，但是经过函数包装，我们不再需要去查手册来确认寄存器内每一位的功能
// 下面配置GPIO_Init函数第二个参数需要的结构体
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; // 定义一个结构体
// 下面是结构体的三个参数
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // GPIO模式，GPIO_Mode_Out_PP为通用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13; //GPIO端口
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // GPIO速度
// 下面配置端口模式
GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
// GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); // 把指定端口设置为高电平，灯灭
GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); // 把指定端口设置为低电平，灯亮
while (1)
{
}
}
在配置结构体GPIO_InitStructure的三个参数时，需要手动查找定义的位置。以GPIO_InitStructure.GPIO_Mode为例，右键跳转到定义，选中GPIOMode_TypeDef，按下Ctrl+F，点击Find next即可找到GPIOMode_TypeDef的定义。可以看到它是一个枚举,而GPIO_InitStructure.GPIO_Mode应该赋的值就是这里对应的一个值（根据实际情况而定）。
三、GPIO 通用输入输出
GPIO，全称为General Purpose Input Output，意为通用输入输出，可配置八种输入输出模式。引脚电平： 0 V − 3.3 V 0V-3.3V 0V−3.3V（ V O L = 0 V , V O H = 3.3 V V_{OL}=0V, V_{OH}=3.3V VOL=0V,VOH=3.3V），部分引脚可以容忍 5 V 5V 5V（容忍的意思是可以在这个端口输入 5 V 5V 5V 的电压，也认为是高电平，具体哪些端口可以容忍 5 V 5V 5V 需要查找STM32的引脚定义。在引脚定义中带FT，意为Five Tolerate，就是可以输入 5 V 5V 5V 的端口）。
GPIO在输出模式下可控制端口输出高低电平，用以驱动LED，控制蜂鸣器，模拟通信协议输出时序等。如果控制的是功率比较大的设备，只需要再加入驱动电路即可。
GPIO在输入模式下可读取端口的高低电平（电压），用于读取按键输入，外界模块的（电平）信号输入，ADC电压采集，模拟通信协议接收数据等。
3.1 GPIO的基本结构
在所有的STM32中，所有的GPIO外设都挂载在APB2外设总线上。其中GPIO外设是按照GPIOA、GPIOB、GPIOC等命名的。
每个GPIO外设有16个引脚。以GPIOA为例，它的引脚编号分别为PA0，PA1，PA2 … PA15。其他GPIO的引脚也是这样命名的。
在GPIO模块内部，主要包含了寄存器和驱动器两个模块。寄存器就是一段特殊的存储器，内核可以通过APB2总线对寄存器进行读写，以完成输出电平和读取电平的功能。
STM32是32位的单片机，其中的寄存器都是32位的。而端口只有16个，故寄存器只有低16位有对应的端口，高16位没有用到。
驱动器的作用是增加信号的驱动能力。寄存器只负责存储数据，需要用驱动器来增大驱动能力。
3.2 GPIO位结构及其工作模式
3.2.1 GPIO位结构
GPIO每一位具体的电路结构如上图所示。整体结构可以分为图上部的输入部分和图下部的输出部分。
- 引脚和保护二极管
- 保护二极管可以保证党引脚电平高于 V D D ( 3.3 V ) V_{DD}(3.3V) VDD(3.3V)或低于 V S S ( 0 V ) V_{SS}(0V) VSS(0V)时保护内部电路安全。
- 输入数据寄存器和输入驱动器
- 上拉电阻和下拉电阻：可以通过程序配置上拉输入模式和下拉输入模式，其主要作用是设置一个默认的输入电平，即输入引脚空载时内部数字电路接受的电平。为了避免引脚悬空导致的数据不确定，需要配置输入端口的输入模式。如果上下开关全部断开，此时端口处于浮空输入模式。
- TTL肖特基触发器：可以理解为用肖特基管组成的施密特触发器，作用是对输入电压进行整形。对于施密特触发器，之后当输入电压高于 V T + V_{T+} VT+（正向阈值电压）或低于 V T − V_{T-} VT−（负向阈值电压）时输出电压才会突变。接入施密特触发器可以有效避免因信号波动造成的输出抖动现象。
- 经过施密特触发器整型的波形就可以写入输入数据寄存器了。
- 模拟输入：链接到（片上外设）ADC，用于读取模拟量。
- 复用功能输入：链接到其他需要读取端口的片上外设（例如串口的输入引脚），用于读取数字量。
- 输出数据寄存器和输出驱动器
- 输出数据寄存器：如果选择通过输出数据寄存器进行控制（采用基于寄存器开发的开发方法），即普通的IO口输出，对输出数据寄存器进行写操作就可以操作对应的端口了。输出数据寄存器同时控制16个端口（16位），且该寄存器只能整体读写。 如果想单独操作这个数据寄存器的某一位，需要先读出这个寄存器，然后按照按位与和按位或的方式更改该位，最后再将更改后的数据写入。
- 位设置/清除寄存器：可以用来单独操作输出数据寄存器的某一位，而不影响其他位。如果需要对输出数据寄存器的某一位写入1，则在位设置寄存器的对应位置写1，其他位置写0（表示不需要操作）即可；如果想对某一位写0，就在位清除寄存器的对应位置写1，其他位置写0（表示不需要操作）即可。在本课程中主要采用库函数进行操作，库函数使用的就是操作位设置/清除寄存器的方法。
在STM32中，操作寄存器的某一位还可以操作 “位带” 区域，类似于51单片机中的位寻址。在STM32中，专门分配有一段地址区域，这段地址映射了RAM和外设寄存器所有的位。读写这段地址中的数据，就相当于读写所映射位置的某一位。在本课程中不会用到该种操作方式。
- 输出驱动器：由输出数据寄存器和其他片上外设控制，通过一个（二选一）数据选择器链接到输出控制模块。通过设置可以选择推挽、开漏或关闭三种输出方式。
- 推挽输出模式：又称为“推拉”，“互补”的输出模式。当数据寄存器（复用功能输出）为1时，P-MOS导通，N-MOS截止，输出高电平；数据选择器（复用功能输出）为0时，P-MOS截止，N-MOS导通，输出低电平。在这种模式下，高低电平均有较强的驱动能力 ，所以推挽输出模式也称作强推输出模式。在推挽输出模式下，STM32对IO口具有绝对的控制权 ，高低电平都由STM32说了算。
- 开漏输出模式：意为N-MOS的漏极和 V D D V_{DD} VDD是开路的，即P-MOS开路（无效）。数据寄存器（复用功能输出）为1时，N-M断开，这时IO口呈现高阻模式（没有驱动能力）；数据寄存器（复用功能输出）为0时，N-MOS导通，输出低电平。这种模式下只有低电平有驱动能力。 开漏输出模式可以作为通信协议的驱动方式，例如I2C。在多机通信的情况下，这个模式可以避免各个设备的相互干扰。此外，开漏输出可以通过外接上拉电源和电阻以提高端口的带载能力，或兼容一些 5 V 5V 5V 输入的设备（输出 5 V 5V 5V 的电平信号）。
- 关闭状态：意为当引脚配置为输入模式时，两个MOS管都无效（开路），端口的电平由外部信号控制。（高阻态，没有驱动能力）
3.2.2 GPIO的八种工作模式
通过对GPIO的端口配置寄存器进行操作，即配置弱上拉/下拉电阻开关的通断，施密特触发器是否有效，N-MOS和P-MOS是否有效，数据选择器的选择等，端口可以被配置为以下八种模式：
下面是各种输入模式的等效电路图：
- 浮空/上拉/下拉输入模式
- 模拟输入模式
- 推挽/开漏输出模式
- 复用推挽/开漏输出模式
可以看到，只有模拟输入模式下，数字输入（施密特触发器）处于关闭状态。输入时输出呈现高阻态，但输出的同时端口同样可以输入（读取端口状态）。
3.3 GPIO中的寄存器简介
- 端口配置寄存器
在一个GPIO中，每一个端口需要4位进行配置，16个端口就需要64位进行配置。由于STM32的寄存器都是32位的，故一共需要两个寄存器，分为端口配置低寄存器和端口配置高寄存器。在端口配置寄存器中还可以定义GPIO输出的速度，即限制输出引脚的最大翻转频率，设计输出速度的目的是调节功率和稳定性。 - 端口输入数据寄存器
端口输入数据寄存器的低16位对应16个引脚，高16位没有使用。 - 端口输出数据寄存器
与输入数据寄存器相同，端口输出数据寄存器的低16位对应16个引脚，高16位没有使用。 - 端口位设置/清除寄存器
该寄存器的高16位实现位清除，低16位实现位设置。如果想对多个端口同时进行位设置和位清除，即对GPIO信号的同步性要求较高，可以只使用这一个寄存器。 - 端口位清除寄存器
该寄存器的低16位实现位清除，高16位没有使用。它可以与上面一个寄存器配合使用，使用时两个寄存器都只使用寄存器的低16位，操作更为方便。 - 端口配置锁定寄存器
该寄存器可以对端口的配置进行锁定，防止意外更改。
持续更新中……