STM32学习总结（二）

STM32学习总结（二）

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提示：写完文章后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档

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一、STM32F407的电源，复位和时钟系统

1.电源

电源是系统稳定运行的根本，主要分为以下几个知识点，电源供电、供电监控、电源管理和低功耗。当前阶段主要了解电源供电和硬件上电时序。

1.1 电源供电

1.2 电源去耦电容的选择

每个电源对 （VDD/VSS， VDDA/VSSA …）必须使用下述的滤波陶瓷电容去耦。这些电容必须尽量靠近芯片引脚，以确保器件正常工作。不建议去掉滤波电容来降低PCB 尺寸或成本，这可能导致器件工作不正常。

2 硬件复位

所有数字计算机系统都是由某种形式的震荡时钟电路驱动的。这种电路被称为系统的“脉搏”，是系统正确运行的关键。如果振荡器失灵，系统将完全无法运行，如果振荡器运行不规律，系统执行的所有与时间有关的计算都会有误差。

所有微控制器的启动流程都不通用。由于硬件的复杂性，必须运行一段由厂家定义的短小的“复位程序”来使硬件处于一种正确的状态，然后再开始执行用户程序。运行这个复位程序需要时间并且要求微控制器的振荡器已经运行。

当系统由可靠的电源供电时，一旦通电，电源迅速地达到额定输出电压，一旦断电，电源迅速地下降到0V，并且在接通的时候，电压不会降低。这时能够可靠地使用基于一个电容和一个电阻的低成本硬件复位。这种形式的复位电路称为阻容复位。

如果电源不够可靠，而涉及安全性，这种简单的阻容解决方案就不合适了。

2.1 上电复位和手动复位

STM32F407开发板的硬件复位原理图如下：

• STM32这款CPU的复位引脚是低电平有效，即NRST为低电平时，CPU处于复位状态。
• R84和C53组成简单的RC复位电路。当系统上电瞬间，C114电容两端电压可以认为是0，CPU处于复位状态。3.3V电源通过R84给C53充电，当C53的电压升到CPU的高电平门槛电压时，CPU退出复位状态转入运行状态。
• 在设计电路时，需要选择适当的R值和C值，以保证NRST低电平持续时间满足CPU复位最小脉宽的要求。
• 当按下S4轻触开关时，C53两端被短路接地，可实现手动复位CPU。

— 注，根据需要，大家也可以使用STM32F407 NRST引脚的内部上拉：
http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=93144

3 软件复位

除了上电和手动复位，程序设计设置中还经常要用到软件复位，即调用一条函数就可以实现复位功能。此函数已经由CMSIS软件包中的core_cm4.h文件提供，函数如下：

/**
  \brief   System Reset
  \details Initiates a system reset request to reset the MCU.
 */
__STATIC_INLINE void __NVIC_SystemReset(void)
{
  __DSB();                                  /* Ensure all outstanding memory accesses included
                                              buffered write are completed before reset */
  SCB->AIRCR  = (uint32_t)((0x5FAUL << SCB_AIRCR_VECTKEY_Pos)    |
                           (SCB->AIRCR & SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk) |
                            SCB_AIRCR_SYSRESETREQ_Msk    );        /* Keep priority group unchanged */
  __DSB();                                                         /* Ensure completion of memory access */

  for(;;)                                                          /* wait until reset */
  {
    __NOP();
  }
}

软件复位反映到实际硬件上，就是给硬件复位部分发一个复位信号：

4 RCC时钟控制

STM32F407有如下六种时钟可供使用：

• HSI (High-speed internal oscillator) ：
  HSI是内部的高速RC振荡器，频率16MHz，可被用于系统时钟。优势是低成本，无需外部时钟，快速启动（仅需几个微秒），缺点是精度差，即使经过校准。

• HSE (High-speed external oscillator):
  HSE是外部的高速振荡器，通过外接时钟源，有源或者无源晶振驱动，时钟范围4-26MHz。优势是精度高，缺点是增加成本。

• LSE (Low-speed external oscillator)
  LSE是外部的低速振荡器，通过外接时钟源，有源或者无源晶振驱动，一般接32.768KHz，主要用于RTC实时时钟。

• LSI (Low-speed internal oscillator)
  LSI是内部的低速RC振荡器，频率约是32KHz，主要用于独立看门狗和自动唤醒，也可以用于RTC实时时钟。

通过下面的时钟树再进一步的认识这几个时钟：

4.1 HSE和LSE硬件设计

• HSE时钟
  当前V5开发板是用的25MHz晶振为HSE提供时钟，硬件设计如下：
  
  晶振和负载电容需要尽可能近地靠近F4的晶振引脚，以减小输出失真和启动稳定时间。负载电容值必须根据选定的晶振进行调节。

对于C46和C47，推荐使用高质量陶瓷电容，这种电容是设计用于需要高频率的场合，并且可以满足晶体或谐振器的需求。C46和C47通常具有相同的值。

这里再额外补充一个知识点，HSE旁路时钟和外置晶振区别：当前V5板子是采用的外置晶振模式，高速外部 (HSE) 时钟可以使用一个4到26MHz 的晶振 / 陶瓷谐振振荡器产生：

而bypass 旁路的意思就是不使用它，绕过它。具体到HSE旁路的话，用户直接提供4-26MHz的时钟源即可，可以使用有源晶振或者FPGA提供时钟等方式：

• LSE时钟
  当前V5开发板是用的32768Hz晶振为LSE提供时钟，硬件设计如下：
  

STM32的LSE晶振起振难（又称RTC起振）是老毛病了，选取晶振和配套电容比较讲究，最好按照ST提供的厂家和配套电容选取：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=87673 。

4.2 时钟配置

STM32F4开发板使用的外部晶振频率是25MHz，下面分步说明如何让其通过这个频率工作到168MHz的主频。

• 第1步：在stm32f4xx_hal_conf.h文件配置HSE_VALUE
  配置的大小要跟板子的实际晶振大小匹配。

#if !defined  (HSE_VALUE) 
#define HSE_VALUE    ((uint32_t)25000000) /*!< Value of the External oscillator in Hz */
#endif /* HSE_VALUE */

• 第2步：系统上电后，在启动文件startup_stm32f429xx.s的复位中断服务程序里面会调用函数SystemInit。

Reset_Handler    PROC
                 EXPORT  Reset_Handler                    [WEAK]
        IMPORT  SystemInit
        IMPORT  __main

                 LDR     R0, =SystemInit
                 BLX     R0
                 LDR     R0, =__main
                 BX      R0
                 ENDP

以往STM32F1和STM32F4系列都会在函数SystemInit里面配置PLL锁相环，使用了HAL后，需要在main函数里面配置。当前SystemInit函数实现的功能如下：

1.    /**
2.      * @brief  Setup the microcontroller system
3.      *         Initialize the FPU setting, vector table location and External memory
4.      *         configuration.
5.      * @param  None
6.      * @retval None
7.      */
8.    void SystemInit(void)
9.    {
10.      /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
11.      #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
12.        SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2));  /* set CP10 and CP11 Full Access */
13.      #endif
14.      /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state ------------*/
15.      /* Set HSION bit */
16.      RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;
17.    
18.      /* Reset CFGR register */
19.      RCC->CFGR = 0x00000000;
20.    
21.      /* Reset HSEON, CSSON and PLLON bits */
22.      RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;
23.    
24.      /* Reset PLLCFGR register */
25.      RCC->PLLCFGR = 0x24003010;
26.    
27.      /* Reset HSEBYP bit */
28.      RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;
29.    
30.      /* Disable all interrupts */
31.      RCC->CIR = 0x00000000;
32.    
33.    #if defined (DATA_IN_ExtSRAM) || defined (DATA_IN_ExtSDRAM)
34.      SystemInit_ExtMemCtl(); 
35.    #endif /* DATA_IN_ExtSRAM || DATA_IN_ExtSDRAM */
36.    
37.      /* Configure the Vector Table location add offset address ------------------*/
38.    #ifdef VECT_TAB_SRAM
39.      SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM */
40.    #else
41.      SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
42.    #endif
43.    }

第12行：使能FPU单元。

第16 – 31行：复位RCC相关寄存器。

第69 – 73行：设置中断向量表的位置。

• 第3步：在main函数的外设驱动初始化函数里面完成时钟初始化，主要是PLL锁相环，让芯片最终工作到168MHz。

二、STM32F407的GPIO基础知识

学前注意

• 学习本章节务必要认真学习并掌握2小节GPIO功能模式分析，学好它们，对后续章节中外设的学习大有裨益。
• 对于不使用的引脚，推荐设置为模拟模式，悬空即可。
• GPIO的速度等级高的时候，最好使能IO补偿单元。
• GPIO还涉及到一个注入电流的问题，此贴可以作为了解

1.GPIO功能简介

STM32F407的GPIO特性如下：

• 输出状态：开漏/推挽 + 上拉/下拉电阻。
• 通过输出数据寄存器（GPIOx_ODR）或者外设（GPIO设置为复用模式时）输出数据。
• GPIO速度等级设置。
• 输入状态：浮空，上拉/下拉，模拟。
• 通过输入数据寄存器（GPIOx_IDR）或者外设（GPIO设置为复用模式）输入数据。
• 通过寄存器GPIOx_BSRR实现对寄存器GPIOx_ODR的位操作。
• 通过配置寄存器GPIOx_LCKR的锁机制，实现冻结IO口配置。
• 每两个时钟周期就可以翻转一次IO。
• 高度灵活的引脚复用功能，允许IO引脚既可以做GPIO也可以做功能复用。

2.GPIO功能模式分析（重要）

STM32F4的GPIO端口可以配置为如下的8种模式：

• 输入浮空

• 输入上拉

• 输入下拉

• 模拟功能

• 具有上拉或下拉功能的开漏输出

• 具有上拉或下拉功能的推挽输出

• 具有上拉或下拉功能的复用功能推挽

• 具有上拉或下拉功能的复用功能开漏
  由于上拉和下拉是可选配置，对应的HAL库配置使用下面6种就可以表示：

• GPIO_MODE_INPUT 输入模式

• GPIO_MODE_OUTPUT_PP 推挽输出

• GPIO_MODE_OUTPUT_OD 开漏输出

• GPIO_MODE_AF_PP 复用推挽

• GPIO_MODE_AF_OD 复用开漏

• GPIO_MODE_ANALOG 模拟模式

2.1 推挽输出

推挽电路是两个参数相同的三极管或 MOSFET，以推挽方式存在于电路中。 电路工作时，两只对称的开关管每次只有一个导通，导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级提高电路的负载能力。 相对于开漏输出模式，推挽输出最大优势是输出高电平时，上升时间快，电压驱动能力强。

2.2开漏输出

开漏端相当于 MOS 管的漏极（三极管的集电极），要得到高电平状态必须外接上拉电阻才行，因此输出高电平的驱动能力完全由外接上拉电阻决定，但是其输出低电平的驱动能力很强。开漏形式的电路有以下几个特点：

• 输出高电平时利用外部电路的驱动能力，减少 IC 内部的驱动。
• 开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平。如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的速度。阻值越大，速度越低，功耗越小。
• 开漏输出提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大；反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。
• 可以将多个开漏输出连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系，即“线与”。可以简单的理解为：在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个引脚输出为逻辑 0，相当于接地，与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，所以外电路逻辑电平便为 0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑 1。

2.3 复用推挽和开漏

复用指的是GPIO切换到CPU内部设备（比如SPI,I2C,UART等电路），也就是GPIO不是作为普通IO使用，是由内部设备直接驱动。推挽和开漏的特征同上。

2.4 四种输入模式

通过上面的引脚结构图可以得到如下三种方式

• 浮空输入：CPU内部的上拉电阻、下拉电阻均断开的输入模式。
• 下拉输入：CPU内部的下拉电阻使能、上拉电阻断开的输入模式。
• 上拉输入：CPU内部的上拉电阻使能、下拉电阻断开的输入模式。

而模拟输入模式是GPIO引脚连接内部ADC。

3.GPIO的拉电流负载和灌电流负载能力

• 拉电流负载：一种负载电流从驱动门流向外电路，称为拉电流负载。比如使用STM32F4的GPIO直接驱动LED就是拉电流形式。
  

• 灌电流负载：负载电流从外电路流入驱动门，称为灌电流负载。比如下面这种形式的LED驱动电路。
  
  有了上面这些知识后再来看STM32F407的IO驱动能力（截图来自STM32F407数据手册）：
  
  通过上面的截图可知：STM32F407单个引脚的最大拉电流和灌电流不可超过25mA。

4.IO补偿单元，用于高速

/** @defgroup GPIO_speed_define  GPIO speed define
  * @brief GPIO Output Maximum frequency
  * @{
  */  
#define  GPIO_SPEED_FREQ_LOW         ((uint32_t)0x00000000U)  /*!< Low speed     */
#define  GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM      ((uint32_t)0x00000001U)  /*!< Medium speed  */
#define  GPIO_SPEED_FREQ_HIGH        ((uint32_t)0x00000002U)  /*!< Fast speed    */
#define  GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH   ((uint32_t)0x00000003U)  /*!< High speed    */

不同的速度等级支持的最大时钟速度可以看此贴 。

5.GPIO兼容CMOS和TTL电平

CMOS和TTL电平兼容问题也是一个比较重要的知识点,参见此贴

6.不使用的引脚推荐设置为模拟模式

主要从功耗和防干扰考虑。

• 所有用作带上拉电阻输入的 I/O都会在引脚外部保持为低时产生电流消耗。此电流消耗的值可通过使用的静态特性中给出的上拉 / 下拉电阻值简单算出。
• 对于输出引脚，还必须考虑任何外部下拉电阻或外部负载以估计电流消耗。
• 若外部施加了中间电平，则额外的 I/O 电流消耗是因为配置为输入的 I/O。此电流消耗是由用于区分输入值的输入施密特触发器电路导致。除非应用需要此特定配置，否则可通过将这些I/O 配置为模拟模式以避免此供电电流消耗。 ADC 输入引脚应配置为模拟输入就是这种情况。
• 任何浮空的输入引脚都可能由于外部电磁噪声，成为中间电平或意外切换。为防止浮空引脚相关的电流消耗，它们必须配置为模拟模式，或内部强制为确定的数字值。这可通过使用上拉 / 下拉电阻或将引脚配置为输出模式做到。

综上考虑，不使用的引脚设置为模拟模式，悬空即可。

三、STM32F407必备的HAL库API（重要）

具体参考此贴

四、STM32F407之GPIO的HAL库API

具体参考此贴