stm32学习笔记-1 STM32简介

1 STM32简介

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注：笔记主要参考B站 江科大自化协 教学视频“STM32入门教程-2023持续更新中”。
注：工程及代码文件放在了本人的Github仓库。

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1.1 套件简介

本教程使用STM32最小系统板（STM32F103C8T6）+面包板硬件平台进行学习。使用面包板可以完成任意硬件的连接，相比于成品的开发板方式，使用面包板更有利于对硬件电路的学习，而且也可以避免开发板的一些问题（如引脚冲突、引脚无法更改等）。但是，面包板也有缺点，比如实验现象不对有可能时程序接线的问题，所以连线时要更加细心一些。主要套件如下：

图1-1 STM32开发套件简介

STM32是一款32位单片机（51单片机是8位单片机），其中“ST”是ST公司（得捷电子Digi-Key是其官方授权的分销商），“M”则是“MicroController Unit, MCU”的缩写，即STM32基于ARM Cortex-M内核开发的32位微控制器。补充一点概念上的区别（不是非常认同但先这么记着）：

MCU 和单片机的区别：

1. 原理不同：
   mcu又称单片微型计算机（Single Chip Microcomputer ）或者单片机，重点在于单片。
   单片机则是把一个计算机系统集成到一个芯片上，重点在于芯片，相当于微型计算机但缺少I/O设备。
2. 指代对象不同：
   MCU是指单片微型计算机或者单片机。单片机则是微型计算机家族中的一个分支而已。
3. 范畴不同：
   CPU有三个分支：DSP、MCU（Micro Control Unit，微控制器单元）、MPU（Micro Processor Unit，微处理器单元）。
   单片机是MCU中最具有代表性，是MCU的实现。
4. 功能不同。
   MCU在不同的场合有不同的应用。例如手机、遥控器甚至汽车电子和机器手臂的控制等都有涉及。
   单片机的使用领域比MCU的要更为广泛，从家用电器和通讯设备到智能仪表以及导航系统都有应用。
5. 用途不同：
   MCU倾向于不同信息源的多种数据的处理诊断和运算，更侧重于控制。
   而单片机就是一块芯片，主要是对数据进行高速化处理。

注：但通常认为MCU和单片机概念等价。

STM32功能强大、性能优异、片上资源丰富、功耗低，是一款经典的嵌入式微控制器，常应用在嵌入式领域，如智能车、无人机、机器人、无线通信、物联网、工业控制、娱乐电子产品等。下面是ST公司官网上对于自家STM32 MCU的产品型号介绍：

图1-2 STM32产品型号

注：通常来说，无线wifi都用esp，用stm32的个人玩家很少。

ARM既指ARM公司，也指ARM处理器内核。ARM公司是全球领先的半导体知识产权（IP）提供商（只设计内核，不生产实物），全世界超过95%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构。ARM公司设计ARM内核，半导体厂商完善内核周边电路并生产芯片。ST公司就是ARM公司的授权厂商之一。下面是ARM公司设计的内核系列：

图1-3 ARM内核系列

根据上图，ARM针对不同的应用场景设计了不同型号的内核。经典款逐渐不够用之后，AREM公司推出了新一代的Cortex内核来满足市场需求，并推出了Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M三种系列。通常，A系列适用于高端应用领域（如手机芯片），R系列主要针对实时处理领域（如硬盘监控器），M系列适用于单片机领域。

1.2 STM32芯片内部的外设

下图的左侧是所有STM32芯片的内部结构示意图。可以看出ARM公司设计的内核只是其中的一部分（但最关键，相当于CPU），其他公司围绕着这个内核设计一系列外围电路配合其工作，进而发挥内核的性能。右侧图则给出了本节课程所使用的STM32芯片：STM32F103C8T6。

STM32F103C8T6主要指标：
系列：主流系列STM32F1
内核：ARM Cortex-M3
主频：72MHz
RAM（运行内存）：20K（SRAM）
ROM（程序存储器）：64K（Flash）
供电：2.0~3.6V（标准3.3V）。由于USB供电是5V，所以还要加稳压芯片。（注：51单片机为5V供电）
封装：LQFP48

图1-4 STM32芯片内部结构示意图

表1-1 STM32F1系列的片上资源/外设

英文缩写	名称	补充说明	英文缩写	名称	补充说明
NVIC	嵌套向量中断控制器	内核中用于管理中断的设备，如配置中断优先级。	CAN	CAN通信	常用于汽车领域。
SysTick	系统滴答定时器	内核中的定时器，给操作系统（如FreeRTOS、UCOS等）提供定时服务，以完成任务切换。	USB	USB通信	可以做模拟鼠标、模拟U盘等设备。
RCC	复位和时钟控制	使能各模块时钟，上电默认其他外设模块均无时钟。	RTC	实时时钟	可接备用电池，掉电保持运行。
GPIO	通用IO口	可以用GPIO来点灯、读取按键等。	CRC	CRC校验	—
AFIO	复用IO口	可以完成复用端口的重定义，中断端口的配置。	PWR	电源控制	可使芯片进入睡眠模式，节能。
EXTI	外部中断	引脚有电平变化会触发中断。	BKP	备份寄存器	接备用电池，掉电保存数据。
TIM	定时器	最常用，功能最多的外设，可以测频率、生成PWM波等。分为高级定时器、通用定时器（最常用）、基本定时器。	IWDG	独立看门狗	当程序死机或死循环时，复位程序。
ADC	模数转换器	芯片内的12位ADC外设，无需外接AD芯片。	WWDG	窗口看门狗
DMA	直接内存访问	帮助CPU搬运大量数据。	DAC	数模转换器	—
USART	同步/异步串口通信	异步串口UART应用更多。	SDIO	SD卡接口	用于读取SD卡数据。
I2C	I2C通信	—	FSMC	可变静态存储控制器	用于扩展内存，或配置成其他总线协议。
SPI	SPI通信	—	USB OTG	USB主机接口	让STM32作为USB主机，读取其他设备。

注意：

1. 前两个加粗资源表示是位于Cortex-M3内核里面的外设，剩下的都是位于内核之外的外设。
2. 上表给出的是STM32F1系列芯片中所有的外设，而具体到STM32F103C8T6芯片，则不包含最后4种外设。
3. 关于芯片外设的具体介绍，可以参考数据手册《STM32F10xxx参考手册》、《STM32F103x8B数据手册》。

图1-5 STM32系列产品命名规则

1.3 STM32芯片系统结构

图1-6 STM32芯片系统结构

首先来看看STM32的芯片系统结构（只需要大致了解一下即可）：

• Cortex-M3：内核。注意ICode、DCode、System是直接从内核引出的三根总线。
• Flash：存储编写的程序。ICode总线和DCode总线主要用于连接Flash闪存。
• SRAM：用于存储程序运行时的变量数据。
• ICode：指令总线。加载程序指令。
• DCode：数据总线。加载数据，如常量和调试参数。
• System：系统总线。连接到Flash以外其他外设上，如SRAM、FSMC（本课程不会用到）。
• AHB系统总线：先进高性能总线。用于挂载最基本的（如复位和时钟控制RCC、SDIO）、或者性能比较高的外设。
• APB2、APB1：先进外设总线。用于连接一般的外设。通常AHB（72MHz）性能总体高于APB，而APB2（72MHz）性能高于APB1（36MHz）。所以APB2连接外设中稍微重要的部分，如GPIO、各外设的1号接口；剩下的次要外设给APB1。
• 桥接2、桥接1：由于AHB和APB的总线协议、 总线速度、数据传输格式上的差异，需要加上2个桥接，来完成数据的转换和缓存。
• DMA2、DMA1：拥有和CPU相同的总线控制权，用于帮助CPU完成数据搬运这样简单但重复的活，相当于CPU的小秘书。若外设需要进行数据搬运，那么会直接找DMA（DMA请求），DMA就会获得总线控制权来搬运数据，整个过程无需CPU的参与。

1.4 STM32芯片引脚定义

图1-6 STM32F103C8T6引脚定义

上图给出了UP主自己做的STM32F103C8T6引脚定义。一些说明如下：

1. 标红色的是电源相关的引脚，标蓝色的是最小系统相关的引脚，标绿色的是IO口、功能口引脚。所以 最小系统板主要关心红色和蓝色部分。
2. 类型：S代表电源、I代表输入、O代表输出、I/O代表输入输出。
3. I/O口电平：表示I/O所能容忍的电压，默认3.3V，FT表示5V。注意没有FT标志的引脚都需要加装电平转换电路。
4. 主功能：上电默认功能。
5. 默认复用功能：I/O口上同时连接的外设功能引脚，配置IO口时可以设置是主功能/复用功能。
6. 重定义功能：如果需要某一个端口上实现两个功能，那么可以将其中一个功能重映射到另一个空闲端口上，这个空闲端口的重定义功能需要包含相应的功能。
7. 推荐优先使用加粗的IO口，没有加粗的可能需要配置或兼具其他功能，使用时需要注意。

下面来一一介绍这些引脚的功能（包括PA0~PA15、PB0~PB15、PC13~PC15、9个供电、2个时钟、1复位、1个BOOT0）：

• 引脚1：备用电池供电。可接3V电池，系统断电时为芯片内部的RTC和备用寄存器提供电源。
• 引脚2：IO口/入侵检测/RTC。IO口输出或读取高低电平；入侵检测提供安全保障，可以将外部一些防拆的触点接在此端口，若触点电平变化，STM32芯片会自动清空寄存器数据；RTC可输出RTC校准时钟、RTC闹钟脉冲、秒脉冲。
• 引脚3、4：IO口/32.765kHzRTC晶振。
• 引脚5、6：系统主晶振，一般8MHz，芯片内的锁相环电路将时钟倍频成72MHz作为系统主时钟。
• 引脚7：系统复位引脚。N表示低电平复位。
• 引脚8、9：芯片内部模拟部分的电源，如ADC、RC振荡器等。VSS接地、VDD接3.3V。
• 引脚10~19、21~22、25~33、41~43、45~46：共26个默认普通IO口。 其中的PA0兼具WKUP功能，用于唤醒处于待机状态的STM32。
• 引脚20：IO口/BOOT1引脚。BOOT1引脚用于控制启动模式。
• 引脚23/24、35/36、47/48：系统的主电源口。STM32采用分区供电的方式，所以供电口多。
• 引脚34、37~40：IO口/调试端口。STM32支持SWD和JTAG两种调试方式。SWD只需SWDIO、SWCLK两根线；JTAG需要全部的5根。教程使用STLINK(SWD)下载程序，此时剩余3个引脚可配置成IO口。
• 引脚44：BOOT0，和BOOT1配合，用于启动配置。启动配置就是指定程序开始运行的位置，一般程序在Flash程序存储器中运行，但在某些情况下可以指定程序在别的地方开始执行以完成特殊功能。
  

• “主闪存存储器”启动模式最常用。
• “系统存储器”模式用于串口下载程序，系统存储器中存储的是一段STM32的BootLoader程序，其作用就是接收串口数据然后刷新到主闪存中。当5个调试端口全被配置成IO口时，单片机将无法再下载程序！！ 此时只能使用串口下载程序的方式进行补救。另外，当手头上没有STLINK和JLINK，也可以使用串口来下载程序，通俗来说就是“刷机”。
• “内置SRAM”模式主要用于程序调试，使用较少，本教程不会出现。
• 注意BOOT值是在上电一瞬间（第4个时钟上升沿）有效，后面随意，即BOOT1引脚后续会变成普通IO口。

1.5 STM32最小系统

图1-7 STM32F103C8T6最小系统原理图

上面给出了STM32最小板的原理图。单片机只有一个芯片无法正常工作，还需要连接一些最基本的电路，称之为最小系统电路。即，最小板仅保留引脚中的电源部分（红色）和最小系统部分（蓝色）。

• STM32及供电：连接了4个电源进行分区供电，每个电源的正负极之间都加了滤波电容滤除电源波纹。备用电源VBAT有需要就接上。
• 晶振：8MHz主时钟，内部锁相环倍频到72MHz主频。C1、C2是两个起振电容。若需要RTC功能还需要接32.768kHz晶振，这个晶振经过2¹⁵分频就可以得到1s的计数。
• 复位：给单片机提供复位信号，低电平复位。C3保证上电瞬间NRST为低电平，后续充电变成高电平。左侧并联的按键提供手动复位的功能。
• 启动配置：拨动中间的开关就可以让BOOT1、BOOT0引脚选择相应的高低电平了。开发板上选择了跳线帽实现。
• 下载端口：使用STLINK下载程序，需要将SWDIO、SWCLK两个引脚接出来方便引线，GND必须引出来，3.3V供电可以不引，但是建议这四个引脚都引出来。
• 没有给出的稳压芯片：常用的5V转3.3V稳压芯片有XC6204、XC6206、AMS1117等。