STM32经验分享第6章单片机开发模式的发展

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STMCU小助手发布时间：2022-8-30 13:39

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文章简介:	STM32经验分享第6章单片机开发模式的发展

6.1 STM32结构
从“2.2 ARM与STM32的关系”可知，ARM公司负责设计内核，半导体芯片厂商拿到内核授权后，根据产品需求，添加各类组件，生产芯片售卖。如图 6.1.1 所示，为STM32的组成示意图，其中Cortex-M3内核、调试系统都是ARM公司设计，内部总线、外设、存储、时钟复位等都由ST公司开发。

在编程之前，对STM32的总线结构、存储结构、外设寄存器等有个大致了解，有助于理解编程中的一些操作。此外，中断与异常（Nested Vectored Interrupt Controller，NVIC）、时钟复位（Reset and Clock，RCC）也很重要，且与编程紧密相关，在后面相关实验章节里再专门讲解。

对于开发者，掌握一款MCU的开发需要重点关注四大模块：时钟复位、中断异常、存储映射和外设寄存器组。

图 6.1.1 STM32组成示意图

6.1.1 STM32总线结构
总线（Bus）是各种信号线的集合，是嵌入式系统中各部件之间传输数据信息、地址信息和控制信息的公共通道。

与总线相关的主要参数有总线宽度、总线频率和总线带宽。总线宽度是指总线能同时传输的数据位数，如8位、32位、64位；总线频率是指总线的工作速度，频率越高，速度越快；总线带宽用来描述总线传输数据的快慢，总线带宽=总线宽度x总线频率/8，单位为MB/s。

STM32的总线结构如图 6.1.2 所示，可以分为6部分。

图 6.1.2 STM32总线结构框图

①ICode总线（Instruction bus）：用于访问存储空间里指令的总线；

②DCode总线（Data bus）：用于访问存储空间里数据的总线；

③System总线：用于访问指令、数据以及调试模块接口；

④DMA总线：用于内存与外设之间的数据传输；

⑤Bus matrix（总线矩阵）：用于总线之间的访问优先级管理控制；

⑥APB总线：用于外设接口的数据传输；ARM公司推出AMBA片上总线结构，该总线主要包含先进高速总线（Advanced High-speed Bus，AHB）和先进外设总线（Advanced Peripheral Bus，APB），分别连接高速设备和低速设备。基于这个总线结构，ICode、Dcode、System Bus都是AHB总线。这里AHB系统总线经过两个AHB-APB桥转换成了两个APB总线。APB1上挂接有DAC、UART等外设，其最高频率可达36MHz；APB2上挂接有ADC、GPIO等外设，其最高频率可达72MHz。

在MCU每次复位后，所有的外设时钟都会默认处于关闭状态。因此，在使用外设前需要操作复位和时钟寄存器(Reset and Clock Control，RCC)开启所需外设的时钟。

6.1.2 STM32存储结构
CPU通过总线访问各个外设，现在通往外设的“路”已经铺好，还需要规定各个外设的“门牌号”，以便精准控制每个外设。ARM Cortex-M3系列的处理器，采用存储器与I/O设备（外设）统一编址的方式，将部分存储器地址范围用于外设，这种通过存储器地址访问外设的方式，称为存储器地址映射。

对于32位的处理器，可寻址的范围为232字节，即，也就是0x00000000至0xFFFFFFFF。ARM将这4G空间从低地址到高地址依次划分为代码区（Code）、片上SRAM区（SRAM）、片上外设（Peripheral）、片外RAM（External RAM）、片外外设（External Device）和系统级（System level），如图 6.1.3 所示。

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图 6.1.3 ARM Cortex-M3存储器映射结构图

ARM公司只是大概的规定了存储器空间的映射，允许各芯片厂商在指定范围内自行定义和使用这些存储空间，未分配的空间为保留的地址空间。

STM32在ARM规定的基础上，将4G空间分为了Block0、Block1、Block2、……、Block7，共8块，每块大小为512MB，如下表 6.1.1 所示，详细结构如图 6.1.4 所示。

表 6.1.1 STM32存储器映射结构

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图 6.1.4 STM32存储器映射结构

①0x0000 0000 ~ 0x1FFF FFFF(512MB)：作为代码区，用于存放下载的代码。系统上电后，将从该部分读取代码；

②0x2000 0000 ~ 0x3FFF FFFF(512MB)：作为SRAM区，用于存放运行代码。系统上电后，将从Flash读取代码，放到SRAM里，CPU再从SRAM读取代码运行；

③0x4000 0000 ~ 0x5FFF FFFF(512MB)：作为片上外设区，用于存放厂商外设寄存器。要操作外设，即修改这里对应的外设寄存器；注意这里的RCC和Port B外设的地址范围，后面很快就会用到；

④0x6000 0000 ~ 0x9FFF FFFF(1GB)：作为片外RAM，用于扩展RAM。当SRAM或者Flash不够用时，MCU通过FSMC外接其它IC芯片，则在这个地址范围读写IC芯片数据；

⑤0xA000 0000 ~ 0xDFFF FFFF(1GB)：作为片外外设区，用于读写扩展IC芯片的寄存器。ST只用了这里的一半空间，另外一空间未使用；

⑥0xE000 0000 ~ 0xFFFF FFFF(512MB)：作为内核外设区，用于存放Cortex-M3内核的内部外设。Cortex-M3内核的内部外设有NVIC、Systick等；

在Block0、Block1圈出的三个范围，分别对应前面介绍的三个启动模式。当从主存储器启动，则是从Flash启动；当从系统存储器启动，则是从System memory启动；当从SARM启动，则是从SRAM启动。

对于开发人员，通常就是对Block2的片上外设寄存器进行读写操作，以控制外设资源，实现所需效果。

6.1.3 STM32寄存器
寄存器是用来存储二进制数据的时序逻辑电路，由众多晶体管组成。

前面提到的寄存器，都是外设寄存器。这些外设寄存器由芯片厂商设计，与存储器统一编址，常用C语言的指针来表示外设寄存器地址，实现对外设寄存器的访问和操作。

在嵌入式系统中，除了外设寄存器，还有一类叫CPU内部寄存器。这些内部寄存器由ARM设计，在CPU内部，常用汇编语言直接操作，用于暂存参与运算的数据和内核的一些控制。

开发人员，通常只操作外设寄存器实现需求功能，后面实验会详细讲解外设寄存器。而内部寄存器在实际开发中接触会比较少，后面汇编点灯实验会涉及部分相关知识，本小结简单介绍下内部寄存器。

ARM Cortex-M3微处理器的内部寄存器，又分为普通寄存器和特殊功能寄存器。普通寄存器如图 6.1.5 所示。

图 6.1.5 Cortex-M3通用寄存器

R0-R12（General-Purpose Registers）：用于数据操作的32位通用寄存器；一些16位的Thumb指令，只能访问低寄存器（R0~R7）；

R13（Stack Pointers，SP）Cortex-M3包含两个堆栈指针寄存器；同一时刻只能看到其中一个；

主堆栈指针寄存器（Main Stack Pointer，MSP）：操作系统（OS）内核和异常处理程序使用的默认堆栈指针；

进程堆栈指针寄存器（Process Stack Pointer，PSP）：用于用户代码；

R14（Link Register，LR）：链接寄存器；调用子例程时，返回地址将存储在链接寄存器中；

R15（Program Counter，PC）：程序计数器；总是指向下一条指令所在单元的地址，可以写入该寄存器以控制程序流；

Cortex-M3处理器还具有许多特殊寄存器，如图 6.1.6 所示。

图 6.1.6 Cortex-M3特殊寄存器

xPSR（Program Status registers）：程序状态寄存器；用于存放程序运作中的各种状态信息以及中断等状态；由应用状态寄存器（APSR）、中断状态寄存器（IPSR）和执行状态寄存器（EPSR）组成；

PRIMASK、FAULTMASK和BASEPRI：中断屏蔽寄存器；用于控制异常和中断的屏蔽；

CONTROL：控制寄存器；用于定义特权状态和当前使用哪一个堆栈指针；

【总结】

STM32由ARM公司设计的Cortex-M3内核与ST公司开发的外设资源组成。

Cortex-M3内核有内部寄存器，主要用于运算和内核的控制，这块对于初学者较难，暂时了解即可。

Cortex-M3内核通过总线和外设连接，重点了解大部分外设都挂载APB即可。

STM32采用存储器与外设统一编址的方式，控制外设，则对应操作指定地址的外设寄存器即可，这是后续实验的重点。

6.2 使用汇编开发
汇编语言（Assembly Language）是一种用于电子计算机、微处理器、微控制器或其它可编程器件的低级语言。

在单片机出现之初，由于性能限制，都是使用汇编进行开发。随着技术的发展，制程工艺的提升，单片机的处理速度越来越快，越来越多的单片机使用C语言开发。如今，一些低端MCU还在使用汇编开发；一些高要求程序优化的场合也会使用汇编；MCU/MPU的启动初始化部分也是汇编。本小结就带领读者感受下如何使用汇编操作开发板LED灯。

在编写代码前，本应该分析《开发板原理图》和《参考手册》，从而得知需要操作哪些外设寄存器，但这不是本小结主要内容，具体的分析方法放在后面对应的实验章节，读者暂时无需深入理解以下内容的由来：

1. 从《开发板原理图》可知，控制GPIOB 0引脚，即可控制开发板三色灯的红色灯；

2. 从前面STM32总线结构分析可知，GPIOA挂载APB2上，由RCC控制；

3. 从前面STM32存储结构分析可知，RCC起始地址为0x4002 1000，再仔细查看《参考手册》RCC寄存器部分，可知寄存器RCC_APB2ENR（偏移地址：0x18）的第2位（IOPAEN），设置为1则GPIO A组的使能；

4. 从前面STM32存储结构分析可知，GPIO A起始地址为0x4001 0800，再仔细查看《参考手册》GPIO寄存器部分，可知寄存器GPIOx_CRL（偏移地址：0x00）的第4:5位（MODEy），设置为1则GPIO A1为输出，寄存器GPIOx_ODR（偏移地址：0x0C）的第1位（ODRy），设置为1则GPIO A1为输出高，设置为0则GPIO A1为输出低；

有了以上基础，就可以编程控制LED灯了，本章涉及的代码位于100ASK_STM32F103_MINI开发板资料的“5_程序源码\0_单片机开发模式的发展\1_使用汇编开发\”。

如代码段 6.2.1 所示。汇编代码对初学者不友好，读者对代码内容不理解也正常，也无需深入理解汇编指令，这里主要目的是展示如何用汇编操作寄存器。

代码段 6.2.1 汇编操作寄存器（startup_stm32f10x_md.s）

; Reset handler
Reset_Handler PROC
; 使能GPIOA
LDR R0, =(0x40021000 + 0x18) ; RCC_APB2ENR
LDR R1, [R0]
ORR R1, R1, #(1<<2)
STR R1, [R0]
; 设置GPIOA1为输出引脚
LDR R0, =(0x40010C00 + 0) ; GPIOA_ CRL
LDR R1, [R0]
ORR R1, R1, #(1<<4)
STR R1, [R0]
MainLoop
; 设置GPIOA1输出高电平
LDR R0, =(0x40010800 + 0xC) ; GPIOA_ODR
LDR R1, [R0]
ORR R1, R1, #(1<<1)
STR R1, [R0]
BL Delay
; 设置GPIIOA1输出低电平
LDR R0, =(0x40010800 + 0xC) ; GPIOA_ODR
LDR R1, [R0]
BIC R1, R1, #(1<<1)
STR R1, [R0]
BL Delay
B MainLoop
Delay
LDR R0, =300000
DelayLoop
SUBS R0, #1
BNE DelayLoop
BX LR
NOP
ENDP
END

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4~8行：设置外部寄存器RCC_APB2ENR的第2位（IOPAEN）为1，使能GPIO A组的时钟；

5行：将0x40021018（RCC_APB2ENR的基地址+偏移地址）放入内部寄存器R0中；

6行：将0x40021018地址的值（此时RCCC_APB2ENR寄存器的值），放入内部寄存器R1；

7行：将R1的Bit2设置为1，并将设置后的结果放入R1；

8行：将R1的内容，放入R0所指向的地址，也就是将修改后的数据放入RCCC_APB2ENR寄存器；

10~14行：设置外部寄存器GPIOA_ CRL的第4:5位（MODE）为1，让GPIO A1为输出模式；

16~30行：设置外部寄存器GPIOA_ODR的第0位（ODR）先后为1和0，让GPIO A1为输出高、低电平；

32~40行：循环减R0实现延时效果；

以上汇编代码就实现了开发板用户LED灯（蓝色）交替闪烁效果，读者可以打开配套资料的“5_程序源码\0_单片机开发模式的发展\1_使用汇编开发\ Project\Led_Reg.uvprojx”工程，编译、下载，体验效果。

可以感受到，使用汇编编写程序，生涩难懂，因此越来越少的单片机使用汇编来编写代码，下面再来体验下C语言实现一样的效果。

6.3 C语言操作寄存器开发
在使用C语言操作寄存器前，仍需要先分析《开发板原理图》和《参考手册》，从而得知需要操作哪些外设寄存器，假设读者已经了解需要操作哪些外设寄存器。

本章涉及的代码位于100ASK_STM32F103_MINI开发板资料的“5_程序源码\0_单片机开发模式的发展\2_C语言操作寄存器开发\”。

使用C语言之前，需要先设置栈，如代码段 6.3.1 所示，在上电复位后立即设置栈，随后跳入main函数执行。

代码段 6.3.1 设置栈（startup_stm32f10x_md.s）

; Reset handler
Reset_Handler PROC
IMPORT main
LDR SP, =0x20000000+0x100
BL main
ENDP
END

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代码段 6.3.2 C语言操作寄存器（main.c）

#define RCC_APB2ENR (0x40021000 + 0x18)
#define GPIOA_BASE (0x40010800)
#define GPIOA_CRL (GPIOA_BASE + 0)
#define GPIOA_ODR (GPIOA_BASE + 0X0c)
void delay(volatile long i)
{
while (i--);
}
int main(void)
{
volatile unsigned int *pRccApb2Enr;
volatile unsigned int *pGpioaCrl;
volatile unsigned int *pGpioaOdr;
pRccApb2Enr = (volatile unsigned int *)RCC_APB2ENR;
pGpioaCrl = (volatile unsigned int *)GPIOA_CRL;
pGpioaOdr = (volatile unsigned int *)GPIOA_ODR;
/* 1. 使能GPIOB的时钟
* GPIO是挂载在APB2上的，所以我们要使能APB2的外设时钟使能位
* 从RCC_APB2ENR寄存器描述中我们可以看到APB2ENR[8:2]是GPIO[G:A]时钟的控制位，控制GPIO时钟是失能或者使能
* 开发板上的LED的GPIO组是使用的GPIOA，即要使能APB2ENR[2]位，为其赋值“1”即可打开GPIOA的时钟 */
*pRccApb2Enr |= (1<<2);
/* 2. 设置GPIO为输出功能:
* MODE_0=1,PB0输出模式，输出速率最大10MHz
*/
*pGpioaCrl |= (1<<4);
while (1)
{
*pGpioaOdr |= (1<<0);
delay(1000000);
*pGpioaOdr &= ~(1<<0);
delay(1000000);
}
}

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主函数如代码段 6.3.2 所示。

1~4行：用宏定义了需要用到的各外设寄存器地址：RCC_APB2ENR、GPIOA_ CRL、GPIOA_ODR；

6~9行：循环递减传入的变量i，实现延时效果；

13~15行：定义指针变量；

17~19行：设置指针指向对应寄存器；

25~30行：设置RCC_APB2ENR、GPIOA_ CRL对应位；

32~38行：循环修改GPIOA_ODR实现LED灯交替闪烁；

以上代码就实现了开发板用户LED灯（蓝色）交替闪烁效果，读者可以打开配套资料的“5_程序源码\0_单片机编程模式的发展\ 2_C语言操作寄存器开发\ Project\Led_Reg.uvprojx”工程，编译、下载，体验效果。

使用C语言后，只需定义指针变量指向对应寄存器，修改该指针变量的值，即可修改对应寄存器，操作上方便了很多。

6.4 C语言使用标准库开发
前面的两种开发方式，适用于任何一款芯片，但需要仔细阅读《参考手册》找到对应寄存器，然后用指针变量指向寄存器。

ST公司为了让用户更快上手开发，产生用户粘性，将外设寄存器提前定义好，准备一些常用接口函数供用户使用，这就是标准库的雏形。

下面来感受下使用标准库的简便性。使用标准库通常不需要知道外设寄存器地址，只需要分析《开发板原理图》得知会用到哪一个引脚。

本章涉及的代码位于100ASK_STM32F103_MINI开发板资料的“5_程序源码\0_单片机开发模式的发展\2_C语言使用标准库开发\”。

首先使用C语言需要设置栈，这些初始化操作标准库已经帮忙完成了，我们只需要编写主函数即可，如代码段 6.4.1 所示。

代码段 6.4.1 C语言使用标准库开发（main.c）

#include "main.h"
#include "stm32f10x.h"
#include "driver_led.h"
void delay(volatile long i)
{
while (i--);
}
int main(void)
{
// 初始化LED
LedGpioInit();
// 点亮LED灯
while(1)
{
GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_1, Bit_SET);
delay(1000000);
GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_1, Bit_RESET);
delay(1000000);
}
}

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5~8行：循环递减传入的变量i，实现延时效果；

14行：调用编写的“LedGpioInit()”函数，初始化需要的GPIO，该函数定义在“driver_led.c”里，如代码段 6.4.2 所示；

17~23行：循环修改GPIOA_ODR实现LED灯交替闪烁；这里不再涉及寄存器操作，只需要调用标准库提供的“GPIO_WriteBit()”函数即可，该函数需要三个参数，分别是：GPIO端口、该端口引脚号、电平高低。这里操作GPIOA 1引脚，因此传入“GPIOA”、“GPIO_Pin_1”、“Bit_SET”或“Bit_RESET”，使用这些宏定义，用户基本就无须查阅《参考手册》，上手相对容易很多；

代码段 6.4.2 GPIO初始化（driver_led.c）

#include "driver_led.h"
/*
* 函数名：void LedGpioInit(void)
* 输入参数：无
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：初始化LED的引脚，配置为推挽输出
*/
void LedGpioInit(void)
{
// 定义GPIO的结构体变量
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
// 使能LED的GPIO对应的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; // 选择LED的引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 设置为推挽输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 引脚反转速度设置为快
// 初始化引脚配置
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

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15行：使用标准库提供的“RCC_APB2PeriphClockCmd()”，传入需要设置的外设名字、是否使能；

13~22行：将GPIO属性封装为结构体，通过设置结构体成员的属性，完成对GPIO的设置；

以上代码就实现了开发板用户LED灯（蓝色）交替闪烁效果，读者可以打开配套资料的“5_程序源码\0_单片机编程模式的发展\ 3_C语言使用标准库开发\ Project\ Led_Standard.uvprojx”工程，编译、下载，体验效果。

使用标准库后，基本不涉及外设寄存器的地址，同时提供很多函数实现相关功能的操作，用户只要熟悉之后，很快就能举一反三，修改相关传入参数，实现自定义需求。

6.5 C语言使用HAL库开发
ST公司先后推出了两套主要库：标准外设库（Standard Peripherals Library）和HAL库（Hardware Abstraction Layer）。标准外设库是STM32最早发布的固件库，对STM32芯片进行了完整的封装，包含所有外设的性能特征，每个外设驱动都由一组函数组成，这组函数覆盖了该外设所有功能。因为发布比较早，教程比较多，目前仍有不少开发者使用。标准外设库是针对某一系列STM32芯片而设计的，没有可移植性，目前该库已将停止了更新、研发，最近几年发布的新STM32芯片已经不再支持。

HAL库是ST公司这几年极力推荐的官方库，目前支持STM32全系产品，可以说HAL库就是用来取代之前的标准外设库的。相比标准外设库，HAL库具有更高的抽象整合水平，API集中关注外设的公共函数功能，使得可以轻松实现从一个STM32产品移植到另一个不同的STM32系列产品。此外还有LL库（Low Layer），相比其它固件库更接近硬件层，一般和HAL库结合使用，可以看作是HAL库的补充。

本章涉及的代码位于100ASK_STM32F103_MINI开发板资料的“5_程序源码\0_单片机开发模式的发展\2_C语言使用HAL库开发\”。

HAL库和标准库的使用区别不大，也无需知道外设寄存器地址，主函数如代码段 6.5.1 所示。

代码段 6.5.1 C语言使用HAL库开发（main.c）

#include "main.h"
#include "driver_led.h"
int main(void)
{
// 初始化HAL库函数必须要调用此函数
HAL_Init();
// 系统时钟即AHB/APB时钟配置
SystemClock_Config();
// 初始化LED
LedGpioInit();
// 点亮LED灯
while(1)
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);
HAL_Delay(1000);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
HAL_Delay(1000);
}
}

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6~9行：使用HAL的一些初始化操作；

11~12行：调用编写的“LedGpioInit()”函数，初始化需要的GPIO，该函数定义在“driver_led.c”里，如代码段 6.5.2 所示；

15~21行：通过调用HAL提供的“HAL_GPIO_WritePin”函数控制引脚输出的电平高低；HAL库还提供延时函数“HAL_Delay()”，用户不用再自己编写延时函数；

代码段 6.5.2 GPIO初始化（driver_led.c）

#include "driver_led.h"
/*
* 函数名：void LedGpioInit(void)
* 输入参数：无
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：初始化LED的引脚，配置为上拉推挽输出
*/
void LedGpioInit(void)
{
// 定义GPIO的结构体变量
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
// 使能LED的GPIO对应的时钟
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1; // 选择LED的引脚
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 设置为推挽输出模式
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; // 默认上拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;// 引脚反转速度设置为快
// 初始化引脚配置
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

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15行：使用HAL库提供的“__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()”使能GPIO A端口时钟；

13~23行：将GPIO属性封装为结构体，通过设置结构体成员的属性，完成对GPIO的设置；

以上代码就实现了开发板用户LED灯（蓝色）交替闪烁效果，读者可以打开配套资料的“5_程序源码\0_单片机编程模式的发展\ 4_C语言使用HAL库开发\ Project\ Led_Hal.uvprojx”工程，编译、下载，体验效果。

使用HAL库的体验和标准库差不多，但HAL兼顾了其它ST芯片，用户可以无缝过渡到ST其它芯片的使用。各开发模式之间的差异如表 6.5.1 所示。

表 6.5.1 各开发模式差异

【总结】

本章开始讲解了一些STM32结构的基础知识，这些知识对STM32的整体理解会有很大帮助，读者应多理解。

随后介绍的四种开发模式，读者重点理解C语言操作寄存器开发和使用HAL库开发。后续的实验会以HAL库为主，但读者也应理解HAL库的本质也是操作寄存器，因此理解如何操作寄存器，对以后学习、调试，都会有帮助。

作者：攻城狮子黄