STM32单片机初学1-STM32介绍

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STMCU小助手发布时间：2022-10-31 23:47

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STM32以其高性能、低功耗、一流的外设、简单易用等特点在近几年迅速发展，占领了很大市场，得到了很多开发者青睐。其应用领域包括电机驱动和应用控制，PC游戏外设和GPS平台，可编程控制器(PLC)、变频器、打印机和扫描仪等。（除了STM32，意法半导体公司还推出了8位微处理器STM8系列，因其高性价比也有很多开发者在使用。这里暂不介绍STM8系列）

STM32系列成员众多，按其性能可分为入门型（F0系列），基础型（F1系列），增强型（F3系列），高性能型（F4，F7等）。按内核的不同分为Cortex-M0（F0系列），Cortex-M3（F1、F3系列），Cortex-M4（F4系列）等。一般初学者选择F103系列较多，既能满足学习要求，又不至于太贵。

光凭一句“高性能”可能对其性能还是没有什么概念。下面是一个常见单片机的性能分数对照表，可供参考。

对照表最下面的AT89C52就是最典型的51单片机，可以看到其分数只有2.36。而STM32F103的分数达到了177，STM32F407更是达到了566。

近几年，国产单片机也迅速崛起，在性能上已经不输国外。例如ESP8266、ESP32系列已经获得众多单片机开发者的喜爱，不仅性能强大，而且自带wifi模块。又如对标STM32的GD32系列，其性能也已经不低于STM32，只是其学习资源不如STM32多。

很多人都是从51开始学习单片机，大学教材也大都以51单片机为例。STM32相比于51单片机，性能大幅提升，外设也更多，为了方便开发，ST官方专门发布了标准外设库，只要调用外设库里的函数就能轻松使用各种外设，而不需要对寄存器进行直接操作。

由于STM32功能较强，内部寄存器复杂且多，所以使用起来也相对较麻烦。比如要给某个IO口置高电平，51单片机只要 P0^0=1; 一行程序就能实现，但是STM32首先要调用GPIO的标准外设库，然后进行GPIO初始化并使能对应的时钟，然后才能将GPIO置位（当然也可以直接操作寄存器，不过STM32寄存器太多，使用更不方便）。所以很多51单片机学习者刚开始学习STM32会觉得无从下手，其实只要了解了STM32的库函数，其开发就和51一样简单，而且对于大型的项目开发其优势就体现出来了。学习STM32就是学习其库函数，从官方的库函数使用手册入手，学习起来还是很简单的。

STM32型号很多，所以有着规范的命名规则，从其型号便可知道其部分参数，如产品类型，Flash容量，封装。

本文将以STM32F103C8T6这款单片机为例来介绍STM32。

从命名规则可以知道，STM32F103C8T6是STM32基础型单片机，采用LQFP 48 封装，带有64KB的Flash（闪存程序存储器）。其最高工作频率72MHz，20KB的SRAM，2个12位ADC（模数转换器），7通道DMA控制器并支持定时器、ADC、SPI、IIC等，带有7个定时器，多达9个通信接口（2个IIC、3个USART、2个SPI、CAN接口、USB2.0）。下图是其引脚图。

由于引脚有限，很多IO口都是功能复用，下图是其IO功能复用情况。

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接下来详细介绍各个外设

1.GPIO

GPIO即通用输入输出口，也就是我们常说的IO口。这款单片机有PA（PA0-PA15）、PB（PB0-PB15）、PC 3组IO（PC13-PC15），类似于STC89C52的P0、P1、P2口，A与B组每组16个，但C组只有3个。GPIO的排列分布不像51单片机那么规则，其实是考虑到开发者需要扩展IO时减少电路图的更改。有些GPIO默认是不做普通IO口的，例如PB4、PB3默认是作为JTAG使用，PC14、PC15默认作为RTC的晶振接口，如需作为普通IO口使用，则需要将对应复用功能屏蔽。

关于GPIO的具体使用可参考文章《STM32-GPIO详解》。

2.ADC

这款单片机有两个12位的ADC（PB0：ADC_IN8、PB1:ADC_IN9），用以将0-3.3V的电压模拟量转成数字量(0-2^12)。每个ADC共用多达16个外部通道，可以实现单次或扫描转换。在扫描模式下，自动进行在选定的一组模拟输入上的转换。需要注意的是，ADC的电源是独立于供电电源的，其供电引脚为VSS-A与VDD-A，一般可以将这两个引脚直接与3.3V电源相连。包括其他的几组VDD和VSS，直接与3.3V电源连接即可（之所以分几个电源，是为了提高供电稳定性）。

3.晶振

从上面的引脚图可以看出，STM32可以外接两个晶振。其中8M晶振就是单片机CPU运行用的，虽然晶振频率只有8M，但其内部频率最高可以达到72MHz，这得益于其内部的分频器，将8M震荡频率经二分频就得到了16M，经过多次分频就能得到更高的频率。

下图是其时钟树示意图。

另外一个32.768kHz的低频晶振是用于内部RTC时钟。STM32自带RTC时钟，类似于手机、电脑的系统时钟。不知大家有没有注意过，在我们的手机或者电脑没有联网的时候，重新开机后仍然可以显示时间，其实这就是RTC时钟。原理就是在手机或者电脑主电源断电的情况下，自动启用后备电源（电脑的后备电源就是主板上的纽扣电池），维持RTC时钟晶振工作，以实现主电源断电下也能计时。之所以不采用8M高频晶振作为RTC的振荡源，是因为高频晶振受温度、制作工艺影响大而容易出现误差(RTC的误差就小得多了)。要想使用STM32的RTC，只需要给1号引脚Vbat接一个纽扣电池即可，在未接3.3V电源时，会自动使用纽扣电池供电，接了3.3V电源又会自动切换至3.3V电源供电。因为RTC耗电极低，所以一颗纽扣电池也足够使用很长时间。但是在主电源断电情况下，如果纽扣电池也没电了，内部的时钟时间就会丢失，再次上电就恢复成了初始时间。

除了内部的RTC，也可使用外置RTC芯片，实现断电计时的功能。外置RTC时钟IC的计时精度可以更高，但是其一般需要通过IIC通信来读写时钟数据。

% o( S9 v1 T! g `0 U2 @+ y3 G 4.IIC、USART、SPI通信

STM32外设丰富，支持硬件级的IIC、USART、SP通信。相比于软件实现的通信，硬件级的更快，更稳定，更方便。

IIC一般用于单片机与传感器、显示屏、EEPROM等外设间的数据传输。其IIC接口支持 7 位或 10 位寻址， 7 位从模式时支持双从地址寻址。内置了硬件 CRC发生器/ 校验器。
它们可以使用 DMA 操作并支持 SMBus 总线 2.0 版 /PMBus 总线。

USART可用于单片机与电脑的的串口通信。USART1接口通信速率可达4.5Mbps，其他接口的通信速率可达2.25Mbps。USART接口具有硬件的CTS和RTS信号管理、支持IrDA SIR ENDEC传输编解码、兼容ISO7816的智能卡并提供LIN主/ 从功能。所有USART接口都可以使用DMA操作。

SPI比前两种通信拥有更快的通信速率，一般用于数据传输量大的场合，比如控制高分辨率或高刷新率的彩屏。SPI接口，在从或主模式下，全双工和半双工的通信速率可达18Mbps。3位的预分频器可产生8种主模式频率，可配置成每帧8位或16位。硬件的CRC产生/校验支持基本的SD卡和MMC模式。所有的SPI接口都可以使用DMA操作。

5.JTAG、SWD与仿真器

在STM32上有几个接口称为JTAG、SWD。JTAG接口(Joint Test Action Group，联合测试工作组)，是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如DSP、FPGA器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS（PA13）、TCK（PA14）、TDI（PA15）、TDO（PB3），分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。有了JTAG，就可以对单片机程序进行在线调试，包括断点调试，变量监控，对于程序查错是非常方便。

SWD接口即串行调试（SerialWireDebug），是一种和JTAG不同的调试模式，最直接的区别是调试接口上，SWD只需要4（或者5）个引脚：3.3V、GND、SWDIO（PA13）、SWCLK（PA14）。他的SWDIO、SWCLK与JTAG的TMS、TCK复用了。

要想实现在线调试，还需要专门的仿真工具。常用的仿真器有J-Link、U-Link、ST-Link。

J-Link其实就是一个USB转JTAG的工具，可将电脑与JTAG端口相连。JLINK是一个通用的开发工具，可以用于KEIL、IAR、ADS 等平台。速度，效率，功能都很好。

U-Link是ARM/KEIL公司推出的仿真器，不过现在能买到的都是其升级版本ULINK2和ULINK Pro仿真器。ULINK/ULINK2可以配合Keil软件实现仿真功能，仅可以在Keil软件上使用（不支持IAR、ADS等其他平台）。

ST-Link是专门针对意法半导体STM8和STM32系列芯片的仿真器。ST-LINK /V2指定的SWIM标准接口和JTAG / SWD标准接口，通过ST-Link可直接将程序写入单片机（SWIM / JTAG / SWD）以及EEPROM烧写，当然也也支持在线仿真，相比另外两种，更具优势。所以个人非常推荐该仿真器。

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6.程序开发平台
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STM32程序开发平台主要有Keil、IAR、STM32CudeIDE等。Keil支持众多单片机开发，版本如今已更新到Keil 5。IAR相比Keil，编译的代码更紧凑，实际使用与Keil差不多。STM32CudeIDE是STM专门为STM32开发的IDE，但是使用还是比不上前两种平台。

7.其他

内部温度传感器：STM内部有一个温度传感器，并连接到PC13，可用于监测芯片温度。

控制器区域网络（CAN）：CAN 接口兼容规范 2.0A 和 2.0B( 主动 ) ，位速率高达 1Mbps 。它可以接收和发送 11 位标识符的标准帧，也可以接收和发送29 位标识符的扩展帧。具有 3 个发送邮箱和 2 个接收 FIFO ， 3 级 14 个可调节的滤波器。一般用与单片机与上位机的通信。
通用串行总线 (USB)：内嵌一个兼容全速 USB 的设备控制器，遵循全速 USB 设备 (12Mbps
) 标准，端点可由软件配置，具有待机 / 唤醒功能。
定时器：中等容量的STM32F103xx增强型系列产品包含1个高级控制定时器、3个普通定时器，以及2个看门狗定时器和1个系统嘀嗒定时器。

看门狗：用于防止程序跑偏。独立的看门狗是基于一个 12 位的递减计数器和一个 8 位的预分频器，它由一个内部独立的 40kHz 的 RC 振荡器提供时钟；因为这个RC 振荡器独立于主时钟，所以它可运行于停机和待机模式。它可以被当成看门狗用于在发生问题时复位整个系统，或作为一个自由定时器为应用程序提供超时管理。通过选项字节可以配置成是软件或硬件启动看门狗。
在调试模式下，计数器可以被冻结。窗口看门狗内有一个7 位的递减计数器，并可以设置成自由运行。它可以被当成看门狗用于在发生问题时复位整个系统。它由主时钟驱动，具有早期预警中断功能；在调试模式下，计数器可以被冻结。
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