本文深入探讨了STM32固件开发的关键知识点，包括结构体与联合体的区别、静态变量的作用、PWM函数设置技巧、USART配置、GPIO输出模式、差分放大电路原理以及TTL与RS232电平转换等，旨在帮助读者全面掌握STM32开发的理论与实践。
一、计算机基础
1、结构体和联合体的区别
结构体(struct)和联合体(union)的区别_结构体和联合体的区别-优快云博客
重要区别：结构体（struct）的成员各自拥有自己的内存地址；而联合体（union）只有一个内存地址，用于分配给所有成员共同使用。
优缺点：struct比union更占用内存。
疑问：应用场景未知。struct的优点未知。
2、结构体和类的区别
一文讲明白C++中的结构体Struct和类Class的区别以及使用场景_结构体和类-优快云博客
重要区别：结构体（struct）的成员是公共的，在结构体外部可以直接访问；类（class）的成员函数是私有的，在类外不可以直接访问，必须通过调用公共成员函数进行访问
应用场景：struct适合不需要对成员进行变化操作的，只需要简单存储数据；而class更适合用于对成员频繁进行变换操作，实现复杂的操作。
3、数据结构命名格式
C中int8_t、int16_t、int32_t、int64_t、uint8_t、size_t、ssize_t区别-优快云博客
int8_t中的t为type或者typedef的意义，用于表示该变量是在typedef下定义的，不是一种新的数据类型。由于不同平台的int拥有不同的字长，这样可以用于区分。
4、字符和整数的区别
C语言字符型char和整型int的关系和示例_c语言char和int-优快云博客
字符就是0-255整数范围内对ASCII码表的映射，具体如下博客所示。
char字符对应ASCII码表0-255(全)_char字符对应的ascii码值-优快云博客
因此char定义一个8位的字符时，其本质仍是整数，但用ASCII码的形式形成了字符串。
例如：
//正确例子
char a[]="abc"
char a[4]="abc"
//错误例子
char a[3]="abc"由于char类型需要一个空字符（\0）结尾，所以需要空出至少一个字符。
//指针定义字符串
char* a='abc'
printf("%s\n",a)
//输出结果
abc用指针即可存储字符串。但是a理论上应该是地址，*a才是数据，上代码展示的结果为a输出数据，是因为printf函数的原因吗？
还有string定义字符串，还不太了解。
字符串和字符在变量上的区别
//三种定义的方式
uint8_t test[5]={0,1,2,3,4}; //数值
uint8_t sectest[]="01234"; //字符串
uint8_t trdtest[]={'0','1','2','3','4'};//字符
数值就是直接使用ASCⅡ码。
字符串是使用字符“1”对应的ASCⅡ码，即49。
字符串结尾会有\0作结尾，所以sizeof取其长度后会比可见的长度多1。
5、常见变量的字节数，字节与字的关系
[c++]-uint8_t,uint16_t,uint32_t,uint64_t代表含义及其标准定义_c++ uint-优快云博客
char字符类型占1个字节，int整形占4个字节，float浮点型占4个字节
long类型的字节数，代表了处理器的位数。（32位机是4个字节，64位机是8个字节，但具体还有待测试）C语言中char、short、int、long各占多少字节_int short long字节-优快云博客
/* There is some amount of overlap with <sys/types.h> as known by inet code */
#ifndef __int8_t_defined
# define __int8_t_defined
typedef signed char int8_t;
typedef short int int16_t;
typedef int int32_t;
# if __WORDSIZE == 64
typedef long int int64_t;
# else
__extension__
typedef long long int int64_t;
# endif
# endif
/* Unsigned. */
typedef unsigned char uint8_t;
typedef unsigned short int uint16_t;
#ifndef __uint32_t_defined
typedef unsigned int uint32_t;
# define __uint32_t_defined
#endif
#if __WORDSIZE == 64
typedef unsigned long int uint64_t;
#else
__extension__
typedef unsigned long long int uint64_t;
#endif常用的uint8_t实际上是unsigned char，无符号字符0-255。
u8，u16，u32代表的是位数，即8位、16位、32位
数组所占字节按照数组中的元素对应的数据类型来计算。
对字（Word）、半字（Half-Word）、字节（Byte）的概念说明_half word-优快云博客
字的位数有系统决定，32位系统一个字即32位（4个字节），半字就是16位（2个字节）。
6、static静态变量
C语言：关键字---static（声明静态变量）_static声明-优快云博客
一般加了static、extern来修饰的即为声明，其他都为定义。
上博客说，除了extern都是定义？
普通局部变量
存放在进程的栈空间，若不显式赋值其初始值随机，在函数结束时该变量使用完毕便会被释放。
static局部变量
存放在进程的静态数据区，即使不显式赋值其初始值也为0，且在函数结束时仍旧保持该值不变（即下次不会再重新赋值）。
普通全局变量
定义在函数外部，在其他文件中可以使用extern声明后使用，其他文件无法再使用该变量名。
static全局变量
只能在本文件中使用，在其他文件中可以有与他同名的变量，互不影响。
static函数
与static全局变量类似，只能在声明该函数的文件中使用，其他文件可以用同名函数，互不影响。
应用
使用static可以保证不同文件之间不会因为变量名而发生错误。
7、常量
和宏定义作比较~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
8、#if、#endif、#elif、#else、#ifndef(#ifdef)
预处理条件判断的经典三种用法 #if #ifndef #elif #endif - 孤独的二进制 - 每天5分钟 带你走近Arduino开发板的神奇世界_哔哩哔哩_bilibili
本质上是宏定义的使用，这些条件都是为了配合#define使用
1、由于各个头文件之间会交叉引用，加上如下判断代码，便可以在创建一次h文件后不再创建多次。
//sys.h文件
#ifndef __SYS_H
#define __SYS_H
*****
#endif
//key.h文件
#ifndef __KEY_H
#define __KEY_H
#include "sys.h"
#endif
//main文件
#include "sys.h"
#include "key.h"2、用于整体项目的参数变换
#define STM32
//#define ESP32
#if STM32
****
#elif ESP32
****
#else
****
#endif3、用于debug模式(和2同理)
#define DEBUG 1
//#define DEBUG 0
#if DEBUG
printf("debug info")
#endif9、c文件和h文件
一般约定俗称，在头文件声明函数等，在c文件中定义函数等。
h和c文件关系的链接怎么形成？
不同.c文件的函数如何相互调用_两个.c文件如何相互调用-优快云博客
10、内存地址所占字节
每个内存空间由8bit组成，即1个byte；并且每个内存空间对应各自的一个地址（物理地址）。
(44 封私信 / 81 条消息) 为什么计算机被设计为每个内存地址对应8个位（1个字节），而不是更多的位（比如16个位、32个位）？ - 知乎 (zhihu.com)
一个内存空间8位是最终确定下来的，为了达成某种目的。
物理地址：存储空间本身的地址
逻辑地址（虚拟地址）：代码中为了方便表示，如指针变量的地址？
从计算机底层认识指针！深入理解C语言指针！_哔哩哔哩_bilibili
cpu缓存（SRAM）：由触发器构成，1位数据就需要很多门电路，1个门电路需要好几个晶体管
内存条（DRAM）：1位数据只需要1个晶体管，通过电容充放电来存储
终于！有人讲懂了DRAM和SRAM！-电子工程专辑 (eet-china.com)
DRAM：dynamic random access memory，动态顾名思义，电容充放电动态过程。
SRAM：static random access memory，静态，由电路瞬间响应。
RAM、SRAM、DRAM、SDRAM、DDRSDRAM等之间的区别_运行内存和内存那个是srm-优快云博客
单片机的内存地址：
sram（RAM）：SRAM存储原理-优快云博客
flash（ROM）：深入了解存储系统之闪存 （Flash Memory） - 知乎 (zhihu.com)
单片机的内存空间包括几部分：
1、CODE
2、SRAM
3、外设
STM32深入系列01——内存简述（Flash和SRAM）_stm32内存-优快云博客
11、 寄存器
STM32中的32代表：CPU位数=CPU中寄存器的位数=数据宽度=CPU能够一次并行处理的数据宽度
CPU位数、操作系统位数、指令集、寄存器位数、机器字长等_操作系统位数和机器字长-优快云博客
例如，STM32F103中USART的DR（数据寄存器）、SR（状态寄存器），这两者都为16位寄存器，而SR的各个位代表了各种控制，DR的低8位存储数据（高8位硬件强制置零）。
寄存器由D触发器（不确定）构成，1个D触发器代表一位，多个D触发器组成寄存器便是一个多位的寄存器。
12、CPU
CPU组成：运算器（ALU）、控制器（CU）、寄存器、缓存（cache）、总线和接口等。
CPU工作方式：CPU的基本工作是执行存储的指令序列，即程序，程序的执行过程实际上是不断地取出指令、分析指令、执行指令的过程。
CPU运行效率的决定因素：核心数、主频、寄存器位数、缓存容量等
什么是CPU？CPU的性能指标是什么？_决定cpu性能的主要指标-优快云博客
CPU指令集：指令集是连接CPU和操作系统的桥梁：
CPU——指令集（机器语言，实现CPU基本功能）——操作系统HAL库
【计算机基础】-详解CPU位数、操作系统位数、编译器位数_cpu的位数-优快云博客
二、固件代码部分
1、模块化编写思路
将每个要实现的功能模块放置到各自的C文件当中，形成函数形式，并且设定好全局变量。main文件里调用各功能函数即可。
2、keil调试
Keil5软件使用-进阶调试篇_keil调试教程-优快云博客
1）追踪变量watch1、watch2中，全局变量可以一直监视，局部变量只能在函数中监视，static变量无法监视。
寄存器窗口internal-mode的模块：thread表示在任务中，handle表示在中断中。
2）程序卡死后进行debug测试：debug-run-进入卡死状态-stop-查看命令停止位置（PC位置）-怀疑跑飞-观察call stack。（可能存在跑飞现象，停止后仍不显示黄色命令指针）
3）Keil优化等级影响局部变量查看，默认level3最简化，会在debug时无法查看局部变量；level0时最复杂，可以debug查看局部变量。
3、STM32CubeIDE
4、HAL库使用
1、DMA配置
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1,(u32*)ADC_Value,Channel);该函数为DMA方式调用ADC采集数据时的函数，相比查询和中断两种方式，编写起来最为简单。
注意其中ADC_Value为数据缓存区，输入的必须是地址（一般输入为数组时，其数组名便为地址；为变量时，需要加上&来取地址），
Channel即为开启的ADC通道数（多通道依次排序，单通道则是同一个值做循环），同时决定了其与缓存区放置的个数。一般常用：Channel数=ADC通道数
当Channel数＞ADC通道数时，例如Channel=1即只放在缓存区1（即地址指针不会增加），Channel=4即放在缓存区1，2，3，4（即地址指针会增加）
调用一次，只能采集一次。
在使用单通道采集时，需要将其配置为如下图所示
Scan、Continuous、Discontinuous都需要禁用，原理尚未弄懂
DMA处的配置如上图所示，Mode设置为Circular和Normal都可以。
2、HAL_XXX_Init与HAL_XXX_MspInit的关系
HAL_XXX_Init函数中会调用到HAL_XXX_MspInit，从而可以将初始化参数配置与硬件管脚映射部分分离。
5、PWM函数设置
为了简化占空比为0-100，可以在SetCompare（）函数中设置一个变量为
A=compare*period/100
将A作为最终的compare值去比较
这样便可以实现compare0-100表示占空比0-100的简化设置。
sConfigOC.Pulse该参数即初始的脉宽值，相当于Compare。
6、位置式PID与增量式PID
推导过程略过
位置式PID
u(x)=Kp*e(x)+Ki*[e(0)+e(1)+...+e(x)]*dt+Kd*[e(x)-e(x-1)]/dt
简化之后为
u(x)=Kp*e(x)+KI*[e(0)+e(1)+...+e(x)]+KD*[e(x)-e(x-1)]
即此处的KI和KD都和时间相关，dt表示单位时间间隔
增量式PID
Δu(x)=u(x)-u(x-1)=Kp*[e(x)-e(x-1)]+Ki*e(x)*dt+Kd*[e(x)-2e(x-1)+e(x-2)]/dt
简化之后为
Δu(x)=u(x)-u(x-1)=Kp*[e(x)-e(x-1)]+KI*e(x)+KD*[e(x)-2e(x-1)+e(x-2)]
u(x)=u(x-1)+Δu(x)
7、USART/UART配置
【STM32F4+CubeMX零基础快速入门】串口收发全攻略_哔哩哔哩_bilibili
正点原子教程，配置串口基本步骤
1、初始化；2、配置中断：HAL_UART_Receive_IT；3、设置中断优先级；4、编写中断服务函数；5、串口数据发送
8、宏和extern变量在头文件中的区别
宏定义的值是可以直接通过引用.h文件便可以引用
而变量要想通过头文件引用过来，必须加上extern的声明
9、SWD和JTAG
SWD是ARM公司开发的协议，可以用于调试和下载；只需2个引脚。可以通过其I/O口打印调试信息？
JTAG兼容性更强，可以用于STM以外的其他芯片，而且功能更丰富。
10、操作系统
相对于操作系统而言的，就是裸机开发。
例如STM32，裸机开发其实是对硬件直接操作，编写对寄存器进行控制；
而操作系统，则是将各种封装好的API提供调用，从而不用去配置寄存器，省时省力。
PS：一般的C语言开发本身也已经封装好了各种函数，最底层的机器语言则为01代码。
11、中断配置的一般步骤
以定时器中断为例：
配置时钟——配置外设参数（定时器就是分频系数，计数值，计数模式等等）——配置中断优先级、使能中断、启动中断——编写中断服务函数（及中断回调函数）
三、硬件电路部分
1、IO口电气特性
st单片机IO口类型FT、TC是什么意思_百度知道 (baidu.com)
TC：标准3.3V
FT：5V耐压
2、推挽输出和开漏输出
推挽输出：
由一个PMOS和一个NMOS组合而成的推挽结构，低电平输入时，PMOS导通，NMOS截止，输出便被拉高（即连接VDD）；当高电平输入时，NMOS导通，PMOS截止，输出便被拉低（即连接GND）。
特点：
能实现真正的高电平和低电平，在两种电平下都有驱动能力。
无法线与，当用两个GPIO控制一个输出时，当一个输出高电平，另一个输出低电平时，短路，两个导通的MOS管必会因为大电流而烧毁一个。
开漏输出：
类比于开集输出，使用单个三极管来控制信号的导通与否（B极作为控制开关）；
开漏输出使用单个MOS管来控制输出，例如NMOS，对高电平没有驱动能力（因为没有电阻形成电流？），必须上拉电阻才能真正输出高电平。
特点：
可以根据上拉电阻来调节电源特性，适合运用在需要调节电平的地方，开漏输出只有一个MOS管来控制接地或者高阻态，因此上拉任何电压时，控制高阻态可以输出任何电平。
可以线与，可以多个GPIO口来控制同一个输出，只有GPIO都为1的时候才能输出1，否则为0。
GPIO推挽输出和开漏输出
GPIO推挽输出和开漏输出模式区别详解_gpio的推挽输出和开漏输出有何区别-优快云博客
当配置为推挽输出时，两个MOS管都工作；当配置为开漏输出时，只有NMOS启用。
GPIO在配置为输出时没有上拉下拉的配置？
单片机通信中推挽和开漏的应用
总结：推挽输出更适合单线通信（SPI，UART），开漏输出更适合双向单线通信（I2C，One-Wire）。
复用推挽输出与复用开漏输出
简单而言，一般的输出模式为CPU控制寄存器写入；而复用则是由片上外设决定，相当于cpu先控制外设，外设再产生信号（如UART推挽输出），所以复用时无上下拉。
3、电压电流采样电路
同向放大电路（同向和反向的区别待分析，注重反向端负反馈的特性）
同相放大电路-通俗易懂教程 - 知乎 (zhihu.com)
定义：输入信号从同向端输入
特点：
1、输入阻抗高（输入端高达几MΩ），意义是？
2、输出阻抗低（输出端低至几Ω），带负载能力强。
3、电压放大倍数，A=（R2/R3）+1
4、输出和输入保持同相位
应用：
1、小信号的放大：因为输入阻抗高，即使放大倍数极大也可以对信号调节。
2、电压跟随器：将输出电压全服负反馈到反向输入端，就可以使输出电压等于输入电压。
3、有源滤波器：在输入端串并联电容电感等，从而可以选取需要的信号频率。
电压采样
电压、电流采样电路设计以及放大倍数计算_电流采集电路-优快云博客
通过分压然后放大的形式获得Vout，然后由单片机检测该值。
为什么要用正向放大？为什么不是反向放大？
电流采样
低端电流采样
高端电流采样
4、差分放大电路
6.深入浅出：差分放大电路——参考《模拟电子技术基础》清华大学华成英主讲-优快云博客
简单概括，差分放大电路就是为了减小共模信号的干扰（比如对地信号有波动，那么便可以消除）。
差分放大电路芯片AD620
特性：高精度：40ppm最大非线性精度、低失调电压、低失调漂移
5、TTL和RS232
RS232电平和TTL电平有什么不同？如何转换？ - 知乎 (zhihu.com)
TTL和RS232之间的详细对比_232 ttl-优快云博客
UART、RS232、TTL关系浅析 - 知乎 (zhihu.com)
PL2303是USB转RS232的芯片，为什么开发板上用它连接单片机串口和USB接口呢？单片机串口不是TTL电平么？_百度知道 (baidu.com)
串行通信/并行通信和UART、SPI、I2C、USB以及TTL、CMOS、RS-232、RS-485区别详细整理_串口与usb,spi通信有啥区别-优快云博客
1、TTL和RS232的电平标准范围不同，TTL一般为0-5V，而RS232为正负十几V，且RS232使用负电压表示逻辑1，正电压表示逻辑0。
2、TTL一般用于嵌入式设备，RS232（属于COM）一般用于PC级设备。
3、PL2303芯片是RS232（TTL）转USB（TTL），
个人理解，USB是一种通信方式（USB广义上也是串行），而RS232（串口）是另一种通信方式，那么此处的转换的意思是通信方式上的转换；区分于RS232转TTL，该者为电平上的转换。此处的RS232实际意义相当于UART。
通信方式列举：串口通信（serial communication）、USB、蓝牙、以太网
逻辑电平列举：TTL、CMOS、RS232、RS485
电平和通信方式，是否无法同时做转换。
6、三极管
三极管的两个二极管朝向恰好相反。
三极管的奥秘：如何用小电流控制大电流_三极管怎么用小电流控制大电流-优快云博客
三极管的集电极反偏为什么会导通，由于三极管NPN各自层的厚度和掺杂不同。如下图所示，导致发射极的多数电子到达基极后只能与少量空穴结合，从而剩下的大量电子被集电极的高电势吸引，从而流动过去。顾名思义，发射极发射电子，集电极收集电子。
7、线性稳压器（LR）和开关稳压器(SR)
线性稳压器一般只能做压降，常见的有LDO，原理简单。
开关稳压器，也常被称为DC-DC，使用开关电路来做到升压、降压等的效果，电路设计复杂，效率高。
8、集成运放（模电视频）
还搞不懂虚短与虚断概念？虚断与虚断通俗讲解，几分钟带你搞定_虚短虚断的概念-优快云博客
运放特性：输入阻抗无穷大，当输入电压进输入端时，其电流几乎为0，称为虚断。
开环的时候工作在线性工作区：Uo=A*(Up-Un)——A为1,000,000（同向反向定义：当另一者输出为0时，Up与Uo相位一致，Un与Uo相位相反）
比如±15V供电时，输出假设最多14V，那么在A的放大倍数下，Up-Un最大可以达到14uV才能放大，否则饱和。（而一般情况下14uV视为导通，因此一般Up=Un，称为虚短）
运放组成部分：输入级（差分放大）、中间级（电压放大：共射级）、输出级（互补对称电路？）、偏置电路（提供电源）
中间级的放大倍数要求：RC要大，同时满足IC要在mA级别——此时电流源即可满足
9、PL2303USB转TTL模块调试心得
1、模块上的指示灯能有效显示是否数据有发送或者接收，从而判断问题来自上位机或者下位机。
2、当与下位机串口引脚相连时发现，发送数据后TXD指示灯不亮，可能是上下位机TXD与TXD相连的原因。
10、电源抑制比PSRR(即纹波抑制比)
关于dB计算，本身的计算的是功率系数为10，转换成电压后就便为20
dB=10lg(P1/P2)=10lg((U1/U2)^2)=20lg(U1/U2)
dB运算是log前面是10还是20_百度知道 (baidu.com)
11、MOS管
1、源极与衬底相连
2、栅极电压Ugs>0时，多子空穴被打到衬底底部，少子电子被吸到衬底顶部，从而在两个N极之间形成沟道，因此称为N沟道型；Ugs越宽，沟道的宽度越宽。
(SiO2绝缘层直接被挪开了？电场强行开辟出了沟道)
3、增强型和耗尽型：
增强型要加上Ugs>Ugsth,才能形成沟道
耗尽型自带沟道，Ugs>Ugsoff时，都是开启状态
12、电机驱动信号
步进电机通过斩波恒流驱动
斩波：就是恒定的直流通过不断开关来控制输出的电压，类似于PWM。
斩波恒流：通过PI控制算法来进行电流检测和控制稳定。
13、FPGA
FPGA本质上是一个可以编程的数字电路器件，软件用于配置其硬件的走线、寄存器等等。
FPGA的时钟是数字电路器件中需要的时序。
CPLD与FPGA在原理上有一定差别，但都属于可编程数字电路器件。具体选型需要哪个，取决于项目情况的需要，比如FPGA可以拓展PLL、DSP等等，因此具有更高的扩展性。
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