STM32基础笔记分享

什么是嵌入式？

以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可以裁剪的计算机系统

ARM和STM32

ARM

1. ARM是基于ARM内核设计的芯片的统称，ARM是一家公司（专门生产内核，IP 核，依靠专利授权来盈利）

2. ARM内核的分类：

arm7 arm9 arm11

后面将内核分为以下三个大类

1. cortex-A 针对开放性的操作系统（运算量大，人机交互）手机，平板，电视机等等

2. cortex-R 针对实时性要求高的领域 航空航天，军工，汽车刹车等等

3. cortex-M 微控制领域（MCU）， 空调，洗衣机，智能排查等等

3. cortex-M的分类

cortex-M0、cortex-M3、cortex-M4、cortex-M7

STM32

1. stm32f407igt6 mcu ARM内核 cortex-M M4

st：意法半导体

m：mcu

f：通用型

407：4代表高性能，07是子型号

i：引脚数 例：176pin(引脚)、V：100个引脚

g：flash大小 1MB；e：512k

t：封装 LQFP

6：温度 -40°~85°

单片机的最小系统：电源、芯片、晶振、下载、复位

2. stm32的开发方式

（1）寄存器（最难的开发方式）具有特殊功能的内存单元

（2）标准库 使用最广泛的开发方式

（3）HAL库 图形界面开发，简单易用（STM32CubeMX）

（4）LL库 目前不成熟

GPIO

作用

输入：检测电平的状态（高低电平）

输出：往外输出电平（高低电平）

划分

按组划分：GPIOA、GPIOB......

每组最多可以有16个引脚，例：GPIOA组，A0、A1、A2...A15

GPIOA组的第一个引脚可以简写为PA1

输入输出模式

4种输入

● 浮空输入

● 上拉输入

● 下拉输入

● 模拟功能

4种输出

● 具有上拉或下拉功能的推挽输出（由 P-MOS管和N-MOS交替工作输高低电平）

● 具有上拉或下拉功能的开漏输出（相当于将 P-MOS管去掉，永远只有 N-MOS管工作；不能输

出高电平，只能输出低电平；要想输出高电平需使能上拉电阻）

● 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

systick（滴答定时器）

本质

定时器的本质：计数

概念

1. systick是核内外设，在stm32f4xx中文参考手册中没有具体描述，需要内核手册《STM32F3与F4系列Cortex M4内核编程手册》中查询

2. 该处理器配备有一个24位的系统定时器——SysTick，它会从重载值开始依次递减至零，然后在下一个时钟脉冲到来时重新加载（循环到）STK_LOAD 寄存器中的值，之后会在后续的时钟脉冲中继续递减。

作用

1. 在裸机开发中做精确延时使用

2. 在操作系统中作为任务调度的时间基准

相关的寄存器

STK_CTRL：控制/状态寄存器

STK_LOAD：装载寄存器（装载数据到寄存器中）

STK_VAL：当前值寄存器

STK_CALIB：校准寄存器

复位和时钟

复位

当程序死机或者出现异常时能让程序回到初始状态重新开始运行

分为自动复位（上电复位）和手动复位。

单片机上电后，此时按键还没有被按下，与GND是断路，NRST引脚是高阻态状态，同时给并联的电容进行充电。

当复位按键被按下的时候，此时与GND连接起来，而NRST引脚并不会马上就变成低电平，而是会慢慢得从高电平逐渐变成低电平。因为有电容存储了电，与GND连接的瞬间，电容持续放电，直到放完，NRST引脚才真正变成低电平，单片机内部才正在识别到复位按键已被按下，内部进行复位寄存器等外设的操作。

所以这个的电容也可以起到一个防误触按键的作用，而串联的电阻则是为了保护芯片内部，保护不会有瞬间电流通过，起到限流，分压的作用。

时钟

时钟的作用：时钟是一段有序的脉冲，给单片机提供做事的节奏，来一个脉冲处理一次数据，一次处理32个位的数据。

时钟的产生：

1、石英晶体振荡器(晶振)

（1）有源晶振 自启振 4个引脚 精度高 价格贵

（2）无源晶振 需要外围电路配合才能启振 2个引脚 精度稍差 价格便宜

2、stm32的时钟

只有内部高速和外部高速才能去决定SYSCLK的时钟频率，而内部低速决定看门狗，外部低速决定RTC实时时钟

（1）内部低速时钟(LSI)

（2）内部高速时钟

（3）外部低速时钟(LSE)（4）外部高速时钟

（5）PLL锁相

环（只有PLL锁相环通过备频、分频才能让SYSCLK（系统主频）达到168MHZ）

GPIO输入和按键检测

GPIO输入

1、上拉输入 默认高电平

2、下拉输入 默认低电平

3、浮空输入 电平不确定

4、模拟输入 模拟信号

按键检测

消除抖动的方式

1、硬件消抖 RC电路（R：电阻、C：电容）

2、软件消抖：延时消抖，定时器消抖

中断

概念

主程序在正常执行时，由中断源引发中断事件，向CPU发起中断请求，打断cpu的正常执行，让cpu先去执行中断事件，然后再回到主程序继续执行。

中断是用来处理紧急事件的。

中断的过程

1、中断源触发中断

2、保护现场

3、处理中断事件

4、恢复现场

5、继续运行中断之前的程序

现场保护和现场恢复是由CPU自动完成，不用程序员去处理

中断嵌套

在中断事件处理的过程中，有其它优先级更高的中断源产生中断，打断本次事件的处理，cpu去执行优先级更高的中断事件

stm32管理中断（NVIC中断异常管理器）

1、提供5组中断管理方式，每个组由4个bit来表示抢占优先级和响应优先级

This parameter can be one of the following values:

* @arg NVIC_PriorityGroup_0: 0 bits for pre-emption priority 抢占

* 4 bits for subpriority 响应

* @arg NVIC_PriorityGroup_1: 1 bits for pre-emption priority

* 3 bits for subpriority

* @arg NVIC_PriorityGroup_2: 2 bits for pre-emption priority

* 2 bits for subpriority

* @arg NVIC_PriorityGroup_3: 3 bits for pre-emption priority

* 1 bits for subpriority

* @arg NVIC_PriorityGroup_4: 4 bits for pre-emption priority

* 0 bits for subpriority

2、给每个中断都备两个优先级 (数字越大优先级越小)

抢占优先级(主优先级)：具备抢占功能，高优先级的可以抢占低优先级的资源来处理自己的事情

响应优先级(次优先级)：不具备有抢占功能，两个同主优先级的中断同时发生，高优先级的先运行

外部中断

配置一个外部中断的步骤

1、分析原理图

2、开时钟

3、gpio的初始化

4、配置GPIO的外部中断

5、中断的配置

（1）中断的通道号

（2）中断的优先级

（3）开启中断

（4）使中断配置生效

6、编写中断服务函数(处理中断事件)

注意事项：只要开启了中断必须要去实现对应中断的服务函数，否则程序会“跑飞”

串口通信

同步通信和异步通信

1、同步通信：在时钟线的作用下，收发双方使用同一时钟信号进行数据的收发

2、异步通信：发送器只管发送数据，接收器只管接收数据，收发数据互不影响

全双工、半双工、单工通信

1、全双工：同一时刻，既可以发送数据也可以接收数据

2、半双工：同一时刻，只能接收或者发送数据

3、单工：数据只能往一个方向，只能发或者只能收

串行通信和并行通信

1、串行通信：数据以bit为单位，一位接一位发送或者接收数据 LSB(低位先行) MSB(高位先行)

2、并行通信：数据以字节为单位收发数据

stm32的串口是一种两线串行、全双工半双工可选、一对一、低位先行的异步通信方式（也可以是同步通信，需要额外的时钟线同步数据传输）

波特率

波特率决定数据的传输速度

1、每秒钟传输数据的位(bit)数

2、常见的波特率：2400、9600、115200

115200发送多少字节：115200/10(1个起始位+1个停止位+8个数据位)

奇偶校验（可有可无）

作用：检测数据的准确性

奇校验：如果数据域中1的个数是一个偶数，奇校验位为1

如果数据域中1的个数是一个奇数，奇校验位为0

偶校验：如果数据域中1的个数是一个偶数，偶校验位为0

如果数据域中1的个数是一个奇数，偶校验位为1

串口通信发送数据的格式

1位起始位 固定低电平

8位数据位 电平状态不确定，取决要发送的数据

1位可能的奇偶校验位

1位停止位 固定的高电平

串口的作用

1、用于设备之间的通信（TX发送、RX接收）

2、输出调试信息（printf）

编写串口的步骤（printf）

串口的空闲中断

可以利用空闲中断去判断 一帧数据是否传输完成

编写一个串口的编程步骤(printf)

1、分析原理图 PG9->USART6_RX PG14->USART6_TX

2、开时钟

3、gpio的初始化

4、串口的初始化

5、重构C库的fputc函数

6、在keil中进行魔术棒的配置 魔术棒》target》勾选 微库

定时器

1、定时器的分类

2、基本定时器的框图分析

PWM（脉冲宽度调制）

概念

PWM：调节占空比

占空比：在一个周期内，高电平占整个周期的比值

如何产生PWM

1、延时函数

2、定时器产生（比较输出）

作用

调节输出功率：条件灯光的亮度，电机的转速，声音的大小等等

影子寄存器

当需要改变参数时，修改参数后不会立即生效，需要等到下一个周期到时才会生效

IIC通信

硬件层

1、IIC是一种两线串行（MSB高位先行）、半双工、多对多的同步通信：SCL（时钟线）、SDA（数据线）。

2、由飞利浦公司研发，高位先行的通信方式。

3、IIC的接线方式：SCL接SCL、SDA接SDA，IIC总线上必须接两个上拉电阻，用于总线空闲时将总线的电平拉高；IO需要设置为开漏输出（1. 防止设备烧坏；2. 软件层面是多个主机时，用来判断谁先开始）。

4、支持多主机多从机模式，每个设备都有一个唯一的设备ID。

5、当多个主机同时发起通信请求时，会进行总线仲裁；仲裁的原则：线与（低电平优先）。

6、通信只能由主机发起，时钟线始终由主机控制。

7、通信速率：标准速率➡️100kb/s 快速➡️400kb/s 高速➡️3.4mb/s 极高速➡️5mb/s

8、通信由起始信号开始，停止信号结束。

9、时钟线的作用：用于控制数据线上的数据有效性。

时钟线为低电平时，数据无效；为高电平时，数据有效，此时进行采样保证数据的有效性。

10、IIC是具有应答机制的通信。

协议层

1、起始信号

当时钟线为高电平时，数据线由高电平变低电平产生一个有效（高电平的持续时间>4.7us，低电平。

2、停止信号

当时钟线为高电平时，数据线由低电平变高电平产生一个有效的上升沿。

3、应答信号

当时钟线为高电平时，数据线产生一个有效的低电平。

4、非应答信号（回的信号是高是低的区别）

当时钟线为高电平时，数据线产生一个有效的高电平。

5、等待应答

拉高时钟线，读取数据线上的数据；高电平（非应答）低电平（应答）。

6、发送数据

当时钟线为高电平时，数据线上的数据不允许发生改变（稳定不变）；

当时钟线为低电平时，可以改变。

7、接收数据

把时钟线拉高，即可获取数据线上的数据；接收完数据后，要将时钟线拉低，从机才能发送下一位数据。

如何产生IIC

1、硬件产生IIC（片上外设的方式）

2、软件模拟IIC

五种经典通信的区别

UART、IIC、SPI、RS232、RS485五种嵌入式经典通信总线协议的主要区别：

SPI

硬件层

1、SPI是一种4线串行、全双工半双工可选择、一主多从的同步通信方式。

MOSI：主机输出从机输入

MISO：主机输入从机输出

MSCK：时钟线

NSS：片选

2、高位先行（MSB）还是低位先行（LSB）是可以配置的，数据位也是可以配置的。

3、时钟线始终由主机控制。

4、支持一主多从，主机通过拉低片选来选择与哪个从机通信。

协议层

1、CPOL（时钟极性）

用于控制时钟线在空闲时的输出电平状态。

2、CPHA（时钟相位）

用于决定数据的采样和输出在哪个时钟边沿进行。

3、SPI的工作模式

工作模式	CPOL	CPHA
0	0	0	时钟线空闲时为低电平，数据前沿采样、后沿输出
1	0	1	时钟线空闲时为低电平，数据前沿输出、后沿采样
2	1	0	时钟线空闲时为高电平，数据前沿采样、后沿输出
3	1	1	时钟线空闲时为高电平，数据前沿输出、后沿采样

如何产生SPI

1、硬件产生（片上外设）

2、软件模拟

DMA--直接存储器访问

1、DMA---直接存储器访问，数据的搬运工，不需要CPU的干预，节省CPU的资源。

作用：给CPU减负，提高CPU的运行效率。

2、两个DMA控制器总共有16个数据流（每个控制器8个），每个数据流总共可以有多达8个通道（或称请求）

3、优先级：DMA数据流请求之间的优先级可用软件编程（4个级别：非常高、高、中、低）

在软件优先级相同的情况下可以通过硬件决定优先级（例如，请求 0 的优先级高于请求 1）

4、DMA的传输方向

（1）外设到存储器的传输

（2）存储器到外设的传输

（3）存储器到存储器的传输

5、独立的源和目标传输宽度（字节、半字、字）：源和目标的数据宽度不相等时，DMA自动封装解封必要的传输数据来优化带宽。这个特性仅在FIFO模式下可用。

字节：8bit

半字：16bit

字(全字)：32bit

ADC（模数转换）

1、ADC的作用：将模拟信号转换为数字信号。

2、12位ADC是逐次趋近型模数转换器。

3、stm32f407的ADC分辨率可配置 12 位、10 位、8 位或 6 位分辨率。

4、转换规则：

（1）规则转换：按照预先设定的规则进行转换。

（2）注入转换：类似中断，当规则组在进行转换时，如果注入转换被触发，此时ADC会强行进入注入转换。

5、总转换时间计算公式：转换时间 = 采样时间+12个周期

6、编程步骤：

（1）分析原理图

（2）开始时钟

（3）gpio初始化

（4）adc_common初始化

（5）ADC初始化

（6）dma初始化后

（7）采样通道的规则设置

（8）设置DMA的触发条件

（9）使能DMA ADC ADC_DMA

（10）软件触发开启ADC的转换

（11）算平均值

7、四个核心步骤：采样、保持、量化、输出

8、三个核心指标：分辨率、转换速率、信噪比

FREERTOS

RTOS

1、real time operation system 实时操作系统

2、RTOS并不是指一个操作系统，而是指一类系统，比如在MCU上可以运行的操作系统：freertos、ucos、RTthread等等都叫RTOS。

FREERTOS

1、是一种免费的实时操作系统。占用内存资源小，可以在很多资源有限的芯片上运行。

2、为什么选择FREERTOS？

（1）免费，企业开发考虑成本。

（2）使用者多、资料多、解决问题方便。

（3）简单、文件数量少，方便移植。

（4）可以在很多资源有限的芯片上运行。

（5）很多产品的二次开发也是用的FREERTOS。

3、特点：

（1）任务调度：支持抢占式调度、时间片轮转、合作式调度。

（2）任务的创建支持动态和静态创建。

（3）C语言编写，可移植性强。

（4）提供有低功耗的tickless模式。

（5）支持高效的软件定时器。

（6）提供强大的调试跟踪能力。

（7）有堆栈溢出检测功能。

（8）任务数量和任务优先级不限。

4、在单片机开发中，裸机开发和系统开发的区别：

裸机开发：可以直接控制硬件，资源利用更灵活，无操作系统的额外开销。但是裸机开发只能执行单一任务，开发设计的难度也更大。

系统开发：RTOS提供了任务调度器，可以方便的支持多任务并发；提供了对底层硬件的抽象，使得开发者可以更关注应用程序的逻辑；RTOS还提供了同步和通信机制，使得任务之间的同步和通信更容易实现。但RTOS会占用一些资源，且学习难度较大。

5、任务：被运行起来的函数

任务是一个函数（代码），被保存在flash（闪存）中。

6、CPU和内存的关系

（1）F407内部：

CPU：中央处理器

flash：存放代码，需要借用特殊工具或手段才能把程序写进flash（保证安全性）

ram：存放数据

外设：外围设备

内核：ARM公司提供，F407是M4内核

（2）在用户模式下，ARM可见的寄存器有16个32位的寄存器（r0~r15），还有一个当前状态寄存器。

r0~r12用于计算

r13：用于存储栈的栈顶（SP：栈顶指针）

r14：用于存储程序的返回地址（LR链接寄存器）

r15：指向下一条需要运行指令的地址（PC程序计数器）

（3）ARMV7架构，采用三级流水结构

取指(fetch)：从内存中读取下一条要执行的指令，存入指令寄存器。

译码(decode)：对取指阶段获取的指令进行解析，确定指令的操作类型（如算术运算、数据传输、分支跳转等），并识别操作数（寄存器编号、立即数等）。

执行(execue)：根据译码结果，由算术逻辑单元（ALU）、乘法器等功能模块完成运算，同时处理数据的读写（如访问寄存器或内存）。

当系统稳定运行时，三条不同的指令会同时处于不同的处理阶段：

第一条指令正在执行阶段（由 ALU 等部件处理实际运算）

第二条指令处于译码阶段（解析指令含义和操作数）

第三条指令正在取指阶段（从内存读取指令）

7、堆栈的作用

（1）栈（stack）

函数的形参、局部变量这些参数都是保存在栈中；

现场保护，寄存器r0~r15当中的值保存在栈中；

栈的增长方向从高地址往地地址增；

操作系统重的任务的栈大小需要指定，并且每个任务的栈相互独立、互不影响。

（2）堆

使用malloc函数动态分配的内存来自堆

（3）静态空间

全局变量、静态变量存储在静态存储区

（4）栈的大小怎么分

没有具体的数值大小，只能根据定义的局部变量大小进行估算

（5）堆的空间怎么分

heap4.c中有一个大数组，从这个数组中去分

8、任务的状态

（1）就绪态：等待被调度到运行的状态，任务被创建时就是就绪态；

（2）运行态：正在运行的状态；

（3）阻塞态：任务当前正在等待某个事件，比如信号量或外部中断，事件结束就是就绪态；

（4）挂起态：被执行了挂起程序后的状态，此时这个任务对任务调度器是不可见的。

9、任务的优先级

数字越大，优先级越高（与中断优先级相反）

10、任务的调度

（1）抢占式调度：高优先级可抢占低优先级的任务，假如高优先级的任务一直不释放CPU资源，低优先级的任务永远无法运行。

（2）时间片轮转：优先级相同时，按时间片（systick），轮流运行任务。

（3）合作式调度

（4）空闲任务礼让：在没有任务运行时，会有一个空闲任务，可用来统计CPU的使用率，还给“自杀”后的任务进行资源的回收。