STM32微控制器基础与编程指南

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简介：本教程是为STM32初学者量身打造，旨在传授STM32微控制器的基本知识与编程技能。课程覆盖STM32的基础理论、开发环境搭建、GPIO操作、定时器应用、串行通信、中断与DMA、模拟数字转换以及RTOS基础和调试技巧等关键主题。通过实验项目，学习者将能巩固知识并提高实际操作能力，为深入学习STM32打下坚实基础。

1. STM32基础理论

在微控制器领域，STM32系列微控制器凭借其高性能、低功耗以及丰富的功能而广受欢迎。作为基于ARM Cortex-M内核的微控制器，它适用于从简单到复杂的各种嵌入式应用。了解STM32的基础理论是任何希望深入学习该系列微控制器的开发者的起点。

1.1 STM32的架构概述

STM32微控制器基于ARM架构的Cortex-M系列处理器，拥有多个系列如STM32F0, STM32F4等，每个系列根据性能、内存大小和外设资源进行差异化。了解各个系列的主要特点和应用场景对选择合适的微控制器至关重要。

1.2 Cortex-M核心简介

Cortex-M核心是针对微控制器设计的ARM核心，分为M0、M3、M4和M7等型号，各有特色，例如M4支持浮点运算。核心的这些差异直接影响性能，对于性能敏感的应用，如信号处理或复杂的算法，选择合适的内核尤为关键。

1.3 STM32的内存映射

STM32的内存映射是理解其编程模型的基础。其内部拥有Flash和SRAM，以及多种外设，如GPIO、ADC、DAC、定时器等，它们在内存空间中都有相应的地址。掌握如何正确地访问这些资源是编写有效代码的前提。

在深入细节之前，理解这些基础概念对于开发人员来说是十分必要的，因为这将有助于在接下来的章节中更好地学习和应用STM32。

2. 开发环境搭建

2.1 选择合适的开发板和工具链

2.1.1 STM32开发板的选择标准

在选择STM32开发板时，有几个关键点需要考虑。首先，开发板的兼容性非常重要，确保它与你打算使用的集成开发环境（IDE）兼容。STM32系列微控制器由STMicroelectronics生产，具有多种型号，从简单的Cortex-M0到高端的Cortex-M4和Cortex-M7。因此，你需要根据项目的复杂度和性能需求来选择合适的STM32型号。

另一个考虑因素是开发板上的外围设备。一些开发板带有多种传感器、通信接口和其他外设，这对于快速原型制作和学习非常有用。例如，如果你想开发物联网项目，选择一个带有以太网、Wi-Fi或蓝牙模块的开发板会很有帮助。

最后，开发板的社区支持也是关键。选择一个广泛使用的开发板可以确保有大量的教程、库和社区支持可供参考。

2.1.2 交叉编译工具链的安装与配置

STM32的开发通常需要使用交叉编译工具链，尤其是当你使用的是基于ARM Cortex-M的STM32微控制器时。交叉编译器是一种特殊类型的编译器，它用于创建适用于不同于宿主系统的机器代码。在这种情况下，编译器将为ARM架构生成代码，而你可能在x86架构的PC上工作。

一个流行的交叉编译工具链是GNU Arm Embedded Toolchain，它包含了GCC编译器、GDB调试器以及其他许多有用的工具。你可以通过以下命令行在Ubuntu Linux上安装它：

sudo apt update
sudo apt install gcc-arm-none-eabi

对于Windows用户，你可以从ARM的官方网站下载预编译的二进制安装程序。安装完成后，你还需要配置IDE以使用交叉编译器。例如，在Eclipse中，你需要在“Preferences” > “C/C++” > “Build” > “Settings”下设置“Cross G++ Compiler”和“Cross G++ Linker”。

2.2 开发环境的初始化

2.2.1 安装IDE（集成开发环境）

选择一个适合STM32开发的IDE对于提高开发效率至关重要。目前市面上有几个流行的IDE支持STM32开发，包括Keil uVision、IAR Embedded Workbench和Eclipse。每个IDE都有其优势和特点，选择哪个IDE很大程度上取决于个人喜好和项目需求。

以Eclipse为例，这是一个开源IDE，其最大的优点是灵活性高且插件丰富。安装Eclipse后，你需要安装针对STM32的插件，比如Eclipse Embedded CDT和Ac6 System Workbench for STM32。这些插件为STM32提供了项目创建向导、库文件支持和外设配置向导。

以下是安装Ac6 System Workbench for STM32的步骤：

1. 访问Ac6官网下载适合你操作系统的安装程序。
2. 运行下载的安装程序并按照提示进行安装。
3. 启动System Workbench for STM32并按照向导创建STM32项目。

2.2.2 配置工程模板和项目设置

一旦安装了IDE并配置好了交叉编译工具链，下一步是创建一个新的工程并进行配置。工程配置是确保项目顺利编译和运行的关键步骤。这包括设置处理器型号、配置编译器选项、定义宏和包含路径以及配置项目特定的设置。

以Keil uVision为例，以下是创建新项目的步骤：

1. 打开Keil uVision并选择“Project”菜单中的“New uVision Project...”。
2. 在弹出的对话框中，指定项目名称和位置，然后点击“Save”。
3. 接下来，选择你的目标设备。STM32系列微控制器通常位于“ARM” > “Cortex-M”节点下。
4. 在项目窗口中，右键点击项目名称选择“Options for Target...”。
5. 在弹出的对话框中，你可以配置晶振频率、调试器设置和其他编译器选项。
6. 在“C/C++”标签页中，添加包含目录和宏定义。

2.3 调试工具的使用

2.3.1 JTAG和SWD接口的连接方式

调试是嵌入式开发中不可或缺的一个步骤。STM32支持JTAG和SWD（Serial Wire Debug）接口，其中SWD以其更少的引脚需求和较高的调试速度而受到青睐。

JTAG和SWD接口通常通过一个调试器连接到你的开发板上。调试器（如ST-Link）将你的PC和目标硬件连接起来。SWD接口使用两个信号线（SWDIO和SWCLK）进行数据交换和时钟同步，另外还有一个复位信号线（nRST）和一个地线（GND）。

在连接调试器之前，请确保开发板上相关的跳线设置正确，并且调试器的固件是最新的。连接时，将调试器的接口与开发板上的JTAG/SWD接口相连，并确保所有连接均牢固。

2.3.2 使用调试器进行程序下载和运行控制

一旦硬件连接设置好后，你可以使用IDE或专门的调试器软件下载程序并进行运行控制。以Keil uVision为例，以下是使用调试器下载程序并进行单步调试的步骤：

1. 在Keil uVision中，点击工具栏上的“Debug”按钮启动调试会话。
2. 如果程序尚未下载，调试器会提示你下载程序到目标设备。
3. 下载完成后，你可以使用“Step Into”、“Step Over”和“Step Return”按钮进行单步调试。
4. 使用“Run”按钮来执行程序直到遇到断点。
5. 使用“Reset”按钮可以复位目标设备并重新开始程序。

调试器不仅允许你控制程序的执行，还可以监视程序中变量的值、观察内存内容和设置断点来中断程序执行。这些功能对于发现和解决程序中的问题至关重要。

3. GPIO操作

3.1 GPIO的基本概念和特性

3.1.1 输入/输出端口的结构和类型

GPIO（General Purpose Input/Output）端口是微控制器中非常基础的一种接口，用于输入和输出信号。STM32的GPIO端口由一系列引脚组成，这些引脚可以配置为数字输入输出、模拟输入或特殊功能引脚。

在STM32中，每个GPIO端口通常有16个引脚，编号为GPIOx_0到GPIOx_15，其中x代表端口号（比如A、B、C...）。GPIO端口被分为几个功能区（如GPIOA、GPIOB等），以支持不同的外设和中断线。

每根引脚都具备以下特性： - 输入功能：可以读取外部信号或检测按键状态。 - 输出功能：可以驱动外部设备，如LED灯、继电器等。 - 复用功能：可被配置为外设输入/输出，如SPI、I2C、UART等。 - 模拟功能：可作为模拟信号的输入，如ADC通道输入。

GPIO端口可以被配置为上拉、下拉、浮空、推挽、开漏等方式。推挽模式下，可以驱动电平高低，而开漏模式下，输出端内部只有下拉电路，需要外部上拉电阻。

3.1.2 GPIO的工作模式和配置方法

STM32的GPIO工作模式分为以下四种： - 输入浮空：没有内部上拉或下拉，输入端对地是高阻态。 - 输入上拉：内部连接到3.3V电源的上拉电阻。 - 输入下拉：内部连接到地的下拉电阻。 - 复用推挽：GPIO用作外设功能，内部是推挽输出。 - 复用开漏：GPIO用作外设功能，输出是开漏模式。

配置GPIO，首先需要启用时钟源，然后通过寄存器配置引脚的模式、速度、上/下拉电阻等参数。例如，配置GPIOx_0为推挽输出，速度为50MHz，可以按以下步骤进行：

// 启用GPIOx的时钟
__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE();

// 配置GPIOx_0为推挽输出
GPIOx->MODER &= ~(3UL << (0 * 2)); // 清除模式位
GPIOx->MODER |= (1UL << (0 * 2)); // 设置为通用推挽输出模式

GPIOx->OTYPER &= ~(1UL << 0); // 设置为推挽输出

GPIOx->OSPEEDR |= (3UL << (0 * 2)); // 设置速度为50MHz

GPIOx->PUPDR &= ~(3UL << (0 * 2)); // 清除上/下拉位

在编写配置代码时，需要注意寄存器的确切名称和位域，以及它们在STM32的参考手册中的定义。

3.2 GPIO的高级操作技巧

3.2.1 外设中断的配置和响应

STM32的GPIO引脚除了基本的输入输出功能外，还可以配置为外部中断源。使用外部中断可以为微控制器提供事件响应机制，使得程序能在特定条件发生时立即停止当前任务并执行中断服务程序。

要使用GPIO的外部中断功能，需要完成以下步骤： 1. 配置GPIO引脚为中断模式，并选择触发条件（上升沿、下降沿、上升/下降沿或低电平）。 2. 配置NVIC（嵌套向量中断控制器）以使能外部中断请求。 3. 编写中断服务程序。

例如，配置GPIOx_0产生下降沿触发的外部中断，可以如下操作：

// 启用GPIOx的时钟
__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE();

// 配置GPIOx_0为输入中断模式
GPIOx->MODER &= ~(3UL << (0 * 2)); // 设置为输入模式
GPIOx->PUPDR &= ~(3UL << (0 * 2)); // 清除上/下拉位
GPIOx->PUPDR |= (1UL << (0 * 2)); // 设置为上拉

// 启用SYSCFG时钟
__HAL_RCC_SYSCFG_CLK_ENABLE();

// 将GPIOx_0引脚映射到中断线
SYSCFG->EXTICR[0] &= ~(0xF << (0 * 4)); // 清除引脚映射
SYSCFG->EXTICR[0] |= (GPIOx << (0 * 4)); // 映射到GPIOx

// 配置中断线路和触发条件
EXTI->IMR1 |= (1UL << 0); // 启用中断请求
EXTI->RTSR1 |= (1UL << 0); // 上升沿触发

// 配置NVIC使能中断
HAL_NVIC_SetPriority(EXTIx_0_IRQn, 2, 0); // 设置优先级
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTIx_0_IRQn); // 使能中断

// 中断服务程序
void EXTIx_0_IRQHandler(void)
{
    if(__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(1UL << 0) != RESET)
    {
        __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(1UL << 0);
        // 具体中断响应操作
    }
}

3.2.2 GPIO复用功能的应用实例

在STM32微控制器中，GPIO端口的引脚可以被配置为复用模式，这意味着它们能够为各种外设提供输入/输出，如SPI、I2C、USART等。这种复用功能为设计提供了灵活性，允许单个引脚完成多种不同的任务。

配置GPIO的复用功能需要通过修改AFIO（Alternate Function I/O）寄存器和GPIO本身的功能复用寄存器（AFR）。复用功能的配置通常包括以下步骤： 1. 启用相应的外设时钟。 2. 修改GPIO的MODER和AFR寄存器，将引脚配置为复用功能模式。 3. 设置AFR寄存器以选择正确的复用功能。

例如，配置GPIOx_8和GPIOx_9用于SPI1通信的MOSI和MISO：

// 启用GPIOx、AFIO和SPI1时钟
__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE();

// 配置GPIOx_8为复用推挽模式，设置为SPI1的MOSI
GPIOx->MODER &= ~(3UL << (8 * 2));
GPIOx->MODER |= (2UL << (8 * 2));
GPIOx->AFR[1] &= ~(0xF << (4 * 4));
GPIOx->AFR[1] |= (0x0 << (4 * 4));

// 配置GPIOx_9为复用推挽模式，设置为SPI1的MISO
GPIOx->MODER &= ~(3UL << (9 * 2));
GPIOx->MODER |= (2UL << (9 * 2));
GPIOx->AFR[1] &= ~(0xF << (5 * 4));
GPIOx->AFR[1] |= (0x0 << (5 * 4));

// 配置SPI1的其他参数，并启用SPI
// ...

// 使用SPI发送和接收数据
// ...

通过GPIO的复用功能，可以将有限的I/O引脚用于多种外设，从而在设计微控制器应用时节省资源。

4. 定时器应用

在嵌入式系统中，定时器是不可或缺的一部分。它广泛应用于时间测量、延时、脉冲宽度调制(PWM)、定时任务执行、频率计数等领域。STM32微控制器家族提供了丰富的定时器资源，以及灵活的配置选项，为开发者提供了极大的便利。本章节将详细介绍STM32定时器的工作原理和编程实践，使读者能够深入理解并掌握定时器的使用。

4.1 定时器的工作原理

4.1.1 定时器的结构和功能概述

STM32的定时器是由一个自由运行的计数器和一系列控制寄存器构成的。这些寄存器用于配置定时器的工作模式、输入输出、中断以及硬件特性。定时器的主要功能包括：

• 时间基准生成
• 计数器模式：向上计数、向下计数、中心对齐计数
• 输入捕获：捕获外部事件发生的时间
• 输出比较：产生定时事件，用于PWM控制等
• PWM模式：包括边缘对齐和中心对齐的PWM信号生成

4.1.2 定时器的工作模式和计数原理

定时器工作模式可概括为以下几种：

• 基本定时器模式 ：计数器从零开始，以预定的速率递增，直到达到预设的最大值。计数溢出可以产生中断或触发更新事件。
• 输入捕获模式 ：捕获外部事件的时间信息，可用于测量外部信号的频率和周期。
• 输出比较模式 ：在预设的时间点改变输出信号的状态，实现时间基准或定时任务的触发。
• PWM模式 ：通过配置输出比较来生成脉冲宽度可调的方波，用于调速、亮度控制等场合。

计数原理上，STM32定时器可以配置为预分频器，降低计数频率，并可选择不同的时钟源。计数器的计数模式和预分频器共同决定了计数频率和计数范围，以适应不同的应用场景。

4.2 定时器的编程实践

4.2.1 定时器中断的编写和应用

中断是定时器编程中非常重要的一个部分，特别是当需要在特定的时间点执行某些任务时。以下是一个基本的定时器中断的编程步骤：

1. 初始化定时器 ：配置定时器的预分频值、自动重装载寄存器值，以及计数模式等。
2. 配置中断 ：设置中断优先级并使能定时器的更新中断。
3. 编写中断服务程序 ：实现中断发生时需要执行的操作。
4. 启动定时器 ：使能定时器计数，并允许中断发生。

以下是一段示例代码，展示了如何配置一个基本的定时器中断：

#include "stm32f10x.h"

// 定时器初始化函数
void TIM3_Configuration(void)
{
  // 定时器基本配置
  TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  // 使能TIM3时钟
  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
  // 设置定时器计数器模式
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 9999; // 自动重装载值
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7199; // 预分频器
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 向上计数模式
  // 初始化定时器TIM3
  TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
  // 使能定时器TIM3中断
  TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);
  // 配置TIM3中断优先级
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
  // 启动定时器
  TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

// 定时器3中断服务程序
void TIM3_IRQHandler(void)
{
  if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)
  {
    TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
    // 在这里编写中断触发时需要执行的代码
  }
}

int main(void)
{
  TIM3_Configuration();
  while (1)
  {
    // 主循环代码
  }
}

在这段代码中，我们配置了TIM3定时器，使其在产生定时器溢出时产生中断。在中断服务程序 TIM3_IRQHandler 中，首先检查中断标志位，确认是否为TIM3更新中断。如果是，则清除中断标志位，并执行相应的操作。

4.2.2 PWM波形生成与调节技巧

PWM波形生成是定时器应用中的一个高级技巧，它允许精确控制占空比，广泛用于电机控制、LED调光等领域。下面的步骤和代码示例展示如何利用STM32定时器生成PWM信号。

1. 初始化定时器的PWM模式 ：设置定时器为PWM模式，并配置输出比较寄存器以决定PWM的占空比。
2. 配置输出比较模式 ：选择输出比较模式为PWM模式，配置输出比较寄存器以设置占空比。
3. 启动PWM信号输出 ：启动定时器和相关通道，开始输出PWM信号。

示例代码展示如何配置TIM3产生PWM信号：

void TIM3_PWM_Init(void)
{
  TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
  // 定时器基本配置（同前面的TIM3_Configuration）
  // ...
  // 配置TIM3的PWM模式输出
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 4999; // 设置占空比对应的值
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
  // 初始化TIM3通道2为PWM模式
  TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
  // 启动定时器TIM3 PWM输出
  TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

int main(void)
{
  TIM3_PWM_Init();
  while (1)
  {
    // 主循环代码
  }
}

在这段代码中，我们配置了TIM3的通道2为PWM模式，并设置了占空比。通过改变 TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse 的值，可以调节PWM信号的占空比。

实践练习

为了加深对定时器编程的理解，读者可以尝试以下实践：

1. 修改示例代码 ：尝试修改定时器的预分频器和自动重装载寄存器的值，观察定时器中断触发频率的变化。
2. PWM占空比调节 ：通过改变 TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse 的值，实际观察LED或电机的亮度、速度变化，掌握PWM占空比对实际应用的影响。
3. 进阶项目 ：结合ADC读取模拟信号，并利用定时器和PWM产生相应的反馈控制信号。

在理解了定时器的基础工作原理和编程实践后，读者应该能够灵活运用STM32的定时器功能，满足嵌入式系统开发中的各种时间控制需求。

5. 串行通信（UART、SPI、I2C）

5.1 串行通信基础

5.1.1 UART、SPI和I2C通信协议概述

串行通信是微控制器间交换数据的一种常用方式，允许数据一位一位地通过一根线（或通道）传输。在STM32微控制器中，最常见的串行通信协议包括UART（通用异步收发传输器）、SPI（串行外设接口）和I2C（Inter-Integrated Circuit）。

UART是一种简单的异步通信协议，它不需要时钟同步信号，因此只需要两条线（RX和TX）就可以实现全双工通信。其特点是通信速率可以自定义，因此应用广泛，尤其适用于距离较远的设备间通信。

SPI是一种同步串行通信协议，需要使用四根线：MISO（主设备输入/从设备输出）、MOSI（主设备输出/从设备输入）、SCLK（时钟线）和CS（片选信号）。它支持高速数据传输，常用于微控制器和外设（如传感器、存储设备）之间的通信。

I2C是一种两线制的串行通信协议，需要一根数据线（SDA）和一根时钟线（SCL）。I2C的一个显著特点是它支持多主机和多从机模式，使得多个主机可以控制总线，同时允许设备的地址可配置，因此非常适用于多从设备连接。

5.1.2 通信模式的选择和配置

选择哪种通信协议取决于您的应用需求，例如数据传输速率、距离、外设数量等。例如，如果设备距离较远，可能需要使用UART；如果设备需要高速通信且线路较少，SPI可能更合适；如果外设数量较多并且距离较近，I2C可能是最佳选择。

配置通信模式通常涉及设置波特率、时钟极性和相位等参数，以及确定通信协议的特性如数据位宽、停止位和校验位。STM32的HAL库提供了丰富的API来简化这些配置步骤。

5.2 串行通信的高级应用

5.2.1 多机通信和地址识别

多机通信允许单个主机与多个从机设备通信，这在需要连接多个相同类型的传感器或执行器的系统中非常有用。I2C和SPI都支持多机通信模式，但它们的地址识别方式不同。

在I2C中，每个设备有一个唯一的7位地址。主机通过发送起始信号、设备地址和读/写位来初始化通信。在SPI中，通过控制片选信号（CS）来选择一个特定的从机。

5.2.2 高速通信和缓冲区管理

高速通信在数据传输速率要求较高的应用中是必须的，例如音频和视频信号的传输。为了支持高速通信，通信协议可能需要特定的硬件支持和优化配置。

STM32提供了DMA（直接内存访问）支持，可以实现缓冲区管理，这样主机可以处理其他任务而不必在数据传输中不断干预。在编程时，需要正确配置DMA通道、缓冲区地址和大小。

代码示例：配置SPI通信（伪代码）

//SPI初始化配置
void MX_SPI1_Init(void)
{
    hspi1.Instance = SPI1;
    hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
    hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
    hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
    hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
    hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
    hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
    hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_16; // 设置波特率
    hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
    hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
    hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
    hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;
    if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

在上述代码示例中，我们初始化了SPI1接口为一个主模式的SPI设备。我们指定了通信模式、数据大小、时钟极性、时钟相位以及波特率。由于这是一个配置函数，您需要在适当的地方调用它，比如在主函数或应用初始化函数中。配置好之后，就可以使用 HAL_SPI_Transmit() 和 HAL_SPI_Receive() 等函数来发送和接收数据了。

表格：串行通信协议特性对比

| 特性 | UART | SPI | I2C | |-------------|------------|---------------|--------------| | 数据位宽 | 可配置 | 固定8位 | 可配置 | | 通信速率 | 中等 | 高速 | 中等 | | 线路数量 | 2 | 4 | 2 | | 地址识别 | 无 | 无 | 有 | | 多设备通信 | 无 | 有 | 有 | | 硬件支持 | 有 | 有 | 有 | | 通信协议 | 异步 | 同步 | 同步 |

本章通过介绍串行通信的基础知识，让您了解不同协议的工作原理和配置方法。随着进一步阅读，您将探索如何实现更复杂的通信场景，如多机通信和高速数据传输。

6. 中断与DMA

在嵌入式系统开发中，中断和DMA（直接内存访问）是提高系统效率和性能的关键技术。本章将深入探讨STM32中的中断机制和DMA传输，以及如何在实际应用中优化它们的使用。

6.1 中断的深入理解

中断是微控制器响应外部或内部事件的一种机制。理解中断的工作原理和配置对于开发响应迅速、实时性高的应用程序至关重要。

6.1.1 中断向量和优先级配置

每个中断源都有一个对应的中断向量，当中断事件发生时，CPU会跳转到该向量指定的中断服务例程（ISR）执行。STM32使用一个中断向量表来管理这些向量，它定义了每种中断的优先级。

在STM32中，可以通过NVIC（嵌套向量中断控制器）来配置中断优先级。中断优先级包括抢占优先级和子优先级，用于解决多中断源同时请求服务的情况。

示例代码展示如何配置一个中断的优先级：

void Interrupt_Init(void) {
    // 中断优先级分组设置，0x03表示4位抢占优先级和0位子优先级
    HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4);
    // 配置外部中断的优先级，这里以EXTI0为例
    HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 2, 0);  // 抢占优先级2，子优先级0
    // 使能EXTI0中断
    HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);
}

6.1.2 外部中断的触发源和处理流程

外部中断可以由多种触发源引发，包括上升沿、下降沿、上升和下降沿触发或高/低电平触发。STM32微控制器内部集成了外部中断/事件控制器（EXTI），可以配置这些触发方式。

处理外部中断的基本流程如下：

1. 配置GPIO为中断模式。
2. 选择中断触发源并配置EXTI线路。
3. 在NVIC中配置中断优先级并使能中断。
4. 编写中断服务例程（ISR），以处理中断事件。

以GPIO的外部中断配置为例：

void EXTI0_IRQHandler(void) {
    if(__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(GPIO_PIN_0) != RESET) {
        __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(GPIO_PIN_0);
        // 处理中断事件
    }
}

6.2 DMA传输的使用

DMA传输允许外设和内存或内存和内存之间进行数据传输，而无需CPU的干预。这极大地减轻了CPU的负担，提高了数据处理的效率。

6.2.1 DMA控制器的工作机制

STM32中的DMA控制器可以执行数据传输，这些数据可以是数组、结构体或任何可寻址的数据。DMA传输支持多种模式，例如单次传输、循环传输、内存到内存的传输等。

在STM32中配置DMA传输时，通常需要以下几个步骤：

1. 开启DMA时钟。
2. 配置DMA传输参数，如源地址、目的地址、传输方向、传输数据大小等。
3. 将DMA请求线连接到相应的外设或内存请求。
4. 启动DMA传输，并在需要的时候停止传输。

示例代码展示如何配置一个简单的DMA传输：

void DMA_Transfer_Config(void) {
    // 开启DMA时钟
    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();
    // 配置DMA传输参数
    DMA_HandleTypeDef hdma;
    hdma.Instance = DMA1_Channel1;
    hdma.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_MEMORY;
    hdma.Init.PeriphInc = DMA_PINC_ENABLE;
    hdma.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
    hdma.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
    hdma.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
    hdma.Init.Mode = DMA_NORMAL;
    hdma.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;
    // 初始化DMA
    HAL_DMA_Init(&hdma);
    // 链接DMA控制器到外设请求
    __HAL_LINKDMA(&hdma, Parent, *sourcePointer);
    // 启动DMA传输
    HAL_DMA_Start(&hdma, (uint32_t)sourcePointer, (uint32_t)destinationPointer, size);
    // 等待传输完成
    HAL_DMA_PollForTransfer(&hdma, HAL_DMA_FULL_TRANSFER, HAL_MAX_DELAY);
}

在实际应用中，可以结合中断机制使用DMA传输，通过中断来响应DMA传输的完成事件，这样可以在无需持续轮询的情况下，灵活高效地处理数据传输。

本章从中断和DMA的基础知识讲起，逐步深入到具体应用实例，带领读者掌握STM32中断与DMA的使用和优化。在下一章节，我们将继续深入了解STM32的ADC与DAC操作，以及如何编程实现精确的模拟信号采集与处理。

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简介：本教程是为STM32初学者量身打造，旨在传授STM32微控制器的基本知识与编程技能。课程覆盖STM32的基础理论、开发环境搭建、GPIO操作、定时器应用、串行通信、中断与DMA、模拟数字转换以及RTOS基础和调试技巧等关键主题。通过实验项目，学习者将能巩固知识并提高实际操作能力，为深入学习STM32打下坚实基础。

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