STM32入门教程

《零死角玩转STM32》—F1系列第1页共53页前言一天入门STM32，仅一天的时间，是否有真的这么快。不同的人对入门的理解不一样，这篇一天入门STM32的教程，我们先对入门达成一个共识，如果你有异议，一天入门不了，请不要较真，不要骂街，保持一个工程师该有的修养，默默潜心学习，因为你还有很大的上升空间。我眼中的入门：（前提是你学过51单片机和C语言）1、知道参考官方的什么资料来学习，而不是陷入一大堆资料中无从下手。2、知道如何参考官方的手册和官方的代码来独立写自己的程序，而不是一味的看到人家写的代码就觉得人家很牛逼。3、消除对STM32的恐惧，消除对库开发的恐惧，学习是一个快乐而富有成就感的过程。《零死角玩转STM32》—F1系列第2页共53页第1章一天入门STM32本章参考资料：《STM32中文参考手册》《CM3权威指南CnR2》学习本章时，配合《STM32中文参考手册》GPIO章节一起阅读，效果会更佳，特别是涉及到寄存器说明的部分。1.151与STM32简介51是嵌入式学习中一款入门级的精典MCU，因其结构简单，易于教学，且可以通过串口编程而不需要额外的仿真器，所以在教学时被大量采用，至今很多大学在嵌入式教学中用的还是51。51诞生于70年代，属于传统的8位单片机，如今，久经岁月的洗礼，既有其辉煌又有其不足。现在的市场产品竞争激烈，对成本极其敏感，相应地对MCU的要求也更苛刻：功能更多，功耗更低，易用界面和多任务。面对这些要求，51现有的资源就显得得抓襟见肘了。所以无论是高校教学还是市场需求，都急需一款新的MCU来为这个领域注入新的活力。基于这市场的需求，ARM公司推出了其全新的基于ARMv7架构的32位Cortex-M3微控制器内核。紧随其后，ST（意法半导体）公司就推出了基于Cortex-M3内核的MCU—STM32。STM32凭借其产品线的多样化、极高的性价比、简单易用的库开发方式，迅速在众多Cortex-M3MCU中脱颖而出，成为最闪亮的一颗新星。STM32一上市就迅速占领了中低端MCU市场，受到了市场和工程师的无比青睐，颇有星火燎原之势。作为一名合格的嵌入式工程师，面对新出现的技术，我们不是充耳不闻，而是要尽快吻合市场的需要，跟上技术的潮流。如今STM32的出现就是一种趋势，一种潮流，我们要做的就是搭上这趟快车，让自己的技术更有竞争力。1.1.151与STM32架构的区别我们先普及一个概念，单片机（即MCU）里面有什么。一个人最重要的是大脑，身体的各个部分都在大脑的指挥下工作。MCU跟人体很像，简单来说是由一个最重要的内核加其他外设组成，内核就相当于人的大脑，外设就如人体的各个功能器官。下面我们来简单介绍下51和STM32的结构。1.51系统结构51系统结构框图《零死角玩转STM32》—F1系列第3页共53页图151系统结构框图我们说的51一般是指51系列的单片机，型号有很多，常见的有STC89C51、AT89S51，其中国内用的最多的是STC89C51/2，下面我们就以STC89C51来讲解，并以51简称。内核51由一个IP核和片上外设组成，IP核就是上图中的CPU，片上外设就是上图中的：时钟电路、SFR和RAM、ROM、定时/计数器、并行I/O口、串行I/O口、中断系统。IP核跟外设之间由系统总线连接，且是8bit的，速度有限。51内核是上个世纪70年代intel公司设计的，速度只有12M，外设是IC厂商（STC）在内核的基础上添加的，不同的IC厂商会在内核上添加不同的外设，从而设计出各具特色的单片机。这里intel属于IP核厂商，STC属于IC厂商。我们后面要讲的STM32也一样，ARM属于IP核厂商，ARM给ST授权，ST公司在Cortex-M3内核的基础上设计出STM32单片机。外设我们在学习51的时候，关于内核部分接触的比较少，使用的最多的是片上外设，我们在编程的时候操作的也就是这些外设。《零死角玩转STM32》—F1系列第4页共53页编程的时候操作的寄存器位于SFR和RAM这个部分，其中SFR（特殊功能寄存器）占有128字节（实际上只用了26个字节，只有26个寄存器，其他都属于保留区），RAM占有128字节，我们在程序中定义的变量就是放在RAM中。其中SFR和RAM在地址上是重合的，都是在80~FF这个地址区间，但在物理区间上是分开的，所以51的RAM是有256个字节。编写好的程序是烧写到ROM区。剩下的外设都是我们非常熟悉的IO口，串口、定时器、中断这几个外设。2.STM32系统结构STM32系统结构框图图2STM32系统结构框图内核在系统结构上，STM32和51都属于单片机，都是由内核和片上外设组成。只是STM32使用的Cortex-M3内核比51复杂得多，优秀得多，支持的外设也比51多得多，同时总线宽度也上升到32bit，无论速度、功耗、外设都强与51。《零死角玩转STM32》—F1系列第5页共53页从结构框图上看，对比51内核只有一种总线，取指和取数共用。Cortex-M3内部有若干个总线接口，以使CM3能同时取址和访内（访问内存），它们是：指令存储区总线（两条）、系统总线、私有外设总线。有两条代码存储区总线负责对代码存储区（即FLASH外设）的访问，分别是I-Code总线和D-Code总线。I-Code用于取指，D-Code用于查表等操作，它们按最佳执行速度进行优化。系统总线（System）用于访问内存和外设，覆盖的区域包括SRAM，片上外设，片外RAM，片外扩展设备，以及系统级存储区的部分空间。私有外设总线负责一部分私有外设的访问，主要就是访问调试组件。它们也在系统级存储区。还有一个MDA总线，从字面上看，DMA是datamemoryaccess的意思，是一种连接内核和外设的桥梁，它可以访问外设、内存，传输不受CPU的控制，并且是双向通信。简而言之，这个家伙就是一个速度很快的且不受老大控制的数据搬运工，这个在51里面是没有的。外设从结构框图上看，STM32比51的外设多得多，51有的串口、定时器、IO口等外设STM32都有。STM32还多了很多特色外设：如FSMC、SDIO、SPI、I2C等，这些外设按照速度的不同，分别挂载到AHB、APB2、APB1这三条总线上。3.小结从内核和外设这两大方面来比较，STM32之于51就是一个升级版的单片机。它适应市场，引流潮流，在中低端的微控制器中流光溢彩。1.2学习方法的区别学习51用寄存器，学习STM32用库。以前我们在学习51的时候，用的是寄存器编程的方法，想要实现什么效果，直接往寄存器里面赋值，优点是直观，简单粗暴，知道自己具体干了啥，心里踏实。直接操作寄存器之所以在51上可行，究其原因，我想有两点：1、51主频不高，资源有限，必须注重程序执行的效率，只能直接操作寄存器。关键的地方还得用汇编，不适合用固件库。《零死角玩转STM32》—F1系列第6页共53页要知道当初我们学习51单片机的时候用的还是汇编，连现在的C编程都不是，就更别说什么库函数编程。2、51功能简单，寄存器不多。以国内普及最广的STC89C52为例，寄存器全部加起来不到30个。按照功能区分来记的话，可以把每个寄存器背的滚瓜烂熟，并且寄存器每一位的功能都可以记得住，在编程的时候做到了然于胸。现在从51过度到STM32的学习，很多人还是喜欢沿用51的学习方法。接受不了库，在学习库的时候陷入迷糊之中，来回几个月下来，都不知道到底有没学会STM32，因为在这一路的学习中都是在调用库函数，压根就没有操作过寄存器，心里面很不踏实。其实大家在调用库函数的时候心中难道就没有疑问，库的底层是怎么实现的？难道就没有勇气对库的底层一探究竟。可最后当我们开始跟踪库函数底层的时候，看到一堆的宏定义、结构体、指针、各种的文件包含，而且注释全部都是英文的，是不是又心生忌惮。鉴于此，我想用两个原因来总结下很多初学者畏惧库不愿意用库的原因。1、C语言知识点的欠缺库在实现寄存器映像时使用的宏定义，强制类型转换，在定义寄存器时使用的结构体，在外设初始化函数时使用的指针，在组织头文件时使用的条件编译等C语言知识，在大学课程中很少涉及，大多数老师也基本是不讲。在一些简单的51单片机编程中又很少会用到这些知识。学单片机，做嵌入式开发其实80%的工作都跟C语言编程相关，剩下的20%的工作就是阅读各种数据手册，熟悉各种硬件外设。所以掌握这些基本的C语言知识，是嵌入式学习中一道迈不过去的坎，STM32的库则给了我们一次提升C的机会。凡是可以从书本中找到的，相信我们基本都可以学会，很多初学者并不是不够聪明或者勤奋，只是缺少方向性的指导罢了。对于这欠缺的知识点我们稍微花点时间就可以掌握，剩下的就是不断地实践调试。这里我为大家推荐一本C语言的书籍《C和指针》。2、程序架构设计思想的欠缺这个比较难搞，很多C语言学习得挺好好的人，也比较难掌握。还好我们遇到了STM32的库，这给了我们一个学习和提升C语言绝佳的机会。库的整个架构是如何搭建起来的，代码上是如何如何一步一步写出来的：从寄存器映像开始，到寄存器的封装，然后到函数的编写，到每个外设函数对应的驱动文件，这里面涉及到了大量的条件编译，文件包含的思想，对应刚写过几行51单片机的初学者来说简直就是噩梦。但是，如果你把这一系列的关系弄明白了，那么对库的整个架构也了解的差不多了，以后你就不用嚷嚷着说要操作寄存器了。如果你一开始不喜欢用库，对库开发很忌惮，那么请自问：是不是我的C语学得不够好。库是一种全新的学习方法，是一种潮流，我更把它看做是与C语言的又一次历练和提升。是否用库，只差你一个闪亮的回眸。《零死角玩转STM32》—F1系列第7页共53页1.3用寄存器点亮LED为了顺利过渡到库开发，在STM32编程的开始，我们对照51点亮一个LED的方法，给大家演示一下STM32如何用操作寄存器的方法点亮一个LED，然后再慢慢讲解到底什么是库，让大家知道库跟寄存器的关系。1.3.1用51点亮一个LED在用STM32点亮一个LED之前，我们先来复习下用51如何点亮一个LED。硬件上我们假设51单片机的P0口的第0位接了一个LED，负逻辑亮。如果我们要点亮这个LED，代码上我们会这么写：1P0=0XFE;//总线操作点亮LED这时候我们就把LED点亮了，如果要关掉LED，则是：1P0=0XFF;//总线操作关闭LED这里面我们用的是总线操作的方法，即是对P0口的8个IO同时操作，但起作用的只是P0^0。除了这种总线操作的方法，我们还学习过位操作，利用51编译器的关键字sbit，我们可以定义一个位变量：1sbitLED=P0^0;那么LED=0；就点亮了LED，LED=1;就关闭了LED。为了让程序看起来见名知义，我们定义两个宏：1#defineON02#defineOFF1点亮和关闭LED的代码就变成了：1LED=ON;//位操作点亮LED2LED=OFF;//位操作关闭LED稍微整理下代码，整体的效果就是：1//假设51单片机的P0^0口接LED，负逻辑点亮23#defineON04#defineOFF156sbitLED=P0^0;78voidmain(void)《零死角玩转STM32》—F1系列第8页共53页9{10P0=0XFE;//总线操作点亮LED11P0=0XFF;//总线操作关闭LED1213LED=ON;//位操作点亮LED14LED=OFF;//位操作关闭LED15}上面总线和位操作的的方法，学过51的朋友是非常熟悉的，也很容易理解。那么我们再说一下大家容易忽略的几个知识点。1.什么是寄存器在点亮LED的时候，我们都是用操作寄存器的方法来实现的，那大家是否想过，这个寄存器到底是什么？为什么我们可以直接操作P0口？解答上面的问题之前，我们先简单介绍下51单片机的主要组成部分，这对我们学习其他单片机也有好处。我们以国内的STC89C51为例，该单片机主要由51内核、外设IP、和总线这三大部分组成。内核是由Intel公司生产的，外设IP就是STC公司在内核的基础上添加的诸