STM32介绍

本内容是基于江协科技STM32视频学习之后，并参考【重写】简析stm32启动过程-CSDN博客和STM32 最小系统_stm32最小系统-CSDN博客以及其他资料综合整理而成。

1. STM32

1.1 STM32简介

  • STM32是ST公司基于ARM Cortex-M内核开发的32位微控制器；
  • STM32常应用在嵌入式领域，如智能车、无人机、机器人、无线通讯、物联网、工业控制、娱乐电子产品等；
  • STM32F1系列是主流系列，有177的内核跑分和72Mhz的Cortex-M3内核；

1.2 ARM

  • ARM：既指ARM公司，也指ARM处理器内核
  • ARM公司是全球领先的半导体知识产权（IP）提供商，全世界超过95%的智能手机和平板都采用ARM架构；
  • ARM公司设计ARM内核，半导体厂商完善内核周边电路并生产芯片；

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A系列：应用(application)，主要用于手机，苹果手机、高通手机芯片、联发科手机芯片；
R系列：RealTime，主要面向实时性很高的场景，硬盘控制器
M系列：Microcontroller，主要应用在单片机领域；

1.3 STM32F103C8T6：

系列：主流系列STM32F1
内核：ARM Cortex-M3
主频：72MHz
RAM：20K (SRAM)
ROM：64K (Flash)
供电：2.0~3.6V (标准3.3V)
封装：LQFP48
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1.4 片上资源/外设

英文缩写名称英文缩写名称
NVIC嵌套向量中断控制器CANCAN通信
SysTick系统滴答定时器USBUSB通信
RCC复位和时钟控制RTC实时时钟
GPIO通用IO口CRCCRC校验
AFIO复用IO口PWR电源控制
EXTI外部中断BKP备份寄存器
TIM定时器IWDG独立看门狗
ADC模数转换器WWDG窗口看门狗
DMA直接内存访问DAC数模转换器
USART同步/异步串口通信SDIOSD卡接口
I2CI2C通信FSMC可变静态存储控制器
SPISPI通信USB OTGUSB主机接口
  • NVIC和SysTick是内核内的外设，其余是内核外的外设
    • NVIC：内核内用于管理中断的设备，比如配置中断优先级这些东西
    • SysTick：内核里面的一个定时器，主要用来给操作系统提供定时服务
  • RCC：对系统的时钟进行配置，就是使能各模块的时钟。在STM32中，其它的这些外设在上电的情况下默认是没有时钟的，不给时钟的情况下，操作外设是无效的。外设也不会工作，这样的目的是降低功耗。所以，在操作外设之前，必须要先使能它的时钟。因此，需要用RCC来完成时钟的使能
  • GPIO：用GPIO来点灯，读取按键
  • AFIO：完成复用端口的重定义，还有中断端口的配置
  • EXTI：外部中断，配置好外部中断后，当引脚有电平变化时，就可以触发中断，让CPU来处理任务。
  • TIM：分为高级定时器、通用定时器、基本定时器；通用定时器：不仅完成定时中断任务，还可以完成测频率、生成PWM波形、配置成专用的编码器接口等功能。
  • ADC：该STM32内置了12位的AD转换器，可以直接读取IO口的模拟电压值，无需外部连接AD芯片。
  • DMA：可以帮助CPU完成搬运大量数据这样的繁杂任务
  • USART：即支持异步串口，也支持同步串口
  • I2C和SPI：STM32也内置了它们的控制器，可以用硬件来输出时序波形
  • CAN：
  • USB：
  • RTC：在STM32内部完成年月日、时分秒的计时功能；可以接外部备用电池，即使掉电也能正常运行；
  • CRC：是一种数据的校验方式，用于判断数据的正确性。
  • PWR：可以让芯片进入睡眠模式等状态，来达到省电的目的；
  • BKP：是一段存储器，当系统掉电时，仍可由备用寄存器保持数据，这个根据需要，可以完成一些特殊功能；
  • IWDG和WWDG：当单片机因为电磁干扰死机或者程序设计不合理出现死循环时，看门狗可以及时复位芯片，保证系统的稳定；
  • DAC：可以在IO口直接输出模拟电压；
  • SDIO：可以用来读取SD卡；
  • FSMC：可变静态存储控制器，可以用于扩展内存，或者配置成其他总线协议，用于某些硬件的操作；
  • USB OTG：用OTG功能，可以让STM32作为USB主机去读取其他USB设备

1.5 STM32命名规则

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1.6 STM32F013C8T6引脚定义

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  • 类型中：

    • S代表电源，I代表输入，O代表输出，IO代表输入输出

  • I/O口电平：代表IO口所能容忍的电压；有FT代表能容忍5V的电压，没有FT只能容忍3.3V的电压。如果没有FT的需要接5V的电平，就需要加装电平转换电路了

  • 主功能：上电后默认的功能，一般和引脚名称相同。如果不同的话，引脚的实际功能是主功能而不是引脚名称的功能。

  • 默认复用功能：是IO口上同时连接的外设功能引脚。配置IO口的时候可以选择是通用IO口还是复用功能。

  • 重定义功能：如果有两个功能同时复用在了一个IO口上，而你确实需要用到这两个功能，那么可以把其中一个复用功能重映射到其他端口上。当然前提是，这个重定义功能的表里有对应的端口。

  • 1号VBAT：是备用电池供电的引脚，可以接一个3.3V的电池。当系统电源断电时，备用电池可以给内部的RTC时钟和备份寄存器提供电源。

  • 2号引脚：是IO口或侵入检测或RTC。

    • IO口可以根据程序输出或读取高低电平，是最基本的也是最常用的功能。
    • 侵入检测TAMPER：可以用来做安全保障的功能。比如你的产品安全性比较高，可以在外壳加一些防拆的触点，然后接上电路到该引脚。若有人强行拆开设备，那触点断开，这个引脚的电平变化就会触发STM32的侵入信号，然后就会清空数据来保证安全。
    • RTC引脚：可用来输出RTC校准时钟、RTC闹钟脉冲或者秒脉冲

  • 3、4号引脚：是IO口或者接32.768KHz的RTC晶振

  • 5、6号引脚：接系统的主晶振，一般是8MHz的。芯片内部有锁相环电路，可以对这个8MHz的频率进行倍频，最终产生72MHz的频率，作为系统的主时钟

  • 7号NRST：是系统复位引脚，N代表低电平复位

  • 8、9号引脚：是内部模拟部分的电源，如ADC、RC震荡器。VSS是负极，接GND，VDD是正极，接3.3V。

  • 10~19号引脚：都是IO口。PA0兼具了WKUP的功能，可以用于唤醒处于待机模式的STM32。

  • 20号引脚：IO口或BOOT1引脚。BOOT1是用来配置启动模式的。

  • 21、22号引脚：IO口

  • 23、24号引脚：VSS_1和VDD_1是系统的主电源口。另外VSS_2、VDD_2、VSS_3、VDD_3，都是系统的主电源口。这里STM32内部采用了分区供电的方式。

  • 25~33号引脚：都是IO口

  • 34、37~40号引脚：都是IO口或者调试端口。默认的主功能是调试端口。调试端口是用来调试程序和下载程序的。支持SWD和JTAG两种调试方法。SWD需要两根线，分别是SWDIO和SWCLK。JTAG需要5根线，分别是JTMS、JTCK、JTDI、JTDO、NJTRST。当采用SWD方式时，其他的端口可以当做普通的IO口，但要在程序中进行配置，否则还是当作调试端口

  • 41-43、45-46号引脚：都是IO口；

  • 44号引脚：BOOT0，也是用来做启动配置的。
    image.png

1.7 STM32最小系统板

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  • 滤波电容： 在3.3V和GND之间接一个滤波电容，来保证供电电压的稳定
  • 晶振电路：接了一个8MHz的主时钟晶振，STM32的主晶振一般都是8MHz。
    晶振电路的两根引脚分别通过两个网络标号，接到STM32的5、6号引脚。还需要接两个20pF的电容，作为起振电容，电容的另一端接地
    如果需要RTC功能，则需要接一个32.768KHz的晶振，电路和这个一样，接在3、4号引脚。32768是2的15次方，内部RTC电路经过2的15次方分频，就可以生成1秒的时间信号了。
  • 复位电路：由一个10k的电阻和0.1uF的电容组成，用来给单片机提供复位信号。NRST接在STM32的7号引脚。该复位电路在上电的瞬间，电容是没有电的。电源通过电阻开始向电容充电，并且此时电容呈现的是短路状态，NRST引脚就会产生低电平。当电容逐渐充满电时，电容就相当于断路，此时NRST就会被R1上拉为高电平。则上电瞬间的波形就是先低电平，然后逐渐高电平。该低电平就可以提供STM32的上电复位信号。按键是提供了一个手动复位的功能，当我们按下按键时，电容被放电，并且NRST引脚也通过按键被直接接地了，相当于手动产生了低电平复位信号。按键松手后，NRST又回归高电平，此时单片机就从复位状态转为工作状态。
  • 启动配置：H1相当于开关，拨动开关，就可以让BOOT引脚选择接3.3V还是GND了。
  • 下载端口：如果用STLINK下载程序的话，需要把SWDIO和SWCLK这两个引脚引出来方便接线。另外再把3.3V和GND引出来，这个GND是必须引出来的，3.3V如果板子自己有供电的话，可以不引

1.8 STM32开发方式

STM32的开发有基于寄存器、基于标准库也就是库函数的方式和基于HAL库的方式。

  • 基于寄存器：是用程序直接配置寄存器，来达到我们想要的功能。
  • 基于库函数：是使用ST官方提供的封装好的函数。通过调用这些函数来间接地配置寄存器。
  • 基于HAL库：可以用图形化界面快速配置STM32，可以快速上手STM32，但隐藏了底层逻辑。

基于寄存器：

// 配置寄存器，点灯
// 1. RCC寄存器，来使能GPIOC的时钟，GPIO都是APB2的外设，
// 因此APB2外设时钟使能寄存器RCC_APB2ENR里面配置
// IOPCEN是使能GPIOC的时钟
// 2. 配置PC13口的模式
// 配置高寄存器GPIOx_CRH,x对应A~E中任意一个字母，
// CNF13和MODE13用来配置13号口
// CNF13配置为00和MODE13配置为11
// 3. 端口输出数据寄存器GPIOx_ODR,低电平亮，高电平灭。
RCC->APB2ENR = 0x00000010;
GPIOC->CRH = 0x00300000;
GPIOC->ODR = 0x00002000;

基于库函数：

// 使用库函数来点灯
// 1. 使能时钟,第一个参数选择外设，第二个选择新的状态
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);
// 2. 配置端口模式,GPIO_Init
// 第一个参数是选择哪个GPIO，第二个是参数的结构体
// 是PC13口的LED，所以第一个参数写GPIOC
// 先定义一个结构体GPIO_InitStructure,有三个参数，
// 分别是GPIO模式、GPIO端口、GPIO速度
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; 
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);
// 点灯，GPIO_SetBits将端口设置为高电平
GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13);
// 点灯，GPIO_ResetBits将端口设置为低电平
// GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13);

1.9 STM32F103C8T6工程模板创建

STM32F10x固件库文件分析
启动文件startup_stm32f10x_md.s汇编编写的启动文件
外设相关stm32f10x.h 外设寄存器定义；针对片上的外设
stm32f10x_xxx.c 外设固件库源文件
stm32f10x_xxx.h 外设固件库头文件
内核相关core_cm3.h 内核寄存器定义；针对内核的外设
core_cm3.c 控制内核外设的相关函数
system_stm32f10x.c和system_stm32f10x.h 用于系统初始化和配置系统时钟
misc.c和misc.h 与NVIC和SysTick相关的函数
用户相关main.cmain函数
stm32f10x_conf.h 软件库配置头文件
stm32f10x_it.c和stm32f10x_it.h 中断服务函数
启动文件区别
startup_stm32f10x_ld.sld: low_density 小容量，Flash容量在16-32K之间
startup_stm32f10x_md.smd: medium_density 中容量，Flash容量在64-128K之间
startup_stm32f10x_hd.shd: high_density 大容量，Flash容量在256-512K之间
startup_stm32f10x_xl.sxl: 超大容量，Flash容量在512-1024K之间

库函数工程模板中建立3个文件夹：

1. Start文件夹

image.png

2. Library文件夹

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3. User文件夹

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1.10 stm32启动流程

1.10.1 启动配置

  • 微控制器（单片机）上电后，是如何寻找到并执行main函数的呢？-----启动文件（Bootloader）
    很显然微控制器无法从硬件上定位main函数的入口地址，因为使用C语言作为开发语言后，变量/函数的地址便由编译器在编译时自行分配，这样一来main函数的入口地址在微控制器的内部存储空间中不再是绝对不变的。
    每一种微控制器（处理器）都必须有启动文件，启动文件的作用便是负责执行微控制器从“复位”到“开始执行main函数”中间这段时间（称为启动过程）所必须进行的工作。

  • 启动模式：
    image.png
    根据选定的启动模式，主闪存存储器、系统存储器或SRAM可以按照以下方式访问：

    • 从主闪存存储器（Flash）启动（启动方式）：主闪存存储器被映射到启动空间(0x0000 0000)，但仍然能够在它原有的地址(0x0800 0000)访问它，即闪存存储器的内容可以在两个地址区域访问，0x0000 0000或0x0800 0000。
    • 从系统存储器启动：系统存储器被映射到启动空间(0x0000 0000)，但仍然能够在它原有的地址(互联型产品原有地址为0x1FFF B000，其它产品原有地址为0x1FFF F000)访问它。
    • 从内置SRAM启动：只能在0x2000 0000开始的地址区访问SRAM。

注意： 当从内置SRAM启动，在应用程序的初始化代码中，必须使用NVIC的异常表和偏移寄存器，重新映射向量表至SRAM中。

1.10.2 启动流程

Cortex-M3内核规定，向量表的起始地址必须存放栈顶指针MSP的地址，而第二个地址则必须存放复位中断入口向量地址，这样在Cortex-M3内核复位后，会自动从起始地址的下一个32位空间取出复位中断入口向量，跳转执行复位中断服务程序。对比ARM7/ARM9内核，Cortex-M3内核则是固定了中断向量表的位置而起始地址是可变化的。

  1. 上电复位，硬件设置SP、PC的值
    image.png
  • SP：在内存划出一块区域为栈，这块空间的高地址放在了__initial_sp，存放的是栈顶指针MSP的地址。

image.png

  • PC：PC == Reset_Handler，跳转到Reset_Handler执行，
  1. 跳转到Reset_Handler开始执行

image.png

  • 调用SystemInit函数，设置系统时钟
  • 调用__main函数，完成某些初始化，调用main函数。

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