STM32基础

STM32基础入门

GPIO

1. 功能概述

• GPIO是STM32中最基本的外设，用于控制引脚的电平（输出）或读取引脚状态（输入）。
  
• 每个GPIO引脚可独立配置为9种模式之一
  输入一般都是用来检测外部信号的，推挽模式和开漏模式也属于输出模式的其中一种，这两个又叫复用推挽和复用开漏，就是STM32芯片引脚上不仅写了PB10，还写了别的东西。
  模式功能浮空输入不接上拉电阻，也不接下拉电阻，完全处于浮空状态，无信号输入时引脚状态不确定。用来检测微弱信号的变化。上拉输入内接上拉电阻，无外接信号时引脚为默认高电平。用来检测外部信号变为低电平（下降沿触发中断）。下拉输入内接下拉电阻，无外接信号时引脚为默认低电平。用来检测外部信号变为高电平（上升沿触发中断）。模拟输入用于接收模拟信号，要与ADC配合使用。用来测量模拟信号的变化。推挽输出可以输出高电平和低电平。不能使用总线。模拟输出输出模拟信号，与ADC配合使用。开漏输出只能输出低电平和高阻态，输出高电平时要外接上拉电阻。推挽模式具有推挽输出的特性，可用于将GPIO引脚用作特定外设的功能。如USART。开漏模式具有开漏输出的特性，可用于将GPIO引脚用作特定外设的功能。如I2C总线通信。
  

2. GPIO寄存器

• 2个配置寄存器（GPIOx_CRL、GPIOx_CRH）：每一组GPIO都有16个引脚，0-7号引脚在CRL中，8-15号引脚在CRH中。
  
• 2个数据寄存器（GPIOx_IDR、GPIOx_ODR）
  
• 置位/复位寄存器（GPIOx_BSRR）、复位寄存器（GPIOx_BRR）、锁定寄存器（GPIOx_LCKR）
  

3. 寄存器开发流程

• 开启GPIO时钟（RCC_APB2ENR）
  
• 配置GPIO模式（CRL/CRH）
  
• 业务逻辑，比如点亮一个灯：输出数据（ODR）
  

1. // created by lwpigking
2. #include "stm32f10x.h"
3. int main(void) {
4.         // 1.时钟配置
5.         RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
6.         // 2.GPIO工作模式的配置
7.         GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF0; // CNF: 00(推挽输出模式)
8.         GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_MODE0; // MODE: 11(输出模式，最大速度50MHZ)
9.         // 3.输出低电平
10.         GPIOA->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR0; // PA0引脚输出低电平
11.         while(1) {}
12. }

复制代码

详解：->是用于访问指向结构体的指针所指向的成员。stm32的源码中对于各个寄存器都有宏定义，比如GPIO_ODR_ODR0，通过|=可以将某一位置1（1|x=1, 0|x得看x），通过&=可以将某一位置0（1=0，0&x=0，1&x得看x）。
4. 实际应用

• 输出模式：驱动LED、继电器、蜂鸣器、电机驱动等。
  
• 输入模式：读取按键、开关状态、外部传感器信号。
  
• 复用模式：用于USART、I2C、SPI等外设的引脚功能。
  

中断系统

1. 功能概述

• NVIC：嵌套向量中断控制器，管理所有中断的优先级和使能。
  
• EXTI：支持外部/事件控制器，用于响应GPIO引脚上的边沿信号（上升沿、下降沿）。
  
• 支持中断嵌套，优先级分为抢占优先级和响应优先级。
  

2. EXTI寄存器

3.寄存器开发流程

• 开启GPIO和AFIO时钟
  
• 配置GPIO为输入模式
  
• 配置AFIO_EXTICR，选择中断引脚
  
• 配置EXTI触发方式（上升沿/下降沿）
  
• 使能EXTI中断线
  
• 配置NVIC优先级并使能中断
  
• 编写中断服务函数（ISR），并清除中断标志
  

1. #include "key.h"
3. void Key_Init() {
4.     // 1. 配置时钟
5.     RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPFEN;
6.     RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_AFIOEN;
8.     // 2. GPIO工作模式配置 PF10:CNF - 10  MODE - 00
9.     GPIOF->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE10;
10.     GPIOF->CRH |= GPIO_CRH_CNF10_1;
11.     GPIOF->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF10_0;
12.     GPIOF->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR10;
14.     // 3. AFIO配置引脚复用选择
15.     AFIO->EXTICR[2] |= AFIO_EXTICR3_EXTI10_PF;
17.     // 4. 配置EXTI
18.     EXTI->RTSR |= EXTI_RTSR_TR10; // 上升沿触发
19.     EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR10; // 开放中断请求
21.     // 5.配置NVIC
22.     NVIC_SetPriorityGrouping(3); // 全部都是抢占优先级
23.     NVIC_SetPriority(EXTI15_10_IRQn, 3);
24.     NVIC_EnableIRQ(EXTI15_10_IRQn);
26. }
28. // 中断服务程序
29. void EXTI15_10_IRQHandler(void) {
30.     // 先清除中断挂起标志位
31.     EXTI->PR |= EXTI_PR_PR10;
33.     // 延时防抖
34.     Delay_ms(10);
36.     // 判断如果依然保持高电平，就反转LED1的状态
37.     if ((GPIOF->IDR & GPIO_IDR_IDR10) != 0) {
38.         LED_Toggle(LED1);
39.     }
40.    
41. }

复制代码

4.实际应用

• 按键检测、紧急停止、外部传感器触发
  
• 实时响应外部时间，避免轮询浪费CPU资源
  

USART

1. 功能概述

• 用于异步串行通信，常用波特率：9600、115200
  
• 支持全双工、半双工、单工模式
  
• 可配置数据位、停止位、校验位
  

2. USART寄存器

1. 状态寄存器 (USART_SR) - USART1->SR

这是一个只读寄存器（某些位可由特定操作清除），用于反映 USART 的当前状态。在发送或接收数据前，必须查询这个寄存器的相应位。
名称功能描述TXE发送数据寄存器空 (Transmit data register empty) - 0: 数据尚未从 TDR 转移到移位寄存器，未准备好发送新数据 - 1: TDR 寄存器为空，可以写入新的待发送数据 （发送时查询此位）TC发送完成 (Transmission Complete) - 0: 发送尚未完成 - 1: 发送已完成（包括停止位） （可通过软件序列或读 SR 写 DR 清除）RXNE接收数据寄存器非空 (Read data register not empty) - 0: 未收到数据或数据未读走 - 1: 接收到的数据已存在于 RDR 中，可以读取 （接收时查询此位，通过读 USART1->DR 清除）IDLE空闲总线检测 (IDLE line detected) - 0: 未检测到空闲总线 - 1: 检测到空闲总线（收到一帧完整数据后，总线持续高电平） （通过读 SR 再读 DR 清除）PE奇偶校验错误 (Parity error) - 0: 无奇偶校验错误 - 1: 检测到奇偶校验错误最常用的位是 TXE (发送) 和 RXNE (接收)。
2. 数据寄存器 (USART_DR) - USART1->DR

这是一个可读可写的寄存器，但它对应两个不同的物理寄存器：

• 当您向该寄存器写数据时，实际上是写入发送数据寄存器 (TDR)。
  
• 当您从该寄存器读数据时，实际上是从接收数据寄存器 (RDR) 读取。
  

功能包含要发送或刚接收到的数据。数据的有效位数取决于 USART_CR1 中的 M 位（8位或9位）。操作：

• 发送：USART1->DR = Data;
  
• 接收：Data = USART1->DR;
  

3. 波特率寄存器 (USART_BRR) - USART1->BRR

用于设置 USART 的通信波特率。
计算公式：
波特率 = fCK / (16 * USARTDIV)
其中 USARTDIV 是一个无符号定点数，存储在 USART_BRR 寄存器中。
名称功能DIV_Mantissa[11:0]USARTDIV 的整数部分DIV_Fraction[3:0]USARTDIV 的小数部分如何计算并设置？
例如，系统时钟 fCK = 72MHz，目标波特率 BaudRate = 115200。
<ol>计算 USARTDIV： USARTDIV = 72MHz / (16 * 115200) = 39.0625
分离整数和小数部分：

• DIV_Mantissa = integer(39.0625) = 39 = 0x27
  
• DIV_Fraction = fractional(0.0625) * 16 = 1 = 0x1
  

组合： USART1->BRR = (39 CR1

这是最重要的控制寄存器，用于使能 USART 和其主要功能。
名称功能描述UEUSART 使能 (USART enable) - 0: 禁用 USART - 1: 使能 USART （必须置1）M字长 (Word length) - 0: 1 起始位，8 数据位，n 停止位 - 1: 1 起始位，9 数据位，n 停止位PCE奇偶校验控制使能 (Parity control enable) - 0: 禁止奇偶校验 - 1: 使能奇偶校验PS奇偶校验选择 (Parity selection) - 0: 偶校验 - 1: 奇校验 （需 PCE=1）PEIEPE 中断使能 (PE interrupt enable)TXEIETXE 中断使能 (TXE interrupt enable)TCIETC 中断使能 (TC interrupt enable)RXNEIERXNE 中断使能 (RXNEIE interrupt enable)TE发送器使能 (Transmitter enable) - 1: 使能发送功能 （发送必须置1）RE接收器使能 (Receiver enable) - 1: 使能接收功能 （接收必须置1）最基本配置： UE | TE | RE （使能USART、发送器、接收器）
3. 寄存器开发流程

• 开启USART和GPIO时钟
  
• 配置GPIO位复用推挽输出（TX）和浮空输入（RX）
  
• 配置波特率（BRR）
  
• 配置数据帧格式（数据位、停止位、校验位）
  
• 使能USART和发送/接收器
  
• 发送/接收数据（轮询方式或中断方式）
  

1. #include "usart.h"
3. void USART_Init(void) {
4.     // 1. 配置时钟
5.     RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
6.     RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;
8.     // 2. GPIO工作模式
9.     // PA9(复用推挽输出)CNF:10 MODE:11
10.     GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE9;
11.     GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF9_1;
12.     GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF9_0;
13.     // PA10(浮空输入) MODE:00 CNF:01
14.     GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE10;
15.     GPIOA->CRH &= ~ GPIO_CRH_CNF10_1;
16.     GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF10_0;
18.     // 3. 串口配置
19.     USART1->BRR = 0x271; // 波特率 115200
20.     USART1->CR1 |= USART_CR1_TE; // 接收使能
21.     USART1->CR1 |= USART_CR1_RE; // 发送使能
22.     USART1->CR1 |= USART_CR1_UE; // USART使能
23.     // 其他配置默认即可
25. }
27. void USART_SendChar(uint8_t ch) {
28.     // 判断SR里TXE是否为空
29.     while((USART1->SR & USART_SR_TXE) == 0) {}
30.     // 向DR写入新的数据
31.     USART1->DR = ch;
32. }
34. uint8_t USART_ReceiveChar(void) {
35.     while((USART1->SR & USART_SR_RXNE) == 0) {
36.         // 判断空闲帧
37.         if (USART1->SR & USART_SR_IDLE) {
38.             return 0;
39.         }
40.     }
41.     // 读取已经接收到的数据，等待接收下一个数据
42.     return USART1->DR;
43. }
45. void USART_SendString(uint8_t *str, uint8_t size) {
46.     for (uint8_t i = 0; i < size; i++) {
47.         USART_SendChar(str[i]);
48.     }
49. }
51. void USART_ReceiveString(uint8_t buffer[], uint8_t *size) {
52.     // 定义一个变量，用来保存已经接收到的字符个数
53.     uint8_t i = 0;
54.     while((USART1->SR & USART_SR_IDLE) == 0) {
55.         buffer[i] = USART_ReceiveChar();
56.         i++;
57.     }
58.     // 清除IDLE
59.     // USART1->SR;
60.     USART1->DR;
61.     *size = i-1;
62. }
64. uint8_t buffer[100] = {0};
65. uint8_t size = 0;
67. int main(void) {
68.     USART_Init();
69.     while(1) {
70.         USART_ReceiveString(buffer, &size);
71.         USART_SendString(buffer, size);
72.     }
73. }

复制代码

1. #include "usart.h"
3. void USART_Init(void) {
4.     // 1. 配置时钟
5.     RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
6.     RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;
8.     // 2. GPIO工作模式
9.     // PA9(复用推挽输出)CNF:10 MODE:11
10.     GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE9;
11.     GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF9_1;
12.     GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF9_0;
13.     // PA10(浮空输入) MODE:00 CNF:01
14.     GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE10;
15.     GPIOA->CRH &= ~ GPIO_CRH_CNF10_1;
16.     GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF10_0;
18.     // 3. 串口配置
19.     USART1->BRR = 0x271; // 波特率 115200
20.     USART1->CR1 |= USART_CR1_TE; // 接收使能
21.     USART1->CR1 |= USART_CR1_RE; // 发送使能
22.     USART1->CR1 |= USART_CR1_UE; // USART使能
24.     // 4. 开启中断使能
25.     USART1->CR1 |= USART_CR1_IDLEIE;
26.     USART1->CR1 |= USART_CR1_RXNEIE;
28.     // NVIC
29.     NVIC_SetPriorityGrouping(3);
30.     NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 3);
31.     NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
32. }
34. void USART_SendChar(uint8_t ch) {
35.     // 判断SR里TXE是否为空
36.     while((USART1->SR & USART_SR_TXE) == 0) {}
37.     // 向DR写入新的数据
38.     USART1->DR = ch;
39. }
41. void USART_SendString(uint8_t *str, uint8_t size) {
42.     for (uint8_t i = 0; i < size; i++) {
43.         USART_SendChar(str[i]);
44.     }
45. }
47. void USART1_IRQHandler(void) {
48.     // 判断中断类型
49.     if (USART1->SR & USART_SR_RXNE) { // 接收完成一个字符
50.         buffer[size] = USART1->DR;
51.         size++;
52.     } else if (USART1->SR & USART_SR_IDLE) { // 字符串整体接收完成
53.         // 清除IDLE标志位
54.         USART1->DR;
55.         // 直接发送字符串到电脑
56.         // USART_SendString(buffer, size);
58.         // 清除size
59.         // size = 0;
60.         isOver = 1;
61.     }
62. }
64. uint8_t buffer[100] = {0};
65. uint8_t size = 0;
66. uint8_t isOver = 0;
68. int main(void) {
69.         USART_Init();
70.         while(1) {
71.                 if (isOver)
72.                 {
73.                         USART_SendString(buffer, size);
74.                         isOver = 0;
75.                         size = 0;
76.                 }       
77.         }
78. }

复制代码

4. 实际应用

• 打印调试信息 (printf)：最常用的功能，重定向 printf 到 USART，方便监控程序状态和变量值。
  
• 与上位机通信：与 PC 软件（如串口助手、自定义的上位机）进行数据交换，发送传感器数据，接收控制命令。
  
• 模块控制：与 GPS、蓝牙 (HC-05/06)、Wi-Fi (ESP8266/ESP32)、GSM 等模块进行 AT 指令通信。
  
• 嵌入式系统间通信：两个 MCU 之间进行简单的数据交换。
  
• 工业控制：支持 Modbus RTU 等工业串行协议，与 PLC、变频器等设备通信。
  

I2C

1. I2C协议回顾

I2C (Inter-Integrated Circuit) 是一种同步、半双工、串行的通信总线，I2C需要两根线，分别是SDA(Serial Data)数据线和SCL(Serial Clock)时钟线。SCL（只有主设备控制）用于控制时钟信号，设备在其每个上升沿读取SDA信号线上的电平。
关键特性：

• 多主多从：总线上可以连接多个主设备和从设备。
  
• 地址寻址：每个从设备都有一个唯一的 7 位或 10 位地址。
  
• 低速通信：标准模式 (100 kbps)，快速模式 (400 kbps)，高速模式 (3.4 Mbps)。
  
• 上拉电阻：设备空闲时，输出高阻态，当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。
  

基本信号：

• 起始条件 (S)：SCL 为高电平时，SDA 从高到低的跳变。（先拉高SCL，准备好SDA从1到0即为START）
  
• 停止条件 (P)：SCL 为高电平时，SDA 从低到高的跳变。（先拉高SCL，准备好SDA从0到1即为STOP）
  
• 从机地址与读写位：第一个字节的前7位组成了从机地址。第8位代表主机读（高电平）或主机写（低电平），它决定了后续数据的发送方和接收方。
  
• 数据有效性：在 SCL 高电平期间，SDA 必须保持稳定。数据只能在 SCL 低电平时改变。
  
• 应答 (ACK)：发送方（可以是主或从）发送完 8 位数据后，接收方需要将 SDA 拉低，表示应答。（先拉低SDA，拉低的时候SCL要保持低电平，再拉高SCL）
  
• 非应答 (NACK)：SDA 保持高电平，表示非应答。（先拉高SDA，再拉高SCL）
  

2. 软件模拟I2C

1. #define ACK 0
2. #define NACK 1
4. // STM32控制SCL和SDA的输出高低电平
5. #define SCL_HIGH (GPIOB->ODR |= GPIO_ODR_ODR10)
6. #define SCL_LOW (GPIOB->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR10)
7. #define SDA_HIGH (GPIOB->ODR |= GPIO_ODR_ODR11)
8. #define SDA_LOW (GPIOB->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR11)
10. // STM32从EEPROM中读取，STM32作为从设备
11. #define READ_SDA (GPIOB->IDR & GPIO_IDR_IDR11)
13. // 基本延迟
14. #define I2C_DELAY Delay_us(10)
16. void I2C_Init(void) {
17.     // 1.配置时钟
18.     RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN;
19.     // 2.工作模式：通用开漏输出
20.     GPIOB->CRH |= (GPIO_CRH_MODE10 | GPIO_CRH_MODE11);
21.     GPIOB->CRH &= ~(GPIO_CRH_CNF10_1 | GPIO_CRH_CNF11_1);
22.     GPIOB->CRH |= (GPIO_CRH_CNF10_0 | GPIO_CRH_CNF11_0);
23. }
25. void I2C_Start(void) {
26.     // SCL先拉高保持不变，SDA从高电平到低电平
27.     SCL_HIGH;
28.     SDA_HIGH;
29.     I2C_DELAY; // SDA拉高保持一段时间
30.     SDA_LOW;
31.     I2C_DELAY; // SDA拉低保持一段时间
32. }
34. void I2C_Stop(void) {
35.     // SCL先拉高保持不变，SDA从低电平到高电平
36.     SCL_HIGH;
37.     SDA_LOW;
38.     I2C_DELAY; // SDA拉低保持一段时间
39.     SDA_HIGH;
40.     I2C_DELAY; // SDA拉高保持一段时间
41. }
43. void I2C_Ack(void) {
44.     // SCL先拉低，SDA拉高，做好准备
45.     SCL_LOW;
46.     SDA_HIGH;
47.     I2C_DELAY;
48.     // SDA拉低，保持不变，SCL拉高开始采样SDA
49.     SDA_LOW;
50.     I2C_DELAY;
51.     SCL_HIGH;
52.     I2C_DELAY;
53.     // 采样结束，SDA不变，SCL拉低
54.     SCL_LOW;
55.     I2C_DELAY;
56.     // SDA拉高，释放数据总线
57.     SDA_HIGH;
58.     I2C_DELAY;
59. }
61. void I2C_Nack(void) {
62.     SCL_LOW;
63.     SDA_HIGH;
64.     I2C_DELAY;
66.     SCL_HIGH;
67.     I2C_DELAY;
68.    
69.     SCL_LOW;
70.     I2C_DELAY;
71. }
73. uint8_t I2C_Wait4Ack(void) {
74.     // SCL拉低，SDA拉高，释放数据总线
75.     SCL_LOW;
76.     SDA_HIGH;
77.     I2C_DELAY;
78.     // 拉高SCL，开始数据采样
79.     SCL_HIGH;
80.     I2C_DELAY;
81.     // 读取SDA数据线上的电平
82.     uint16_t ack = READ_SDA;
83.     // 拉低SCL结束采样
84.     SCL_LOW;
85.     I2C_DELAY;
86.     return ack ? NACK : ACK;
87. }
89. void I2C_SendByte(uint8_t byte) {
90.     for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
91.     {
92.         // SCL为低时不进行采样，此时SDA可以根据byte的数据进行一位位的传输（SDA根据byte进行翻转）
93.         // SCL、SDA拉低，等待数据翻转
94.         SCL_LOW;
95.         SDA_LOW;      
96.         I2C_DELAY;
97.         // 字节最高位，向SDA写入数据
98.         // 该位为1就拉高SDA，为0就拉低SDA
99.         if (byte & 0x80) {
100.             SDA_HIGH;
101.         } else {
102.             SDA_LOW;
103.         }
104.         I2C_DELAY;
106.         // 翻转完毕，准备拉高SCL进行采样
107.         SCL_HIGH;
108.         I2C_DELAY;
109.         // SCL拉低，采样结束
110.         SCL_LOW;
111.         I2C_DELAY;
113.         byte <<= 1; // 继续采样byte的下一位
114.     }
115. }
117. // 主机从从设备接受一个字节的数据，数据总线不归主设备管
118. uint8_t I2C_ReadByte(void) {
119.     uint8_t data = 0;
120.     for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
121.     {
122.         // 拉低SCL，等待数据翻转
123.         SCL_LOW;
124.         I2C_DELAY;
126.         // 拉高SCL，采样
127.         SCL_HIGH;
128.         I2C_DELAY;
130.         data <<= 1; // 先左移，新存入的位永远在最低位
131.         // 开始读数据
132.         if (READ_SDA) {
133.             data |= 0x01; // 先存入最低位，然后每次都左移1位
134.         }
135.         
136.         // 拉低SCL，结束采样
137.         SCL_LOW;
138.         I2C_DELAY;
139.     }
141.     return data;
142.    
143. }

复制代码

5. 实际应用

• 传感器读取：与加速度计、陀螺仪、磁力计、温湿度传感器 、气压传感器等通信。
  
• EEPROM 存储：扩展非易失性存储空间，存储设备参数、校准数据等。
  
• RTC 时钟：与实时时钟芯片 通信，获取和设置时间。
  
• IO 扩展：使用 IO 扩展芯片来增加 GPIO 数量。
  
• 音频编解码器：配置音频芯片的参数。
  
• 触摸屏控制器：与电阻式或电容式触摸屏控制器通信。
  

来源：豆瓜网用户自行投稿发布，如果侵权，请联系站长删除