STM32介绍 - 技术栈

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；

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

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	CAN	CAN通信
SysTick	系统滴答定时器	USB	USB通信
RCC	复位和时钟控制	RTC	实时时钟
GPIO	通用IO口	CRC	CRC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	SDIO	SD卡接口
I2C	I2C通信	FSMC	可变静态存储控制器
SPI	SPI通信	USB OTG	USB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

1.6 STM32F013C8T6引脚定义

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。

1.7 STM32最小系统板

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：

c 复制代码

// 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：

c 复制代码

// 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 |
| 外设相关 | stm32f10x_xxx.c | 外设固件库源文件 |
| 外设相关 | 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 |
| 内核相关 | core_cm3.c | 控制内核外设的相关函数 |
| 内核相关 | system_stm32f10x.c和system_stm32f10x.h | 用于系统初始化和配置系统时钟 |
| 内核相关 | misc.c和misc.h | 与NVIC和SysTick相关的函数 |
| 用户相关 | main.c | main函数 |
| 用户相关 | stm32f10x_conf.h | 软件库配置头文件 |
| 用户相关 | stm32f10x_it.c和stm32f10x_it.h | 中断服务函数 |

启动文件	区别
startup_stm32f10x_ld.s	ld: low_density 小容量，Flash容量在16-32K之间
startup_stm32f10x_md.s	md: medium_density 中容量，Flash容量在64-128K之间
startup_stm32f10x_hd.s	hd: high_density 大容量，Flash容量在256-512K之间
startup_stm32f10x_xl.s	xl: 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

2. Library文件夹

3. User文件夹

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：

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。

上电复位，硬件设置SP、PC的值

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。

PC：PC == Reset_Handler，跳转到Reset_Handler执行，

跳转到Reset_Handler开始执行

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。