25/1/18 嵌入式笔记 STM32F103

Unix时间戳

BKP和RTC

RTC基本结构

是一种用于跟踪时间的硬件模块，通常集成在微控制器或独立的芯片中。RTC 可以提供年、月、日、时、分、秒等时间信息，并且在系统断电时通过备用电池保持运行。

RTC 的基本功能

• 时间跟踪：提供年、月、日、时、分、秒等信息。

• 日期计算：自动处理闰年、月份天数等。

• 闹钟功能：在特定时间触发中断。

• 低功耗：在系统断电时通过备用电池供电。

RTC 的硬件连接

RTC 通常需要以下硬件支持：

• 主电源：为 RTC 提供运行电源。

• 备用电池：在系统断电时为 RTC 供电（如纽扣电池）。

• 晶振：提供精确的时钟信号（通常为 32.768 kHz）。

RTC 的寄存器

RTC 通常通过一组寄存器来配置和读取时间信息。常见的寄存器包括：

• 时间寄存器：存储时、分、秒。

• 日期寄存器：存储年、月、日。

• 控制寄存器：配置 RTC 的工作模式。

• 闹钟寄存器：设置闹钟时间。

RTC 的实现步骤

初始化 RTC

RTC_HandleTypeDef hrtc;

void RTC_Init(void) {
    hrtc.Instance = RTC;
    hrtc.Init.HourFormat = RTC_HOURFORMAT_24;  // 24 小时制
    hrtc.Init.AsynchPrediv = 127;              // 异步预分频
    hrtc.Init.SynchPrediv = 255;               // 同步预分频
    hrtc.Init.OutPut = RTC_OUTPUT_DISABLE;     // 禁用输出
    hrtc.Init.OutPutPolarity = RTC_OUTPUT_POLARITY_HIGH;
    hrtc.Init.OutPutType = RTC_OUTPUT_TYPE_OPENDRAIN;
    HAL_RTC_Init(&hrtc);
}

解析：

• hrtc.Instance：选择 RTC 外设实例。

• hrtc.Init.HourFormat：设置时间格式（12 小时制或 24 小时制）。

• hrtc.Init.AsynchPrediv 和 hrtc.Init.SynchPrediv：设置预分频值，用于生成 1 Hz 的时钟信号。

• HAL_RTC_Init(&hrtc)：初始化 RTC 外设。

设置时间和日期

void RTC_SetTime(uint8_t hour, uint8_t minute, uint8_t second) {
    RTC_TimeTypeDef sTime = {0};
    sTime.Hours = hour;
    sTime.Minutes = minute;
    sTime.Seconds = second;
    HAL_RTC_SetTime(&hrtc, &sTime, RTC_FORMAT_BIN);
}

void RTC_SetDate(uint8_t year, uint8_t month, uint8_t day) {
    RTC_DateTypeDef sDate = {0};
    sDate.Year = year;
    sDate.Month = month;
    sDate.Date = day;
    HAL_RTC_SetDate(&hrtc, &sDate, RTC_FORMAT_BIN);
}

• RTC 需要初始时间和日期才能开始计时。

• 通过设置函数初始化 RTC 的时间和日期。

解析：

• RTC_TimeTypeDef 和 RTC_DateTypeDef：时间和日期的结构体。

• HAL_RTC_SetTime() 和 HAL_RTC_SetDate()：HAL 库函数，用于设置时间和日期。

读取时间和日期

void RTC_GetTime(uint8_t *hour, uint8_t *minute, uint8_t *second) {
    RTC_TimeTypeDef sTime = {0};
    HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &sTime, RTC_FORMAT_BIN);
    *hour = sTime.Hours;
    *minute = sTime.Minutes;
    *second = sTime.Seconds;
}

void RTC_GetDate(uint8_t *year, uint8_t *month, uint8_t *day) {
    RTC_DateTypeDef sDate = {0};
    HAL_RTC_GetDate(&hrtc, &sDate, RTC_FORMAT_BIN);
    *year = sDate.Year;
    *month = sDate.Month;
    *day = sDate.Date;
}

作用：

• 读取 RTC 的当前时间和日期。

为什么需要：

• 通过读取函数获取 RTC 的当前时间和日期。

解析：

• HAL_RTC_GetTime() 和 HAL_RTC_GetDate()：HAL 库函数，用于读取时间和日期。

主函数中使用

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    RTC_Init();  // 初始化 RTC

    // 设置初始时间和日期
    RTC_SetTime(12, 0, 0);  // 12:00:00
    RTC_SetDate(23, 10, 15); // 2023 年 10 月 15 日

    uint8_t hour, minute, second, year, month, day;

    while (1) {
        // 读取当前时间和日期
        RTC_GetTime(&hour, &minute, &second);
        RTC_GetDate(&year, &month, &day);

        // 打印时间和日期（通过串口或调试工具）
        printf("Time: %02d:%02d:%02d\n", hour, minute, second);
        printf("Date: 20%02d-%02d-%02d\n", year, month, day);

        HAL_Delay(1000);  // 延时 1 秒
    }
}

解析：

• HAL_Init()：初始化 HAL 库。

• SystemClock_Config()：配置系统时钟。

• RTC_Init()：初始化 RTC 外设。

• RTC_SetTime() 和 RTC_SetDate()：设置初始时间和日期。

• RTC_GetTime() 和 RTC_GetDate()：读取当前时间和日期。

• printf()：打印时间和日期（需要重定向串口）。

• HAL_Delay(1000)：延时 1 秒。

PWR电源控制

修改主频的配置

修改主频是通过配置系统时钟源和分频器来实现的。STM32 的时钟源包括：

• HSI：内部高速时钟（通常为 8 MHz）。

• HSE：外部高速时钟（通常为 8-25 MHz）。

• PLL：锁相环，用于倍频时钟。

代码实现

void SystemClock_Config(void) {
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

    // 配置HSE和PLL
    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 8;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 336;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7;
    HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct);

    // 配置时钟树
    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                                  | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
    HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5);
}

1. HSE（外部高速时钟）：

   • HSE通常是一个外部晶振（如8MHz），提供更精确和稳定的时钟源。

   • RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON：启用HSE。

2. PLL（锁相环）：

   • PLL用于将输入时钟倍频到更高的频率。

   • PLLM = 8：将HSE时钟分频为1MHz（8MHz / 8 = 1MHz）。

   • PLLN = 336：将1MHz倍频到336MHz。

   • PLLP = RCC_PLLP_DIV2：将PLL输出分频为168MHz（336MHz / 2 = 168MHz），作为系统时钟（SYSCLK）。

   • PLLQ = 7：用于生成USB、SDIO等外设的时钟。

3. 时钟树配置：

   • SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK：选择PLL输出作为系统时钟。

   • AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1：AHB总线时钟与系统时钟相同（168MHz）。

   • APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4：APB1总线时钟为42MHz（168MHz / 4）。

   • APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2：APB2总线时钟为84MHz（168MHz / 2）。

4. FLASH_LATENCY：

   • 根据主频设置FLASH延迟，确保CPU能够正确读取FLASH中的数据。168MHz需要FLASH_LATENCY_5。

睡眠模式的配置

睡眠模式下，CPU停止运行，但外设和时钟仍然运行。可以通过WFI（等待中断）或WFE（等待事件）指令进入睡眠模式。

代码解析：

void Enter_Sleep_Mode(void) {
    HAL_SuspendTick();  // 挂起SysTick
    HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);
    HAL_ResumeTick();   // 恢复SysTick
}

配置原因：

1. 挂起SysTick：

   • HAL_SuspendTick()：在进入睡眠模式前，挂起SysTick定时器，避免其产生中断唤醒CPU。

2. 进入睡眠模式：

   • HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI)：

     • PWR_MAINREGULATOR_ON：保持主稳压器开启，以快速恢复运行。

     • PWR_SLEEPENTRY_WFI：使用WFI指令进入睡眠模式。

3. 恢复SysTick：

   • HAL_ResumeTick()：退出睡眠模式后，恢复SysTick定时器。

停止模式的配置

停止模式下，所有时钟都停止，但SRAM和寄存器内容保持不变。可以通过WFI或WFE指令进入停止模式。

代码解析：

void Enter_Stop_Mode(void) {
    HAL_SuspendTick();  // 挂起SysTick
    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
    HAL_ResumeTick();   // 恢复SysTick
    SystemClock_Config();  // 重新配置时钟
}

配置原因：

1. 挂起SysTick：

   • HAL_SuspendTick()：挂起SysTick定时器。

2. 进入停止模式：

   • HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI)：

     • PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON：启用低功耗稳压器，进一步降低功耗。

     • PWR_STOPENTRY_WFI：使用WFI指令进入停止模式。

3. 恢复时钟：

   • 退出停止模式后，时钟会被关闭，因此需要重新配置时钟树（SystemClock_Config()）。

待机模式的配置

待机模式下，除了备份域和待机电路，所有时钟和电源都被关闭。可以通过WFI或WFE指令进入待机模式。

代码解析：

void Enter_Standby_Mode(void) {
    HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();
}

配置原因：

1. 进入待机模式：

   • HAL_PWR_EnterSTANDBYMode()：关闭所有时钟和电源，仅保留备份域和待机电路。

   • 唤醒后，系统会从头开始执行（类似于复位）。

总结

• 修改主频：通过配置时钟树，选择合适的时钟源和PLL参数，达到所需的主频。

• 睡眠模式 ：挂起SysTick，使用WFI进入睡眠模式，适用于需要快速唤醒的场景。

• 停止模式 ：挂起SysTick，使用WFI进入停止模式，适用于需要更低功耗的场景。

• 待机模式：直接进入待机模式，适用于需要最低功耗的场景。

WDG看门狗

看门狗（Watchdog，简称WDG）是嵌入式系统中用于检测和恢复系统故障的重要机制。它的核心原理是通过定时器监控系统的运行状态，如果系统在一定时间内未能正常"喂狗"（即重置看门狗定时器），看门狗会强制复位系统，从而防止系统因软件错误或硬件故障而进入死循环或卡死状态。

看门狗的基本原理

看门狗的核心是一个递减计数器（或递增计数器），当计数器达到特定值时，看门狗会触发系统复位。为了防止复位，系统需要定期"喂狗"，即在计数器达到特定值之前重置计数器。

工作流程：

1. 初始化看门狗：

   • 配置看门狗的计数器初始值和超时时间。

2. 启动看门狗：

   • 启动看门狗定时器，计数器开始递减（或递增）。

3. 喂狗：

   • 在程序正常运行期间，定期重置看门狗计数器。

4. 超时复位：

   • 如果程序未能及时喂狗，计数器达到超时值，看门狗触发系统复位。

1. 独立看门狗（IWDG，Independent Watchdog）：

   • 由独立的硬件模块实现，通常使用内部低速时钟（LSI）作为时钟源。

   • 独立于主系统时钟，即使主系统时钟失效，独立看门狗仍能正常工作。

   • 适用于检测系统死机或严重故障。

2. 窗口看门狗（WWDG，Window Watchdog）：

   • 由主系统时钟驱动，通常用于检测软件逻辑错误。

   • 喂狗时间必须在规定的"窗口"内，过早或过晚喂狗都会触发复位。

   • 适用于检测程序跑飞或逻辑错误。

独立看门狗（IWDG）配置示例（STM32 HAL库）

#include "stm32f4xx_hal.h"

void IWDG_Init(void) {
    // 初始化独立看门狗
    hiwdg.Instance = IWDG;
    hiwdg.Init.Prescaler = IWDG_PRESCALER_32;  // 预分频系数
    hiwdg.Init.Reload = 4095;                 // 计数器初值
    HAL_IWDG_Init(&hiwdg);
}

void IWDG_Feed(void) {
    // 喂狗
    HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg);
}

窗口看门狗（WWDG）配置示例（STM32 HAL库）：

#include "stm32f4xx_hal.h"

void WWDG_Init(void) {
    // 初始化窗口看门狗
    hwwdg.Instance = WWDG;
    hwwdg.Init.Prescaler = WWDG_PRESCALER_8;  // 预分频系数
    hwwdg.Init.Window = 0x5F;                // 上窗口值
    hwwdg.Init.Counter = 0x7F;               // 计数器初值
    hwwdg.Init.EWIMode = WWDG_EWI_DISABLE;   // 禁用早期唤醒中断
    HAL_WWDG_Init(&hwwdg);
}

void WWDG_Feed(void) {
    // 喂狗
    HAL_WWDG_Refresh(&hwwdg);
}

Flash 内存的特点

1. 非易失性：

   • 数据在断电后不会丢失。

2. 按扇区管理：

   • Flash 内存通常分为多个扇区，每个扇区可以独立擦除和编程。

3. 有限的擦写次数：

   • Flash 内存的擦写次数有限（通常为 10,000 到 100,000 次），因此需要谨慎使用。

4. 读写速度较慢：

   • 相比 RAM，Flash 的读写速度较慢，尤其是写操作需要较长时间。

5. 写前需擦除：

   • Flash 内存的写操作需要先擦除，擦除的最小单位通常是一个扇区。

STM32 的 Flash 内存结构

以 STM32F4 系列为例，Flash 内存的结构如下：

• 主存储区：用于存储程序代码和数据。

• 系统存储区：存储 Bootloader 代码（由 ST 提供，用于串口或 USB 下载程序）。

• 选项字节：用于配置读写保护、看门狗、复位模式等。