【嵌入式八股11】STM32

一、STM32 启动流程

启动区域选择：STM32 依据 boot 引脚的设置来确定启动区域，具体如下：

引脚状态启动方式描述

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| x 0 | 片内 Flash | 从代码区启动，支持 ICP 下载方式（如 SWD、JTAG 烧录），这是最常用的启动方式，代码存储在片内 Flash 中，稳定可靠。 |
| 0 1 | 系统存储器 | 通过内置 ROM 启动，采用 ISP 下载（出厂预置代码，常见的如使用 UART 烧录）。此方式一般用于出厂时的程序烧录或者在没有 SWD、JTAG 接口的情况下进行程序更新。 |
| 1 1 | SRAM | 从 RAM 启动，但数据在掉电后会丢失。这种启动方式常用于一些调试场景，方便快速测试代码，不过由于数据易失性，不适用于正式的产品运行。 |

运行 bootloader ：当确定启动区域后，处理器开始运行 bootloader，主要包括以下几个步骤：
- 初始化寄存器：处理器会将各个寄存器的值初始化为默认值，为后续的程序运行做好准备。
- 硬件设置 SP、PC，进入复位中断函数 Rest_Hander() ：
  - 从 0x0800 0000 读取数据赋值给栈指针 SP(MSP)，并设置为栈顶指针 0x2000 0000 + RAM_Size。这一步确定了栈的起始位置，为函数调用等操作提供了空间。
  - 从 0x0800 0004 读取数据赋值给 PC（指向 Reset_Handler 中断服务函数）。通过以下代码实现：
LDR R0, = SystemInit
BLX R0

**设置系统时钟，进入 SystemInit()**：
设置 RCC 寄存器各位，配置系统的时钟源、分频系数等，以确保系统能够稳定运行在合适的时钟频率下。
设置中断向量表偏移地址，根据启动区域的不同，使用以下代码进行设置：

#ifdef VECT_TAB_SRAM
SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM. /
#else
SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; / Vector Table Relocation in Internal FLASH. */
#endif
**软件设置 SP，__main 入栈（系统初始化函数）**：通过以下代码将 __main 函数入栈，进一步进行系统的初始化操作：

LDR R0,=__main
BX R0
**加载 data、bss 段并初始化_main 栈区**：由于哈弗体系结构决定了数据与代码分开存储，所以需要将 Flash 中的数据拷贝进入 SRAM，完成数据段和 bss 段的初始化。

跳转到 main()：完成上述一系列初始化操作后，程序跳转到 main() 函数，开始执行用户编写的应用程序代码。

二、OTA（Over-The-Air）的情况

在 FLASH 中添加引导程序后，引导程序与 APP 程序将各自对应一个中断向量表。假设引导程序占用 N + M Byte 的 FLASH 空间。

上电启动流程：上电后，单片机从复位中断向量表处获取地址，并跳转执行复位中断服务函数，执行完毕后执行主函数。随后执行 Bootloader 中程序跳转的相关代码跳转至 APP，即地址 0x08000004 + N + M 处。进入主函数的步骤与 Bootloader 函数一致。
中断处理流程：当运行在主函数时，若有中断请求被响应，此时 PC 指针本应当指向位于地址 0x08000004 处的中断向量表，但由于程序预先通过"SCB->VTOR = 0x08000000 | ADDR_OFF;"这一语句，使得中断向量表偏移 ADDR_OFF（N + M）地址，因此 PC 指针会跳转到 0x08000004 + N + M 处所存放的中断向量表处，随后执行本应执行的中断服务函数，在跳出函数后再进入主函数运行。以下是实现程序跳转至 APP 的示例代码：

void iapLoadApp(uint32_t appxAddr)
{
iapfun jumptoapp;
// 检查 appxaddr 处存放的数据(栈顶地址 0x2000****)是不是在 RAM 的地址范围内
if( 0x20000000 == ( ((vu32)appxAddr) & 0x2FFE0000) )
{
// 拷贝 APP 程序的复位中断函数地址，用户代码区第二个字为程序开始地址(复位地址)（强制跳转到函数地址处执行，函数指针的方式）
jumptoapp = (iapfun)(vu32)(appxAddr + 4);
// 初始化 APP 堆栈指针(用户代码区的第一个字用于存放栈顶地址)，重新分配 RAM
MSR_MSP((vu32)appxAddr);
// 执行 APP 的复位中断函数，跳转到 APP
jumptoapp();
}
}

三、中断相关知识

中断的过程 ：
- 中断初始化 ：
  - 设置中断源，使某个外设具备产生中断的能力，例如配置 GPIO 引脚为外部中断模式。
  - 设置中断控制器，对某个外设的中断通道进行使能或屏蔽操作，同时设置中断优先级，以确定多个中断同时发生时的处理顺序。
  - 使能 CPU 中断总开关，允许 CPU 响应中断请求。
- CPU 运行与中断响应：CPU 在运行正常程序的过程中，每执行完一条指令（指令的执行包含多个时钟周期，如取指、译码、执行等）都会检查是否有异常或中断产生。当产生中断（如用户按下按键）时，中断信号先经过中断控制器，然后传递给 CPU。
- 中断处理步骤 ：
  - 保存现场：将 PC、LR、MSP、通用寄存器、FPU 等相关寄存器的值压栈，保存当前程序的运行状态，以便中断处理完成后能够恢复继续执行。
  - 分辨异常/中断，调用对应的异常/中断处理函数：根据中断源的类型，找到对应的中断向量表中的地址，跳转到相应的中断处理函数进行处理。
  - 恢复现场：中断处理完成后，将之前压栈的寄存器值出栈，恢复 PC 的值，使程序继续执行原来的任务。
- 中断优先级处理：在执行高优先级中断时，如果低优先级中断到来，低优先级中断不会被丢失，而是会等待高优先级中断处理完毕后再进行处理。
- 中断向量表：当中断发生时，PC 设置为一个特定地址，这些地址按优先级排列就构成了异常向量表，它存储了各个中断处理函数的入口地址。
中断的定义与分类 ：
- 定义：中断是指正在执行某事件时，被另一个事件打断，从而造成任务切换的过程。
- 分类：分为内核异常和外部中断。内核异常通常由 CPU 内部的一些错误或特殊情况引起，如复位、硬件故障等；外部中断则由外部设备（如按键、传感器等）产生的信号触发。
嵌套向量中断控制器 NVIC：NVIC 用于处理多个优先级中断到来后的处理顺序。当多个中断同时发生时，NVIC 根据预先设置的中断优先级，先处理优先级高的中断，处理完后再处理优先级低的中断。

四、STM32 定时器

定时器分类 ：
- 系统滴答定时器 SysTick：并非外设，而是 CM3 内核的一部分，主要用于产生系统时钟节拍，为操作系统提供基本的时间管理功能。
- 看门狗定时器 WatchDog：包括 IWDG 独立看门狗和 WWDG 窗口看门狗。IWDG 采用独立时钟，主要用于监视硬件错误，当在规定时间内没有喂狗操作时，会触发系统复位；WWDG 采用系统时钟，用于监视软件错误，必须在规定时间窗口内刷新，否则也会触发系统复位，并且在进入 WWDG 中断时，可以保存复位前的数据，防止跑飞后跳过某些代码段。
- 基本定时器 TIM6、TIM7：具有预分频和重装载寄存器功能，可用于简单的定时任务，如定时触发 ADC 转换等。
- 通用定时器 TIM2、TIM3、TIM4、TIM5：除了基本定时器的功能外，还支持输出比较、输入捕获、PWM 输出、单脉冲等功能，应用较为广泛，如电机控制、PWM 调光等场景。
- 高级定时器 TIM1、TIM8：在通用定时器的基础上，增加了死区控制功能，常用于需要控制功率器件（如 MOSFET）的场合，以避免上下桥臂同时导通造成短路。
基本定时与 PWM 原理 ：
- 基本定时：通过设置预分频寄存器和重装载寄存器的值，来确定定时器的定时周期。预分频器用于对定时器的时钟进行分频，重装载寄存器则存储定时器的计数值。
- PWM：除了预分频和重装载寄存器外，还需要设置比较寄存器。比较寄存器的值决定了 PWM 波形的占空比，通过改变比较寄存器的值，可以实现对 PWM 波形的调整。

五、STM32 ADC

基本特性：STM32F1 的 ADC 精度为 12 位，每个 ADC 最多有 16 个外部通道。各通道的 A/D 转换可以单次、连续扫描或间断执行，ADC 转换的结果（6 - 12 位）可以左对齐或右对齐储存在 16 位数据寄存器中。ADC 的输入时钟不得超过 14MHz，其时钟频率由 PCLK2 分频产生。
数据处理与通道特性：一个 ADC 的不同通道读取的值在共用的 DR 寄存器中，因此在进行下一个通道采集前需要将数据取走，否则数据会丢失。此外，ADC 还具有注入通道，它可以在规则通道转换时，强行插入转换，用于处理一些优先级较高的模拟信号采集。
参考电压与采集精度：参考电压一般为 3.3V，采集精度与位数相关，计算公式为最大测量电压 / 2^采样位数，例如 3.3V / 2^12，采样方式采用逐次逼近法。

六、STM32 DMA

DMA 作用：当外部设备（如硬盘、显卡、网络适配器等）需要与主存储器进行数据交换时，传统方式需要通过中央处理器（CPU）作为中介来完成数据传输操作。但在大量数据传输的情况下，这种方式会使 CPU 过多地参与数据传输，降低整体性能。而 DMA 可以在 CPU 不介入的情况下，将数据在外设与内存中进行传递，从而提高系统的运行效率。
CPU 搬运数据与 DMA 传输对比 ：
- CPU 搬运数据顺序 ：
  - 外设设置状态寄存器置位。
  - CPU 读取外设数据寄存器到 CPU 通用寄存器。
  - CPU 将通用寄存器数据写入内存。
- DMA 传输优势：DMA 可以独立完成数据传输，不需要 CPU 频繁参与，节约了 CPU 的资源。
DMA 配置 ：
- 配置 DMA 控制器：设置 DMA 通道、数据传输方向（外设到存储器或存储器到外设）、传输模式（单次传输、循环传输等）、数据宽度、传输计数等参数。
- 分配内存：如果是外设到存储器的数据传输，需要分配一块足够大小的缓冲区。
- 配置 DMA 通道：将外设和 DMA 通道连接起来，通常需要配置外设的 DMA 请求触发方式和 DMA 通道的优先级等参数。
- 触发 DMA 传输：启动数据的传输，DMA 控制器将自动执行数据的传输，而不需要 CPU 的干预。
DMA 工作模式 ：
- 循环模式：单轮传输结束后，重置传输计数器，重置传输地址为初始值，再次开始新一轮循环，适用于需要不断重复传输相同数据的场景。
- 双缓冲区：一个缓冲区传输完成中断触发后，缓存地址乒乓交换，同时触发回调函数，常用于处理连续的数据传输，提高数据处理的效率。
实际应用：在实际应用中，需要分析性能瓶颈是数据频率还是数据量过大。如果是数据频率问题，可以采用双 DMA BUF 的方式来提高数据的处理速度；如果是数据量过大，则可以使用单个大 DMA BUF 来一次性传输更多的数据。

七、STM32 看门狗

IWDG 独立看门狗：采用独立时钟，不受系统时钟的影响，主要用于监视硬件错误。在正常运行时，程序需要定期进行喂狗操作（即向看门狗计数器写入特定值），如果在规定时间内没有喂狗，看门狗计数器会溢出，从而触发系统复位，保证系统在硬件出现异常时能够恢复正常运行。
WWDG 窗口看门狗：采用系统时钟，用于监视软件错误。它要求程序必须在规定的时间窗口内进行刷新操作，否则会触发系统复位。窗口看门狗的优势在于可以防止程序跑飞后跳过某些关键代码段，并且在进入 WWDG 中断时，可以保存复位前的数据，以便后续分析问题。

八、IO 口类型

分类电平特性用途备注

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| 上拉输入 | 常态为高电平（通过上拉电阻连接 VCC） | 主要用于 IO 读取操作，当外部设备没有连接时，IO 口保持高电平状态 | 在一些按键输入电路中常用，按键按下时拉低电平，松开时恢复高电平 |
| 下拉输入 | 常态为低电平（通过下拉电阻连接 GND） | 同样用于 IO 读取操作，当外部设备没有连接时，IO 口保持低电平状态 | |
| 推挽输出 | 可以输出高电平和低电平，且都有较强的驱动能力，IO 输出 0 时接 GND，IO 输出 1 时接 VCC | 一般用于 IO 输出操作，如控制 LED 灯的亮灭、驱动小型继电器等 | 驱动负载能力强，能够直接驱动一些简单的外部设备 |
| 开漏输出 | 只能输出低电平，高电平没有驱动能力，需要外部上拉电阻才能真正输出高电平 | 常用于实现线与功能，如在 IIC 总线中，只要有一个设备给低电平，那么总线都会被拉低，从而实现线与逻辑 | 在一些需要多个设备共享总线的场景中非常有用 |

九、STM32 主频、Flash、SRAM 大小

类型主频 Flash 容量 RAM 容量内核

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| STM32F407IGH6 | 168M | 1024KB | 192KB | M4 |
| STM32L151RET6 | 32M | 512KB | 80KB | M3 |
| STM32F103C8T6 | 72M | 64KB | 20KB | M3 |
| HC32L130E8PA | 48M | 64KB | 8KB | M0+ |

十、ADC 采样原理

ADC（Analog-to-Digital Converter）采样原理采用逐次逼近法，这一过程和用天平称物重非常相似。具体来说，天平称重物时，从最重的砝码开始试放，与被称物体进行比较，若物体重于砝码，则该砝码保留，否则移去。然后再加上第二个次重砝码，同样根据物体与砝码重量的比较结果决定第二个砝码的去留，如此一直加到最小一个砝码为止。最后将所有留下的砝码重量相加，就得到了物体的重量。

仿照这一思路，逐次比较型 A/D 转换器将输入模拟信号与不同的参考电压作多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值。通过不断地比较和调整，最终得到与输入模拟信号相对应的数字量输出。