stm32入门篇2

1.GPIO简介
STM32 芯片的 GPIO 引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。 STM32 芯片的 GPIO 被分成很多组，每组有 16 个引脚，如型号为 STM32F103VET6 型号的
芯片有 GPIOA、GPIOB、GPIOC 至 GPIOE 共 5 组 GPIO，芯片一共 100 个引脚，其中
GPIO 就占了一大部分，所有的 GPIO 引脚都有基本的输入输出功能。
最基本的输出功能是由 STM32 控制引脚输出高、低电平，实现开关控制，如把 GPIO
引脚接入到 LED 灯，那就可以控制 LED 灯的亮灭，引脚接入到继电器或三极管，那就可
以通过继电器或三极管控制外部大功率电路的通断。
2.GPIO框图

保护二极管及上、下拉电阻
引脚的两个保护二级管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入，当引脚电压高于
VDD 时，上方的二极管导通，当引脚电压低于 VSS 时，下方的二极管导通，防止不正常电
压引入芯片导致芯片烧毁。尽管有这样的保护，并不意味着 STM32 的引脚能直接外接大功
率驱动器件，如直接驱动电机，强制驱动要么电机不转，要么导致芯片烧坏，必须要加大
功率及隔离电路驱动。
P-MOS 管和 N-MOS 管
GPIO 引脚线路经过两个保护二极管后，向上流向"输入模式"结构，向下流向"输出
模式"结构。先看输出模式部分，线路经过一个由 P-MOS 和 N-MOS 管组成的单元电路。
这个结构使 GPIO 具有了"推挽输出"和"开漏输出"两种模式。
所谓的推挽输出模式，是根据这两个 MOS 管的工作方式来命名的。在该结构中输入
高电平时，经过反向后，上方的 P-MOS 导通，下方的 N-MOS 关闭，对外输出高电平；而
在该结构中输入低电平时，经过反向后，N-MOS 管导通，P-MOS 关闭，对外输出低电平。
当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，P 管负责灌电流，N 管负责拉电流，使其负
载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的低电平为 0 伏，高电平为 3.3
伏，具体参考图 8-2，它是推挽输出模式时的等效电路。

而在开漏输出模式时，上方的 P-MOS 管完全不工作。如果我们控制输出为 0，低电平，
则 P-MOS 管关闭，N-MOS 管导通，使输出接地，若控制输出为 1 (它无法直接输出高电平)
时，则 P-MOS 管和 N-MOS 管都关闭，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高
阻态。为正常使用时必须外部接上拉电阻，参考图 8-3 中等效电路。它具有"线与"特性，
也就是说，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由
上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引
脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平，0 伏。
推挽输出模式一般应用在输出电平为 0 和 3.3 伏而且需要高速切换开关状态的场合。
在 STM32 的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。
开漏输出一般应用在 I2C、SMBUS 通讯等需要"线与"功能的总线电路中。除此之外，
还用在电平不匹配的场合，如需要输出 5 伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上
拉电源为 5 伏，并且把 GPIO 设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外
输出 5 伏的电平，具体见图 8-4。

cpp 复制代码

// 只能输出低电平或高阻态
// 需要外接上拉电阻才能输出高电平
// 适合I2C、电平转换等应用
GPIOB->CRL |= (0x7 << 4);  // 开漏输出

输出数据寄存器
前面提到的双 MOS 管结构电路的输入信号，是由 GPIO" 输出数据寄存器
GPIOx_ODR"提供的，因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改 GPIO 引脚的输
出电平。而"置位/复位寄存器 GPIOx_BSRR"可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响
电路的输出。
复用功能输出
"复用功能输出"中的"复用"是指 STM32 的其它片上外设对 GPIO 引脚进行控制，
此时 GPIO 引脚用作该外设功能的一部分，算是第二用途。从其它外设引出来的"复用功
能输出信号"与 GPIO 本身的数据据寄存器都连接到双 MOS 管结构的输入中，通过图中的
梯形结构作为开关切换选择。
例如我们使用 USART 串口通讯时，需要用到某个 GPIO 引脚作为通讯发送引脚，这个
时候就可以把该 GPIO 引脚配置成 USART 串口复用功能，由串口外设控制该引脚，发送数
据。
输入数据寄存器
看 GPIO 结构框图的上半部分，GPIO 引脚经过内部的上、下拉电阻，可以配置成上/
下拉输入，然后再连接到施密特触发器，信号经过触发器后，模拟信号转化为 0、1 的数字
信号，然后存储在"输入数据寄存器 GPIOx_IDR"中，通过读取该寄存器就可以了解 GPIO 引脚的电平状态。
复用功能输入
与"复用功能输出"模式类似，在"复用功能输入模式"时，GPIO 引脚的信号传输到
STM32 其它片上外设，由该外设读取引脚状态。
同样，如我们使用 USART 串口通讯时，需要用到某个 GPIO 引脚作为通讯接收引脚，
这个时候就可以把该 GPIO 引脚配置成 USART 串口复用功能，使 USART 可以通过该通讯
引脚的接收远端数据。
模拟输入输出
当 GPIO 引脚用于 ADC 采集电压的输入通道时，用作"模拟输入"功能，此时信号是
不经过施密特触发器的，因为经过施密特触发器后信号只有 0、1 两种状态，所以 ADC 外
设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。类似地，当 GPIO 引
脚用于 DAC 作为模拟电压输出通道时，此时作为"模拟输出"功能，DAC 的模拟信号输
出就不经过双 MOS 管结构，模拟信号直接输出到引脚。
3.输入输出控制

4.项目工程

1. startup_stm32f10x_hd.s - 启动文件

作用：系统启动和初始化

这是汇编语言编写的启动文件 ，是芯片上电后执行的第一个代码。

主要功能：

1.1 初始化堆栈指针

cpp 复制代码

; 定义主堆栈大小
Stack_Size      EQU     0x00000400
                AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem       SPACE   Stack_Size
__initial_sp

; 定义堆大小  
Heap_Size       EQU     0x00000200
                AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
__heap_base
Heap_Mem        SPACE   Heap_Size
__heap_limit

1.2 设置中断向量表

cpp 复制代码

g_pfnVectors
                DCD     __initial_sp              ; 栈顶地址
                DCD     Reset_Handler             ; 复位中断
                DCD     NMI_Handler               ; NMI中断
                DCD     HardFault_Handler         ; 硬件错误中断
                DCD     MemManage_Handler         ; 内存管理错误
                DCD     BusFault_Handler          ; 总线错误
                DCD     UsageFault_Handler        ; 用法错误
                DCD     0                         ; 保留
                ; ... 更多中断向量

1.3 复位处理程序

cpp 复制代码

Reset_Handler   PROC
                EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
                IMPORT  __main
                IMPORT  SystemInit
                LDR     R0, =SystemInit
                BLX     R0                        ; 调用系统初始化
                LDR     R0, =__main
                BX      R0                        ; 跳转到main函数
                ENDP

1.4 默认中断服务程序

cpp 复制代码

NMI_Handler     PROC
                EXPORT  NMI_Handler               [WEAK]
                B       .
                ENDP

HardFault_Handler PROC
                EXPORT  HardFault_Handler         [WEAK]
                B       .
                ENDP

2. stm32f10x.h - 寄存器定义头文件

作用：提供硬件寄存器定义和访问接口

这是C语言头文件，包含了STM32F10x系列的所有外设寄存器定义。

主要功能：

2.1 外设寄存器结构体定义

cpp 复制代码

/* GPIO 寄存器结构体 */
typedef struct
{
  __IO uint32_t CRL;
  __IO uint32_t CRH;  
  __IO uint32_t IDR;
  __IO uint32_t ODR;
  __IO uint32_t BSRR;
  __IO uint32_t BRR;
  __IO uint32_t LCKR;
} GPIO_TypeDef;

/* 外设基地址定义 */
#define PERIPH_BASE           ((uint32_t)0x40000000)
#define APB2PERIPH_BASE       (PERIPH_BASE + 0x10000)
#define GPIOA_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)

/* 外设指针定义 */
#define GPIOA               ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
#define GPIOB               ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
#define GPIOC               ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)

2.2 寄存器位定义

cpp 复制代码

/* GPIO 配置寄存器位定义 */
#define  GPIO_CRL_CNF0                     ((uint32_t)0x0000000C)
#define  GPIO_CRL_CNF0_0                   ((uint32_t)0x00000004)
#define  GPIO_CRL_CNF0_1                   ((uint32_t)0x00000008)

#define  GPIO_CRL_MODE0                    ((uint32_t)0x00000003)  
#define  GPIO_CRL_MODE0_0                  ((uint32_t)0x00000001)
#define  GPIO_CRL_MODE0_1                  ((uint32_t)0x00000002)

2.3 外设时钟使能定义

cpp 复制代码

/* RCC 时钟使能寄存器 */
#define RCC_APB2ENR_IOPAEN                ((uint32_t)0x00000004)
#define RCC_APB2ENR_IOPBEN                ((uint32_t)0x00000008)
#define RCC_APB2ENR_IOPCEN                ((uint32_t)0x00000010)

3. 两个文件的协同工作流程

系统启动顺序：

复制代码

1. 上电复位
2. 执行 startup_stm32f10x_hd.s
   ├── 设置堆栈指针
   ├── 初始化中断向量表  
   ├── 调用 SystemInit() 函数
   └── 跳转到 main() 函数

3. 在 main() 中通过 stm32f10x.h 访问硬件
   ├── 使能外设时钟
   ├── 配置 GPIO 等外设
   └── 实现应用程序逻辑

`SystemInit()` 的主要功能

1. 配置系统时钟

这是最重要的功能！STM32上电后默认使用内部8MHz RC振荡器，SystemInit() 将其切换到外部时钟并提高频率。

`SystemInit()` 的主要功能

1. 配置系统时钟

这是最重要的功能！STM32上电后默认使用内部8MHz RC振荡器，SystemInit() 将其切换到外部时钟并提高频率。

cpp 复制代码

void SystemInit(void)
{
    /* 1. 复位RCC时钟配置 */
    RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;     // 开启HSI
    RCC->CFGR = 0x00000000;              // 复位时钟配置
    RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;     // 关闭HSE、CSS、PLL
    RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;     // 复位HSEBYP
    RCC->CFGR &= (uint32_t)0xFF80FFFF;   // 复位PLL倍频等
    
    /* 2. 配置外部晶振和PLL */
#ifdef STM32F10X_HD  
    // 对于大容量产品，配置为72MHz
    RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON); // 开启HSE
    
    // 等待HSE稳定
    while((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) == 0);
    
    // 配置PLL：8MHz * 9 = 72MHz
    RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE | 
                           RCC_CFGR_PLLMULL9);
    
    RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;             // 开启PLL
    while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0); // 等待PLL稳定
    
    /* 3. 配置Flash等待状态（重要！）*/
    FLASH->ACR |= FLASH_ACR_LATENCY_2;   // 2个等待状态，用于72MHz
    
    /* 4. 切换系统时钟到PLL */
    RCC->CFGR |= (uint32_t)RCC_CFGR_SW_PLL;
    while((RCC->CFGR & (uint32_t)RCC_CFGR_SWS) != (uint32_t)0x08);
#endif
}

2. 配置Flash存储器

高速运行时需要配置Flash等待周期：

cpp 复制代码

// 不同频率对应的等待状态
// 0-24MHz: 0等待状态
// 24-48MHz: 1等待状态  
// 48-72MHz: 2等待状态
FLASH->ACR = FLASH_ACR_LATENCY_2 | FLASH_ACR_PRFTBE;

3. 配置向量表位置

cpp 复制代码

#ifdef VECT_TAB_SRAM
    // 如果向量表在SRAM中
    SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET;
#else
    // 默认向量表在Flash中
    SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET;
#endif

5.开启外设时钟

1. 时钟使能如何影响电源开关

实际的硬件电路：

在芯片内部，每个外设都有时钟门控电路：

复制代码

时钟信号 ───┬─── 与门 ─── 外设电路
           │
时钟使能位 ──┘

具体实现：

复制代码

// 硬件层面的简化表示
if (SPI1_CLK_ENABLE == 1) {
    SPI1_Clock = APB2_Clock;  // 时钟信号到达SPI1电路
    SPI1_Power = ON;          // SPI1电路通电
} else {
    SPI1_Clock = 0;           // 无时钟信号
    SPI1_Power = OFF;         // SPI1电路断电
}

功耗影响：

时钟使能关闭时：

外设内部的所有触发器、计数器、状态机都停止工作
大部分电路进入零动态功耗状态
只有极小的静态泄漏电流

实测数据：

复制代码

// 关闭所有不用的外设时钟，可节省：
GPIOx时钟关闭：节省 ~50μA 每个端口
SPI1时钟关闭：节省 ~150μA  
USART1时钟关闭：节省 ~200μA
ADC1时钟关闭：节省 ~300μA

// 对于电池应用，这很重要！

2. 时钟使能如何影响访问权限

硬件保护机制：

STM32有一个总线矩阵和访问保护硬件：

复制代码

CPU ─── 总线矩阵 ───┬─── GPIOA (时钟使能控制访问)
                   ├─── GPIOB (时钟使能控制访问)  
                   ├─── SPI1  (时钟使能控制访问)
                   └─── USART1 (时钟使能控制访问)

访问保护的硬件实现：

复制代码

// 简化的硬件逻辑
if (Peripheral_CLK_Enabled) {
    // 允许寄存器访问
    Peripheral_Register = CPU_Write_Data;
} else {
    // 触发总线错误！生成HardFault
    Generate_HardFault();
}

实际错误示例：

复制代码

// 错误代码：在时钟关闭时访问SPI1寄存器
RCC->APB2ENR &= ~RCC_APB2ENR_SPI1EN;  // 关闭SPI1时钟

SPI1->CR1 = 0x0000;  // 这里会触发HardFault中断！
// 因为SPI1寄存器在物理上不可访问

1. startup_stm32f10x_hd.s - 启动文件

作用：系统启动和初始化

主要功能：

1.1 初始化堆栈指针

1.2 设置中断向量表

1.3 复位处理程序

1.4 默认中断服务程序

2. stm32f10x.h - 寄存器定义头文件

作用：提供硬件寄存器定义和访问接口

主要功能：

2.1 外设寄存器结构体定义

2.2 寄存器位定义

2.3 外设时钟使能定义

3. 两个文件的协同工作流程

系统启动顺序：

SystemInit() 的主要功能

1. 配置系统时钟

SystemInit() 的主要功能

1. 配置系统时钟

2. 配置Flash存储器

3. 配置向量表位置

5.开启外设时钟

1. 时钟使能如何影响电源开关

实际的硬件电路：

具体实现：

功耗影响：

2. 时钟使能如何影响访问权限

硬件保护机制：

访问保护的硬件实现：

实际错误示例：

`SystemInit()` 的主要功能

`SystemInit()` 的主要功能