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）
// created by lwpigking
#include "stm32f10x.h"
int main(void) {
// 1.时钟配置
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
// 2.GPIO工作模式的配置
GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF0; // CNF: 00(推挽输出模式)
GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_MODE0; // MODE: 11(输出模式，最大速度50MHZ)
// 3.输出低电平
GPIOA->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR0; // PA0引脚输出低电平
while(1) {}
}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
#include "key.h"
void Key_Init() {
// 1. 配置时钟
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPFEN;
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_AFIOEN;
// 2. GPIO工作模式配置 PF10:CNF - 10MODE - 00
GPIOF->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE10;
GPIOF->CRH |= GPIO_CRH_CNF10_1;
GPIOF->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF10_0;
GPIOF->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR10;
// 3. AFIO配置引脚复用选择
AFIO->EXTICR |= AFIO_EXTICR3_EXTI10_PF;
// 4. 配置EXTI
EXTI->RTSR |= EXTI_RTSR_TR10; // 上升沿触发
EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR10; // 开放中断请求
// 5.配置NVIC
NVIC_SetPriorityGrouping(3); // 全部都是抢占优先级
NVIC_SetPriority(EXTI15_10_IRQn, 3);
NVIC_EnableIRQ(EXTI15_10_IRQn);
}
// 中断服务程序
void EXTI15_10_IRQHandler(void) {
// 先清除中断挂起标志位
EXTI->PR |= EXTI_PR_PR10;
// 延时防抖
Delay_ms(10);
// 判断如果依然保持高电平，就反转LED1的状态
if ((GPIOF->IDR & GPIO_IDR_IDR10) != 0) {
LED_Toggle(LED1);
}
}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_MantissaUSARTDIV 的整数部分DIV_FractionUSARTDIV 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）
#include "usart.h"
void USART_Init(void) {
// 1. 配置时钟
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;
// 2. GPIO工作模式
// PA9(复用推挽输出)CNF:10 MODE:11
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE9;
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF9_1;
GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF9_0;
// PA10(浮空输入) MODE:00 CNF:01
GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE10;
GPIOA->CRH &= ~ GPIO_CRH_CNF10_1;
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF10_0;
// 3. 串口配置
USART1->BRR = 0x271; // 波特率 115200
USART1->CR1 |= USART_CR1_TE; // 接收使能
USART1->CR1 |= USART_CR1_RE; // 发送使能
USART1->CR1 |= USART_CR1_UE; // USART使能
// 其他配置默认即可
}
void USART_SendChar(uint8_t ch) {
// 判断SR里TXE是否为空
while((USART1->SR & USART_SR_TXE) == 0) {}
// 向DR写入新的数据
USART1->DR = ch;
}
uint8_t USART_ReceiveChar(void) {
while((USART1->SR & USART_SR_RXNE) == 0) {
// 判断空闲帧
if (USART1->SR & USART_SR_IDLE) {
return 0;
}
}
// 读取已经接收到的数据，等待接收下一个数据
return USART1->DR;
}
void USART_SendString(uint8_t *str, uint8_t size) {
for (uint8_t i = 0; i < size; i++) {
USART_SendChar(str);
}
}
void USART_ReceiveString(uint8_t buffer[], uint8_t *size) {
// 定义一个变量，用来保存已经接收到的字符个数
uint8_t i = 0;
while((USART1->SR & USART_SR_IDLE) == 0) {
buffer = USART_ReceiveChar();
i++;
}
// 清除IDLE
// USART1->SR;
USART1->DR;
*size = i-1;
}
uint8_t buffer = {0};
uint8_t size = 0;
int main(void) {
USART_Init();
while(1) {
USART_ReceiveString(buffer, &size);
USART_SendString(buffer, size);
}
}#include "usart.h"
void USART_Init(void) {
// 1. 配置时钟
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;
// 2. GPIO工作模式
// PA9(复用推挽输出)CNF:10 MODE:11
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE9;
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF9_1;
GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF9_0;
// PA10(浮空输入) MODE:00 CNF:01
GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE10;
GPIOA->CRH &= ~ GPIO_CRH_CNF10_1;
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF10_0;
// 3. 串口配置
USART1->BRR = 0x271; // 波特率 115200
USART1->CR1 |= USART_CR1_TE; // 接收使能
USART1->CR1 |= USART_CR1_RE; // 发送使能
USART1->CR1 |= USART_CR1_UE; // USART使能
// 4. 开启中断使能
USART1->CR1 |= USART_CR1_IDLEIE;
USART1->CR1 |= USART_CR1_RXNEIE;
// NVIC
NVIC_SetPriorityGrouping(3);
NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 3);
NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
}
void USART_SendChar(uint8_t ch) {
// 判断SR里TXE是否为空
while((USART1->SR & USART_SR_TXE) == 0) {}
// 向DR写入新的数据
USART1->DR = ch;
}
void USART_SendString(uint8_t *str, uint8_t size) {
for (uint8_t i = 0; i < size; i++) {
USART_SendChar(str);
}
}
void USART1_IRQHandler(void) {
// 判断中断类型
if (USART1->SR & USART_SR_RXNE) { // 接收完成一个字符
buffer = USART1->DR;
size++;
} else if (USART1->SR & USART_SR_IDLE) { // 字符串整体接收完成
// 清除IDLE标志位
USART1->DR;
// 直接发送字符串到电脑
// USART_SendString(buffer, size);
// 清除size
// size = 0;
isOver = 1;
}
}
uint8_t buffer = {0};
uint8_t size = 0;
uint8_t isOver = 0;
int main(void) {
USART_Init();
while(1) {
if (isOver)
{
USART_SendString(buffer, size);
isOver = 0;
size = 0;
}
}
}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
#define ACK 0
#define NACK 1
// STM32控制SCL和SDA的输出高低电平
#define SCL_HIGH (GPIOB->ODR |= GPIO_ODR_ODR10)
#define SCL_LOW (GPIOB->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR10)
#define SDA_HIGH (GPIOB->ODR |= GPIO_ODR_ODR11)
#define SDA_LOW (GPIOB->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR11)
// STM32从EEPROM中读取，STM32作为从设备
#define READ_SDA (GPIOB->IDR & GPIO_IDR_IDR11)
// 基本延迟
#define I2C_DELAY Delay_us(10)
void I2C_Init(void) {
// 1.配置时钟
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN;
// 2.工作模式：通用开漏输出
GPIOB->CRH |= (GPIO_CRH_MODE10 | GPIO_CRH_MODE11);
GPIOB->CRH &= ~(GPIO_CRH_CNF10_1 | GPIO_CRH_CNF11_1);
GPIOB->CRH |= (GPIO_CRH_CNF10_0 | GPIO_CRH_CNF11_0);
}
void I2C_Start(void) {
// SCL先拉高保持不变，SDA从高电平到低电平
SCL_HIGH;
SDA_HIGH;
I2C_DELAY; // SDA拉高保持一段时间
SDA_LOW;
I2C_DELAY; // SDA拉低保持一段时间
}
void I2C_Stop(void) {
// SCL先拉高保持不变，SDA从低电平到高电平
SCL_HIGH;
SDA_LOW;
I2C_DELAY; // SDA拉低保持一段时间
SDA_HIGH;
I2C_DELAY; // SDA拉高保持一段时间
}
void I2C_Ack(void) {
// SCL先拉低，SDA拉高，做好准备
SCL_LOW;
SDA_HIGH;
I2C_DELAY;
// SDA拉低，保持不变，SCL拉高开始采样SDA
SDA_LOW;
I2C_DELAY;
SCL_HIGH;
I2C_DELAY;
// 采样结束，SDA不变，SCL拉低
SCL_LOW;
I2C_DELAY;
// SDA拉高，释放数据总线
SDA_HIGH;
I2C_DELAY;
}
void I2C_Nack(void) {
SCL_LOW;
SDA_HIGH;
I2C_DELAY;
SCL_HIGH;
I2C_DELAY;
SCL_LOW;
I2C_DELAY;
}
uint8_t I2C_Wait4Ack(void) {
// SCL拉低，SDA拉高，释放数据总线
SCL_LOW;
SDA_HIGH;
I2C_DELAY;
// 拉高SCL，开始数据采样
SCL_HIGH;
I2C_DELAY;
// 读取SDA数据线上的电平
uint16_t ack = READ_SDA;
// 拉低SCL结束采样
SCL_LOW;
I2C_DELAY;
return ack ? NACK : ACK;
}
void I2C_SendByte(uint8_t byte) {
for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
{
// 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）
// SCL、SDA拉低，等待数据翻转
SCL_LOW;
SDA_LOW;
I2C_DELAY;
// 字节最高位，向SDA写入数据
// 该位为1就拉高SDA，为0就拉低SDA
if (byte & 0x80) {
SDA_HIGH;
} else {
SDA_LOW;
}
I2C_DELAY;
// 翻转完毕，准备拉高SCL进行采样
SCL_HIGH;
I2C_DELAY;
// SCL拉低，采样结束
SCL_LOW;
I2C_DELAY;
byte <<= 1; // 继续采样byte的下一位
}
}
// 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
uint8_t I2C_ReadByte(void) {
uint8_t data = 0;
for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
{
// 拉低SCL，等待数据翻转
SCL_LOW;
I2C_DELAY;
// 拉高SCL，采样
SCL_HIGH;
I2C_DELAY;
data <<= 1; // 先左移，新存入的位永远在最低位
// 开始读数据
if (READ_SDA) {
data |= 0x01; // 先存入最低位，然后每次都左移1位
}
// 拉低SCL，结束采样
SCL_LOW;
I2C_DELAY;
}
return data;
}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。
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