上海羊羽卓进出口贸易有限公司我在高职教STM32——02一览STM32的重要功能
大家好，我是老耿，高职青椒一枚，一直从事单片机、嵌入式、物联网等课程的教学 。对于高职的学生层次，同行应该都懂的，老师在课堂上教学几乎是没什么成就感的。正是如此，才有了借助头条平台寻求认同感和成就感 的想法。在这里，我准备陆续把自己花了很多心思设计的教学设计分享出来，如果您正是一名单片机爱好者或是一名同行，欢迎点赞+关注，各位的支持是本人持续输出的动力，多谢多谢！#我要上微头条##STM32##高职高专#
PS：本人给学生上课选用的洋桃工作室的“洋桃1号”STM32开发板，因此本文所使用的很多图片资料来自厂家，本人只是做了整理和编辑工作，供学习交流之用，无广告之意，特此声明。
一、STM32的命名——探探芯片型号代表的含义
STM32芯片命名规范STM32命名解读
公司与产品系列（STM）意法半导体是一家国际性的半导体生产商，总部位于瑞士日内瓦。ST算是家大公司了，他们不仅生产微控制器，还生产二极管、放大器、无线模块之类的电子元器件，STM只表示ST公司微控制器这一品类的命名。
STM系列官网一览
微控制器类型（F）微控制器的类型，大概说就是芯片的主要应用方向，如用于简单功能开发的S系列、用于低功耗的L系列、用于高性能的H系列、用于没什么特殊需求的通用F系列。
F类型的微控制器在性能、功能、功耗、价格方面比较平衡，哪项也不突出，哪项也不缺少，尽量满足所有需要微控制器的场合。
STM32系列应用定位
子系列（103）STM32系列资源一览
引脚数、存储量与封装（C8T）需要注意：只要是STM32F103子系列，不管引脚数量多少，都具有完全一致的性能和功能。初学者会误以为引脚多的芯片功能多，其实功能多少并不和引脚数量有关，只能说引脚少的芯片可能某些你需要的功能接口没有引出来。在满足功能的前提下，使用引脚最少的芯片是最佳选择。
STM32系列存储资源与封装一览
工作温度（6） 商业用范围：0~75℃工业级范围：-40~85℃汽车工业级范围：-40~125℃军工级范围：-55~150℃目前工业级范围的单片机是最常见的，一般的民用、商用、工业用电子产品都采用这个温度范围。
二、内核与存储器——反映的是处理器最重要的性能
Cortex-M3处理器内部架构Cortex-M3内核功能模块
标准化的微控制器核心ARM公司作为顶层的架构设计者，需要最大程度的整合各家芯片制造商对微控制器的解决方案。因此，Cortex-M3在CPU的基础上又提供了整个微控制器的核心部分，包括系统节拍时钟、并行总线结构、嵌套中断向量控制单元（NVIC）、调试系统以及存储区映射等。STM32F1系列是Cortex-M3架构的杰出代表STM32F1是ST公司第一个基于Cortex-M3内核的微控制器系列，它的出现将微控制器的性价比水平提升到了新高度，同时它在低功耗场合和实时控制场合中亦能游刃有余。STM32F1的核心功能 内核：ARM 32位的Cortex-M3 CPU① 最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHz（Dhrystone 2.1）。② 单周期乘法和硬件除法存储器① 64K或128K字节的闪存程序存储器② 高达20K字节的SRAM说说SRAM与FLASHCPU访问SRAM和FLASH
SRAM和FLASH特性对比
三、时钟、复位和电源管理——时钟是灵魂、复位是刚需、电源是必备
时钟的重要性 时钟是指处理器工作的基准频率的来源由一个电路（芯片内部或外部都可）产生类似脉搏的脉冲信号，一下一下有规律地稳定地跳动，单片机中所有功能组件都需要将这个跳动作为其工作的标准。处理器的运行速度取决于时钟频率① 图中的方波由高到低再到高（图中tHSE的部分），就是一个时钟周期。② 在一个时钟周期内，处理器能运行一条“单周期”指令；还有一些“多周期”的指令需要多个时钟周期才能执行完毕。③ 时钟频率越高，处理器执行指令越快，所表示出的运行速度就越快。STM32的时钟周期
STM32的时钟源 时钟源在电路实现的层面上分为振荡器和分（倍）频器，它们两个共同决定了时钟频率。这两种方式STM32都有。振荡器是一种可以产生固定频率方波的硬件电路；分（倍）频器的工作是把振荡器的频率等分（或成倍）为其他规格的频率。表中的RTC是“实时时钟“的英文缩写，从处理器技术层面来说是指可以记录日期时间的时钟，与常说的处理器时钟不是一回事。STM32的时钟源
STM32的时钟树STM32的时钟树
上图说明了STM32的时钟走向，从图左边的时钟源开始，一步步分配到右边的外设时钟。我们暂时不去详解每个走向，但这相对于51单片机的单一时钟源来说，其复杂度不可同日而语，为什么非要这么设计？
需要倍频是考虑到电磁兼容性，如果外部直接给一个高速晶振（不一定造的出来），太高的振荡频率会给电路制板带来较大难度。分频是因为STM32既有高速外设又有低速外设，需要分开管理。每个外设都配备了时钟开关，不用时可以关闭，这样有利于降低整体功耗。所以，当要使用某个外设时，记得一定要开启对应的外设时钟。STM32的复位 复位的作用复位的作用就是让单片机内部秩序化（RAM里的数据清空），都回到设计者规定好的状态，就像计算机每次重启一样。STM32复位的情形① STM32 单片机中，有一个供电监控器在一直工作，它能监测外部电源的电压，当电压低于2V 时，监控器会让单片机复位。当电压高于2V 时，监控器让单片机进入工作状态。② 每次给单片机接通电源时，电压都是一次从0 升到3.3V（STM32 的工作电压）的过程，这个过程使单片机复位。因此，可以不需要再外接复位电路。③ 通常是在单片机的复位引脚上接一个微动开关，开关另一端接地，按下开关可手动复位。STM32复位引脚与接线
STM32的电源管理STM32的电源
逻辑电源输入① 这是单片机最基本的供电输入端口，用 VDD 表示。② 给这些接口提供 2～3.6V 的直流电压，就能让内核、存储器、I/O 端口和其他纯数字电路工作了。③ 它还能让I/O 端口输入或输出数字逻辑信号的电平。模拟电源输入① 模拟电源电压用 VDDA 表示，用在 ADC、RC 振荡器、PLL 等模拟电路上，因此对电源的稳定性要求较高。② 64脚以上单片机的模拟电源与逻辑电源是分开的。③ 引脚较少的单片机上，逻辑电源和模拟电源并联在一起使用，以减少引脚的占用。备用电源输入① 这是专门给实时时钟（RTC）供电的，以保证在逻辑电源断开后依然让RTC 保持走时。② 同时它也给唤醒电路和后备寄存器供电，让它们一直处在工作状态。③ 一般外接独立电源或者一块1.8～3.6V 的纽扣电池。四、低功耗与ADC——煞费苦心的低功耗设计，高精度模数转换
STM32的低功耗设计 低功耗是物联网设备的普遍需求物联网终端设备大都采用电池供电，降低功耗、让电量使用更持久便成了重要的项目需求。因此，单片机内部的低功耗设计也是每个芯片厂商不懈努力的方向。STM32的低功耗模式STM32 单片机可以通过关掉一些耗电大的内部功能来达到省电的目的，根据关掉的功能数量，可分为3 种低功耗模式：睡眠模式、停机模式、待机模式。STM32的三种低功耗模式
STM32的ADC（模数转换器） ADC的功能读取端口上模拟量的电压值，类似于电压表。I/O端口上的逻辑电平I/O 端口是输入或输出逻辑电平的，也就是高电平（1）和低电平（0）电压值的精度① ADC 可以读出从0V 到电源电压之间的具体电压值，并把这个值变成一组数字量（8位、10 位、12 位甚至更高）。② 位数越多，表示测得的电压值更精密。STM32 的ADC 是12 位的，其精度能够满足大部分应用了。STM32读取的模拟电压
五、DMA与I/O口——为CPU减负的好助手DMA，几乎全能的GPIO
DMA可大大提高内核工作效率① DMA 字面意思是“直接存储器访问“，通常用在外设与内核需要进行大量数据传输的场合。② 如果没有DMA，想读取ADC 的值，首先要在内核向ADC 功能发出指令，然后等待ADC 读取完成，内核再从ADC 读出数据，再存放到SRAM 当中。这个过程需要内核参与，占用了内核的时间，内核就不能去做别的工作了。③ DMA 可以在这种数据读取、存放的任务上完全解放内核。它能按预先设定好的设置从ADC 读出数据，然后自动存放到SRAM 中指定的位置，不需要内核的参与。当内核需要ADC 的数据时，只要读SRAM 指定的位置这一步操作就行了。STM32的DMA工作示意
STM32的DMA通道① DMA 不仅能读ADC，它还能在Flash、SRAM、SPI、USART、定时器、I2C 等功能之间相互传递数据。② STM32F103 的DMA 有7 个通道，可以设置7 组数据传递任务。STM32的DMA通道示意
STM32的I/O数量与分组① 近乎全能的I/O口学习单片机最先接触的往往就是I/O端口，它是内部功能当中最重要的一块。因为I/O端口也可以代替除ADC之外所有的逻辑电平的通信接口，所以在STM32里叫GPIO（通用输入/输出端口）。② STM32F103最多有80个I/O端口，被分成5组，每组16个。STM32F103C8T6只有37个I/O 端口，其中PA和PB的16个端口都引出了，PC组只引出3个，PD组只引出2个。48脚封装的STM32F1芯片的引脚
GPIO的工作模式每一个I/O 口都有8 种工作模式，也就是I/O 口的状态是输出还是输入？是输入的话，是模拟量输入还是逻辑电平输入？编程时，我们需要在启动I/O 口之前先把它设置成正确的状态。STM32 I/O口的8种工作模式
四种输入模式：* 模拟输入是在作ADC 输入接口时使用的* 浮空输入是内部不接电阻* 下拉和上拉输入是在I/O 内部接一个10kΩ 的下拉或上拉电阻，根据外部连接的电路可以设置它们。四种输出模式* 推挽是指I/O 端口有很强的电流推动能力，可以输出一定量的电流，用于推动一些元器件（如LED）工作。* 开漏则是弱电流的输出，用于逻辑电平的数据信号通信* 复用的推挽和开漏是用在复用状态下的。六、调试模式与定时器——仿真调试除BUG，定时资源多又强
ARM的仿真调试接口 什么是仿真所谓仿真，就是不把程序下载到Flash 里，而是在计算机端直接控制单片机内核，使单片机能达到和运行下载到Flash 里的程序一样的工作效果。因为不是真的运行程序，而是在计算机上模拟的，所以叫仿真。JTAG调试接口不仅是STM32，所有的ARM 内核的单片机都有一组用于仿真调试的接口，它叫JTAG（Joint Test Action Group，联合测试工作组，是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试）。STM32的JTAG与SWD调试接口
JTAG的简化接口——SWDJTAG 是内核的一部分，并不是一个独立的功能。连接上，可以用5 线的标准JATG，也可以用简化为2 线的SWD，它们的功能是一样的，只是连接方式不同。ST-LINK仿真器与连接线
强大的定时器资源 定时器的本质定时器的本质是计时，当达到设置的时间后去做某个事情。定时器如何知道时长① 主要是通过系统时钟，时钟产生机器周期，内核以机器周期为单位工作，定时器也以此计数，所以定时器也被说成计数器。② 当定时器到达了设置的数值时，就会产生一个中断或事件。多达7个定时器STM32F103xxx 增强型系列包含：3个普通定时器、1个高级定时器、2个看门狗定时器、1个系统滴答定时器。STM32的定时器资源
普通定时器和高级定时器不仅能计数和定时，还能做很多复杂的工作，待讲到定时器编程的时候再展开。看门狗定时器的作用是在定时时间到了之后让单片机复位。嘀嗒定时器，用于实时操作系统中的任务切换的。如果没有跑操作系统，那么嘀嗒定时器可以作为普通定时器来使用。
七、看门狗与滴答定时器——保护内核的忠实伙伴与操作系统的心跳
保护内核的忠实伙伴 —— 看门狗八、I2C与USART接口——一主多从的低速通信协议I2C，最简单最常用的有线通信之串口
STM32支持的通信协议I2C总线（读作“I 方C”或“I2C”）是飞利浦公司发布的一款通信总线标准。所谓总线，是指在一条数据线上同时并联多个设备（芯片或模块）。
主设备和从设备① 每一组I2C总线上只能有1个主设备，主设备是主导通信的，它能主动读取各个从设备上的数据。② 从设备只能等待主设备对自己读写，如果主设备无操作，从设备自己不能操作总线。从设备的数量和识别① I2C总线理论上可挂接几百个从设备，每个从设备都有一个固定的7位或10位从设备地址，相当于身份证号码。② 主机想读写哪个从设备，就向所有从设备发送一个从设备地址，只有号码一致的从设备才会回应主设备。通信速度低速模式可达100kHz，快速模式可达400kHz，高速模式可达3.4MHz。后两者不太稳定，常用低速模式。STM32的I2C通信示意
I2C的优点是协议简单易学，相关的芯片模块成本低，在只占用2个I/O端口的情况下可挂接上百个从设备。目前有很多EEPROM 存储器、温度传感器、RTC时钟、气压传感器等都使用I2C总线作通信接口。
STM32F103单片机内部有2个I2C总线控制器，都支持DMA功能，在硬件上完成了I2C的通信协议，用户只需要在指定的I2C寄存器中写入从设备的地址和要读写的数据就行了，余下的工作会自动完成。
USART串口STM32的串口通信
TTL电平直连多用于单片机与带有USART串口的模块通信，比如Wi-Fi模块、GPS模块、蓝牙模块都支持USART串口。另外它还常用于单片机与计算机的通信，今后我们用计算机给单片机下载程序，就是通过USART串口完成。RS232接口常见于计算机和工控设备之间的通信。该接口并没有改变USART串口的协议规范，而是通过专用的RS232转换芯片，把TTL电平转换成了±12V电平，使通信的距离和稳定性都有所提高。RS485的传输速度和距离比RS232还要大很多，而且可用于多个设备的通信，如高层住宅和商场里的电梯就是用RS485连接各楼层，控制叫梯和显示楼层信息。开发板上的RS232与RS485接口九、SPI、CAN、USB接口——高速串行通信方式几乎通杀
SPI总线 SPI与I2C对比SPI和I2C一样是一种总线。SPI总线也有主设备和从设备之分，单片机是主设备，各种周边芯片是从设备。SPI和I2C一样是板级总线，也就是只能在PCB上近距离通信，而不能引出导线到较远的距离。SPI最大的优势是有很高的通信速度，而且在高速下还能稳定工作，这是I2C所不能的。SPI总线连接示意
SPI高速通信的原因① SPI之所以有这样的速度优势，正是因为它没有采用地址的概念，不在通信数据里放入地址信息，而是使用硬件来选择总线上的设备。每个SPI从设备都有一条开关控制线与主设备（单片机）独立连接（图中的CS线）。当主设备想与哪个从设备通信时，只要开启那个从设备的开关控制线，总线上就只有这个设备是开启的，总线变成了一对一通信。正是用硬件选择从设备，才让SPI总线协议简单、速度飞快② SPI速度快的另一个原因是全双工。全双工的意思是总线在通信时能同时收发数据。而I2C总线是半双工的，不能同时收发。如果把总线通信比喻成两个人对话，半双工状态就是我说你听，或者你听我说，同一时间只有一人在说；全双工状态就是两个人同时说话，又同时听对方讲话。这样对话效率要高得多，只可惜人脑没有这么快的反应速度，生活中也看不到这样的对话。但是单片机能全双工通信，所以全双工的SPI在速度上很难被其他总线超越。STM32的SPI还有哪些特点STM32F103单片机上有2个SPI总线，最大速度可达18MB/s，而且还支持DMA功能和SD卡读写功能。我们常见的SD卡（或TF卡）都支持SPI模式，可以用SPI总线直接读写卡上的数据。SPI总线在高速通信上有非常大的优势，只可惜受到控制从设备的I/O端口数量的限制，总线上不能挂接太多从设备。CAN总线 CAN总线是高级智能总线CAN总线是一种工业控制、汽车电子上常用的高级总线，之所以说它高级，是因为CAN总线的功能复杂且智能。以下CAN总线的电路连接示意图，CAN总线只需要两条导线，理论上可以连接无限多的设备，每一个设备即可作主设备，也可作从设备。CAN总线的通信距离可达10km，速度可达1MB/s。听上去好像速度比SPI的18MB/s 差得很远，但CAN是远程通信，1MB/s的速度已经很优秀了。CAN总线连接示意
CAN总线强大且稳定另外，CAN总线的功能也很强大，当总线上的某个设备损坏时，总线可以把这个设备从总线上断开。在我看来，CAN总线算是RS485总线的升级版，RS485是开放的、原始的底层协议，虽然简单，但功能太少。CAN总线加入了区分总线上设备的标识符概念，也加入了更复杂的协议规范。这让用户在使用CAN时更方便了，不用自己设计总线地址之类。CAN总线的工作很稳定，在汽车行业中被用于车内各电子设备的通信。USB接口 STM32只能是USB从设备USB 接口是大家再熟悉不过的了，所有计算机上都会有至少1个USB接口，因为USB 接口正是为计算机与周边设备（如U盘、鼠标、打印机）通信而设计的。而STM32F103单片机上有1个USB 2.0接口，它被定义为USB从设备，也就是说，它只能用来与计算机连接来作计算机周边设备，比如用STM32制作鼠标或打印机。USB虽然不是总线，但它和CAN总线一样都有底层非常复杂的通信协议，但在用户使用层面上又变得比较简单。STM32与电脑USB的连接下图是USB接口的电路连接示意图，从中可以看出USB有2条数据线，另外还有2条电源线，可以由计算机端给USB设备（单片机）供电。USB接口与之前讲到的USART串口都能与计算机通信，可是USB接口有明确的主从关系，单片机只能作为计算机的从设备。而USART串口的通信没有主从关系，计算机与单片机的通信是平等的，任何一方都能主动发出数据。USB接口电路连接示意
十、内部功能小结——梳理各模块的主要用途和彼此联系
通过以上内容，我们大致了解了STM32内部每个功能的特性和用途，初学者有些概念不理解也不要紧，脑子里有个大概印象即可，等系统学习各功能编程的时候再回过头来看看，也许就会多一分领悟。最后，我们把STM32数据手册中的内部功能关系框图摘出来标注一下，仔细研究这张框图，彻底了解所有内部功能之间的关系，可以帮助我们清晰地认识这款单片机，再学习某些知识时会有更深刻的理解和记忆。
STM32内部功能关系框图
至简至美的一款单片机游戏
在电子森林 推文 700个字节的代码在ATtiny10里跑一个游戏[1] 介绍了一个 开源小游戏RunTiny[2] .
用了：
一个AVR单片机ATtiny10微控制器（只有6个脚，Digikey上0.3美元一颗）一个128*32的OLED显示屏一个按键一个电池 - 3.3V～4.5V都可以，可以用1S 150mAh的Lipo，乃至一颗CR2032的纽扣电池小小的单片机ATtiny10只有6个脚：
1个电源1个地1个Reset3个可用的I/O： PB0: 用于连接OLED的I2C的SDAPB1: 用于连接OLED的I2C的SCLPB2: 按键（INT0）原理图长这样（在面包板上就可以实现，5块钱打块板也可以啊）：
▲ 极简的电路图
▲ 面包板上搭建的电路
代码也超级简单，为了能够塞到1KB的Flash存储器里面，作者做了优化，用汇编语言写成，最终的代码只有778个字节，不仅实现了游戏的功能，还能处理微控制器的I/O以及显示的通信
是不是很酷？
在Github上有开源的资源。 [2]
参考资料
[1]
700个字节的代码在ATtiny10里跑一个游戏 : https://mp.weixin.qq.com/s/gcqykDVyC8Vx_yztekMNSQ
[2]
开源小游戏RunTiny : https://github.com/ridoluc/RunTiny
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