stm32 基础

GPIO工作原理

八种输入输出模式：

GPIO_Mode_AIN 模拟输入

GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入

特点是 引脚内部没有上拉或下拉电阻，引脚的电平状态完全由外部电路决定。如果外部没有明确的电平信号，引脚可能会处于一个不确定的状态（即“浮空”状态）。

比如在使能USART通信时，接收信号的引脚就要设置为浮空输入。

I/O的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定

GPIO_Mode_IPD 下拉输入

很好理解，接地，在空闲状态下是低电平。

GPIO_Mode_IPU 上拉输入

接VCC，空闲时为高电平，比如在配置UART的RX引脚时就可以设置为上拉输入。

GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出

结构：开漏输出由一个MOSFET（场效应管）构成，其漏极（Drain）作为输出引脚，源极（Source）接地。
工作原理：
- 当MOSFET导通时，输出引脚被拉低（低电平，0V）。
- 当MOSFET截止时，输出引脚处于高阻态（无电流输出），需要通过外部上拉电阻将电平拉高（高电平，如3.3V或5V）。

不同于推挽输出可以主动输出高、低电平，他只能主动输出低电平。

GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出

信号来源：引脚信号直接来自 GPIO 外设（即由软件控制）。
工作原理：
- 输出高电平时，上拉 MOS 管导通，引脚输出高电平（VDD）。
- 输出低电平时，下拉 MOS 管导通，引脚输出低电平（GND）。
特点：
- 可以主动驱动高电平和低电平。
- 输出能力强，适合驱动负载（如 LED、继电器等）。
- 不能同时输出高电平和低电平，因此不适合直接连接两个输出引脚。
应用场景：
- 驱动外部设备（如 LED、蜂鸣器等）。
- 作为普通数字信号输出。

GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出

复用的意思是芯片内置的某个模块比如I2C的SCL和SDA接口接在了某个GPIO的引脚上。重映射是指通过配置寄存器或硬件机制，将某些外设功能或引脚重新分配到其他物理引脚上的功能。

GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出

信号来源：引脚信号来自外设（如 USART、SPI、I2C 等），而不是直接来自 GPIO 外设。
工作原理：
- 与推挽输出类似，上拉和下拉 MOS 管交替导通，但信号由外设控制。
- 输出高电平时，上拉 MOS 管导通，引脚输出高电平（VDD）。
- 输出低电平时，下拉 MOS 管导通，引脚输出低电平（GND）。
特点：
- 信号由外设控制，软件无法直接控制引脚状态。
- 输出能力强，适合驱动负载。
- 用于外设的专用功能。
应用场景：
- 外设通信（如 USART 的 TX 引脚、SPI 的 MOSI 引脚等）。
- 需要外设控制信号输出的场景。

STM32F103ZET6芯片为144脚芯片，包括7个通用目的的输入/输出口（GPIO）组，分别为GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG，同时每组GPIO口组有16个GPIO口。通常简略称为PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx，其中x为0-15。

寄存器（register）

有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和地址等。

比如，引脚的高低电平数据（1或0）就放在不同的寄存器里，通过地址，可以访问到不同的寄存器。指令、地址寄存器与数据寄存器类似，用来保存当前正在执行的一条指令和CPU当前所访问的主存单元的地址。

STM32的寄存器（如GPIO、定时器、中断控制器等）在断电后会丢失其状态，上电后寄存器的值是随机的（未定义的）。STM32的Flash闪存是非易失性存储器，断电后Flash中存储的代码和数据不会丢失。上电后，CPU会从Flash中读取代码并执行。在程序执行过程中，代码会对寄存器进行初始化。

当我们使用寄存器的方式点亮LED灯时，需要进行的操作：

使能GPIO时钟
配置GPIO模式
控制GPIO输出

AHB时钟通常直接由系统时钟（SYSCLK）提供。用于连接高性能外设，如CPU、DMA、SRAM、FLASH等。

APB1时钟由AHB时钟经过分频器（APB1预分频器）得到，TIM2、TIM3、TIM4（定时器）
USART2、USART3（串口）
I2C1、I2C2（I2C接口）
SPI2（SPI接口）
PWR（电源控制）
CAN（控制器局域网）

APB2的时钟频率通常较高（最大频率与AHB时钟相同），GPIOA、GPIOB、GPIOC等（GPIO端口）
TIM1（定时器）
USART1（串口）
SPI1（SPI接口）
ADC1、ADC2（模数转换器）
EXTI（外部中断）

USART通信

单工是指数据传输仅能沿一个方向，不能实现反方向传输，如校园广播。半双工是指数据传输可以沿着两个方向，但是需要分时进行，如对讲机。全双工是指数据可以同时进行双向传输，日常的打电话属于这种情形。同步通信要求通信双方共用同一时钟信号，在总线上保持统一的时序和周期完成信息传输。
优点：可以实现高速率、大容量的数据传输，以及点对多点传输。缺点：要求发送时钟和接收

时钟保持严格同步，收发双方时钟允许的误差较小，同时硬件复杂。异步通信不需要时钟信号，而是在数据信号中加入开始位和停止位等一些同步信号，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来，某些通信中还需要双方约定传输速率。
优点：没有时钟信号硬件简单，双方时钟可允许一定误差。缺点：通信速率较低，只适用点对点传输。

串口通信协议是指规定了数据包的内容，内容包含了起始位、主体数据、校验位及停止位，双方需要约定一致的数据包格式才能正常收发数据的有关规范。在串口通信中，常用的协议包括RS-232、RS-422 和 RS-485 等

uart

波特率，比如9600表示1s发送9600位byte启动位固定为低电平，停止位固定为高电平串口的空闲状态是高电平硬件数据流控CTS、RTS（了解）设置不同的停止位（1、1.5、2）

串口中断时每次中断处理一字节数据：

串口每接收到一个字节数据，就会触发一次中断，进入该中断服务程序。
在中断中，读取接收到的字节数据，并根据协议规则（0x0D 0x0A 结尾）判断是否完成一帧数据的接收。每个字节可以表示一个数值范围（0x00 到 0xFF，即 0 到 255）。
0x0D 是 ASCII 字符中的回车符（Carriage Return, CR）。0x0A 是 ASCII 字符中的换行符（Line Feed, LF）。

时钟

代码解释

`typedef` 的作用

typedef 是 C/C++ 中的一个关键字，用于为已有的数据类型定义一个新的别名。
通过 typedef，可以让代码更简洁、易读，或者方便后续修改数据类型。

//在stdint.h中有如下定义
typedef unsigned short     int uint16_t;
//在stm32f10x.h中有如下定义
typedef uint16_t u16;

#ifdef 和 #if 是预处理指令，用于条件编译。它们的作用是根据条件决定是否编译某段代码。

core_cm3.h函数中：

1	#define SysTick ((SysTick_Type *) SysTick_BASE)

SysTick_Type是定义的时钟寄存器的结构体，

1	#define SysTick_BASE (SCS_BASE + 0x0010)

SysTick_BASE指向时钟外设的物理地址

I2C协议

软件模拟

主要使用I2C一主多从的模式（也有多主多从模式，多主机仲裁），同步半双工，两根通信线：SCL、SDA，带数据应答，从机权力较小只能被动读取时钟线，并且不能主动发起对数据线的控制。

SCL和SDA都设置为开漏输出模式，并接了上拉电阻（阻值一般4.7kΩ左右）
SCL设置为开漏主要是因为有多主机的模式，若没有也可以设置为推挽输出

i2c

时序控制（时序是怎么定义的）：

起始条件：SCL在高电平期间，SDA从高电平到低电平的变化（下降沿）

start

终止条件：SCL在高电平时，SDA上升沿

end

发送数据：主机在SCL低电平时，将数据加载到SDA上（高低电平），加载完毕后恢复SCL高电平，方便从机在上升沿获取SDA的状态即数据。这样即发送一位数据，重复八次即发送一个字节。

接收数据：模式与发送数据一样，由从机进行数据加载，主机在SCL高电平时读取数据。SCL高电平时不允许SDA状态发生变化。主机在设置为接收模式时，需要释放对SDA的控制。

应答设置：发送方发送八位数数据（一个字节）后，释放控制权，切换为读取，由接收方收到数据后发送SDA低电平表示收到数据。

设备地址：每种芯片出厂时都会被分配七位数的地址，比如MPU6050是1101000，若相同则可以改变最后的几位的高低电平，模块上最后几位可以通过接线控制高低电平，后面一位为读写位，最后一位为应答位。

注意⚠️：示波器中左边的波形时间上早于右边的波形

发送数据的流程大概为：

激活起始条件，紧跟7位地址和1位读写位，读写位为0表示主机要进行写操作，1表示主机要接收特定从机的数据。而后是从机的一位应答位。当主机切换为读模式时，返回从机当前地址指针指向的地址的值（当前地址读），但是可以通过在读取地址前设置指定地址写来读取想要的地址（指定地址读）

硬件实现

STM32芯片内部有硬件直接实现应答、收发等功能。

有7位地址（起始+7位从机地址+应答+数据1+应答+…这是I2C的规定，后面的数据可以由厂商自己定义，比如mpu6050是数据位首先是寄存器的地址，再是从指定寄存器地址开始写入数据）和10位地址（起始位后两个字节都是寻址11110标志位+两位地址+1位读写位+后一字节地址）两种模式，主要使用7位

数据寄存器（DR）

状态寄存器（SR）：EV5（读：SR1向DR写入数据清除）、EV6、EV7

移位寄存器（SR1）

由数据寄存器发送数据给移位寄存器，再由移位寄存器发送数据。

流程：

1、开启时钟，既要开启I2C的硬件时钟，也要开启对应GPIO的时钟

2、设置引脚模式，为复用开漏，引脚控制交给硬件I2C。

3、初始化I2C，当高于100khz时会有高低电平的占空比的设置，由于上升比较缓慢，所以需要将低电平的时间设置的长一些

4、I2C_Cmd()启用I2C

5、写入起始位，并调用函数读取状态寄存器的事件状态

6、叫唤从机，并设置为发送模式，通过EV6事件判断从机是否应答

7、发送寄存器地址和数据，并且分别检查状态

8、最后一个字节发送后，需要检查EV8_2

如果是接收的话，就需要先设置为发送模式，并且指定接收寄存器地址再设置为接收模式，此外还需要设置应答。

在接收状态时，若一直没有出现想要的结果就会程序卡死，因此设置退出，指定数进行递减，到0函数异常退出

缺点

由于开漏输出的弱上拉，导致通信频率受到上拉波形的限制，主流的最大为400khz

SPI通信

全双工的同步串行通信协议，仅支持一主多从

SPI通信使用以下4根信号线：

MOSI（Master Out Slave In）：主设备发送数据，从设备接收数据。
MISO（Master In Slave Out）：从设备发送数据，主设备接收数据。
SCLK（Serial Clock）：主设备提供的时钟信号，用于同步数据传输。
SS/CS（Slave Select/Chip Select）：主设备用于选择从设备的信号（低电平有效）。

spi

为避免多MISO高电平在冲突，SPI规定只有在ss选中时才允许该外设MISO设置为高，其他状态为高阻态（即为断开状态）

移位寄存器

波特率发生器（时钟）

在每一个上升时钟沿进行移位输出，主机的输出到MOSI上，从机输出到MISO上。

在下降沿进行移位输入，主机的数据输入到从机的移位寄存器的低位，从机的数据输入到主机的移位寄存器的低位。

当我们不需要一方的数据时，不需要方发送0x00或者0xFF。

起始条件为：ss从高电平切换到低电平

终止条件：ss从低电平切换到高电平

通过CPOL和CPHA的0或1两种状态设置四种模式，CPOL不同状态区别在于SCl的电平取反，CPHA不同状态区别在于数据移入移出的时机，，我们主要掌握模式0，即SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据。

第一个字节为指令码（芯片数据手册会有具体说明）比如是要读数据还是写数据，后面为数据

时钟：对于stm32f1，SPI1使用APB2的时钟（72MHz），但需要进行（2、4、8、16、32、64、128、256）分频，

写程序时需要重点关注两个标志位：发送缓冲器空闲标志位（TXE）和接收缓冲器非空标志位（RXNE）

代码流程：

1、开启SPI和GPIO时钟

2、配置对应的GPIO口，SS的GPIO设置为推挽输出，SCL和MOSI配置为复用推挽输出，MISO配置为上拉输入。

3、通过结构体对SPI初始化

4、通过SPI_Cmd()函数使能SPI

5、设置默认给ss输出高电平，即默认不选中从机

6、查看TXE标志位是否为1，为1时发送数据

7、检查RXNE标志位是否为1，为1时接收保存数据

传感器

姿态传感器

有六轴（加速度、陀螺仪的x、y、z）、九轴（+磁力计的x、y、z）、十轴（+气压计测高度）。

融合数据用于确定姿态的欧拉角（俯仰、偏航、横滚）。

根据加速度计的加速度值，可以测量出静态时物体的姿态。

陀螺仪是可以直接测量物体运动的角度，但是MPU6050的陀螺仪只能测量角速度，但是可以通过对角速度进行积分得到角度，由于噪声（尤其是静止时）导致角度会发生偏移。MPU6050还内置了温度传感器，但它只支持I2C通信。

在与MPU6050通信时，需要先写入唤醒模块，解除睡眠模式，使用I2C通信进行读时需要先起始条件（叫mpu6050），再使用写模式的指定某个寄存器，然后再重新起始

存储外设

W25Q64存储8MB的数据，并且掉电不丢失，存储介质是Flash闪存，像我们电脑的硬盘、U盘都属于flash闪存，（SRAM、DRAM属于易失性存储器），原理图中引脚上方一条横线表示低电平有效。

芯片内划分block、sector（1个block16个sector）和page（1个sector16个page，256字节）

芯片写入数据只能由1改写为0，不能0改写为1，所以要覆盖原先的内容时需要先进行擦除，只能按sector擦除，且连续写入时一次最多写入256字节，多了会覆盖前面（由于页缓存区的缘故），写入操作结束后，芯片进入忙状态，不进行新的读写

Buck电路

buck

核心器件：开关管（S）、电感（L）、电容（C）、二极管（D）

开关管：可以导通和关断电流，常见的开关管有三极管、MOSFET、IGBT等
电感：可以将电能转换成磁能储存起来，也能将磁能转换为电能再次释放
（1）电感在进行储能和释能转换时，电感的正负极会发生反向
（2）流经电感的电流不能突变，只能逐步变大或变小
电容：具备存放电的功能，电容器两端电压高于外部电路电压时放电，反之充电，充放电不会发生正负极的反向
二极管：具有正负极特性，电流只能单向流过，只有正极与正极相接才可流过电流，否则无法流过。

注：D也可以是MOS管，MOS的压降损耗比二极管要小，二极管D也可以是其他快恢复或者肖特基二极管，导通压降更小的，损耗也小。Q和D是是一个同步整流，Q开D关、或者Q关D开。

boost电路

boost

ADC、DAC

ADC 是 Analog-to-Digital Converter（模数转换器）的缩写，它是将模拟信号转换为数字信号的关键硬件模块。

ADC

基本原理

模拟信号：连续变化的信号（如电压、电流）。
数字信号：离散的信号（如二进制数值）。
ADC 通过采样和量化，将模拟信号转换为数字信号。

stm32F1的ADC采用12位逐次逼近型ADC，1us转换时间（最快1MHz），输入电压范围：0-3.3，转换范围：0-4095。

规则通道：可选多个通道同时进行ADC转换，但需要配合DMA使用，防止数据被覆盖

注入通道：可直接使用四个同时进行ADC转换

模式：

1、单次转换，非扫描模式

2、单次转换，扫描模式（需要用到DMA）

3、连续转换，扫描模式

数据对齐：包括左对齐和右对齐两种，可以降低分辨率，比如将12位的分辨率变为8位

DAC为数字信号转换为模拟信号，主要应用于波形发生器、音频解码芯片（比如使用PWM控制电机、呼吸灯就可以理解为DAC）

静态局部变量

存储位置：

如果静态局部变量被初始化，则存储在 .data 段（已初始化数据段）。
如果未初始化，则存储在 .bss 段（未初始化数据段）。

stm32 基础

GPIO工作原理

八种输入输出模式：

GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入

GPIO_Mode_IPD 下拉输入

GPIO_Mode_IPU 上拉输入

GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出

GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出

GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出

GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出

寄存器（register）

USART通信

时钟

代码解释

`typedef` 的作用

I2C协议

软件模拟

硬件实现

缺点

SPI通信

传感器

姿态传感器

存储外设

Buck电路

boost电路

ADC、DAC

静态局部变量

存储位置：

1. .data 段

定义：

特点：

2. .bss 段

定义：

特点：

GPIO工作原理

八种输入输出模式：

GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入

GPIO_Mode_IPD 下拉输入

GPIO_Mode_IPU 上拉输入

GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出

GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出

GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出

GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出

寄存器（register）

USART通信

时钟

代码解释

typedef 的作用

I2C协议

软件模拟

硬件实现

缺点

SPI通信

传感器

姿态传感器

存储外设

Buck电路

boost电路

ADC、DAC

静态局部变量

存储位置：

1. .data 段

定义：

特点：

2. .bss 段

定义：

特点：

`typedef` 的作用