《智能光電系統(tǒng)設計》課件 項目4 STM32知識基礎(chǔ)

項目4STM32知識基礎(chǔ)任務目標1、學會并掌握STM32F40X的基礎(chǔ)架構(gòu)、時鐘系統(tǒng)、庫函數(shù)等2、學會KeilMDKARM軟件的使用。4.1STM32F40x系列芯片的系統(tǒng)架構(gòu)及總線STM32F40x系列芯片的總線結(jié)構(gòu)見圖4-1，該總線結(jié)構(gòu)是一個“CPU+外設”的系統(tǒng)。圖4-1STM32F40x系列芯片的總線結(jié)構(gòu)4.1STM32F40x系列芯片的系統(tǒng)架構(gòu)及總線原理上來說，除Cortex-M3內(nèi)核以及相關(guān)總線之外的單元，均可以被稱為外設（Peripherals），如通用輸入輸出端口（GeneralPurposeInput/OutputPort，GPIO）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）、通用同步/異步串行接收/發(fā)送器(UniversalSynchronous/AsynchronousReceiver/Transmitter，USART/UART)、定時器（Timer，TIM）、閃存（FLASH）、直接內(nèi)存訪問（DirectMemoryAccess，DMA）等。要使用相關(guān)外設，需要對外設相關(guān)的寄存器進行正確的配置，而后面要介紹的標準可，在配置寄存器方面具備很大的便利，減輕了學習者的工作量，降低了入門臺階。STM32內(nèi)核可通過AHB總線、AHB/APB橋控制外設，也可以通過DMA模塊，直接操作或讀取外設。4.2STM32F40x系列芯片的時鐘系統(tǒng)時鐘電路主要給CortexM3內(nèi)核及外設提供時鐘信號，時鐘信號對ARM就像心跳對人一樣重要。ARM內(nèi)部都是由許多諸如觸發(fā)器等構(gòu)成的時序邏輯電路組成的，只有通過時鐘才能驅(qū)動ARM一步步地工作。如果沒有時鐘信號，觸發(fā)器的狀態(tài)就不能改變，相應的電路就不能正常工作。另外，為了降低功耗，可以選擇性的打開需要使用的外設時鐘。4.2STM32F40x系列芯片的時鐘系統(tǒng)STM32F40x系列芯片的時鐘系統(tǒng)框圖見圖4-2，又稱時鐘樹。STM32F40x系列芯片的時鐘系統(tǒng)需要通過時鐘輸入、倍頻、分頻等實現(xiàn)對各部分的時鐘輸出。圖4-2STM32F407的時鐘樹

4.2STM32F40x系列芯片的時鐘系統(tǒng)STM32F40x有多個時鐘源，分別是高速外部時鐘（HighSpeedExternalClock，HSE）、低速外部時鐘（LowSpeedExternalClock，LSE）、高速內(nèi)部時鐘（HighSpeedInternalClock，HSI）、低速內(nèi)部時鐘（LowSpeedInternalClock，LSI）。HSE一般在4-26MHz之間，由外部晶體振蕩器提供，并經(jīng)鎖相環(huán)（PhaseLockedLoop，PLL）倍頻等處理后作為系統(tǒng)時鐘；LSE為也由外部晶體振蕩器提供，一般取32.768KHz，常用于實時時鐘(Real_TimeClock，RTC)；HSI為16MHz，上電默認啟動，精度不高；LSI約30KHz，精度不高，一般用于看門狗定時器等。對時鐘源信號處置有切換、配置、倍頻、分頻等程序設計內(nèi)容。對系統(tǒng)時鐘的學習，學習者需要關(guān)注時鐘源、系統(tǒng)時鐘、相關(guān)外設時鐘等，這些通過軟件STM32CubeMX均可以輕松配置。4.3STM32標準庫、HAL庫、LL庫簡介嵌入式技術(shù)通過編寫程序來實現(xiàn)控制、測量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶康?。嵌入式技術(shù)表現(xiàn)出來均是對芯片引腳的讀寫，但是根本上來說，則在于對嵌入式芯片內(nèi)部寄存器的讀寫，即向寄存器寫入數(shù)據(jù)，或從寄存器讀出數(shù)據(jù)。編寫程序的過程，即是對寄存器的讀寫過程。有兩種方式可以實現(xiàn)對寄存器的操作，一是直接操作寄存器，一是通過庫函數(shù)操作寄存器。下面的程序是直接操作寄存器，讓PA0置1的例子。GPIOA->BSRR|=0x00000001;//直接操作寄存器，PA0置14.3STM32標準庫、HAL庫、LL庫簡介ST公司為開發(fā)者提供了非常方便的開發(fā)庫，主要有標準外設庫SPL(StandardPeripheralLibrary，SPL庫)、HAL庫（HardwareAbstractionLayer）、LL庫（LowLayer）三種。標準外設庫提供了很多的庫函數(shù)，使用時只需要進行庫函數(shù)的調(diào)用即可，程序的編寫、維護效率很高；HAL庫基于一個配置軟件STM32CubeMX，類似于圖形化編程，在配置方面非常直觀形象，使用簡單，程序的可讀性很強，尤其是適合于初學者。LL庫也可以通過STM32CubeMX產(chǎn)生，更加的小型化，更加的精簡，只是硬件的覆蓋率還不是很高。下面提供引腳控制的幾個例子，以體現(xiàn)幾種編程方式的差異：GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);//SPL庫，PA0置1HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_Pin_0,GPIO_PIN_SET)；//HAL庫，PA0置1LL_GPIO_SetOutputPin(GPIOA,GPIO_PIN_0);//LL庫，PA0置14.3STM32標準庫、HAL庫、LL庫簡介相對而言，標準外設庫開發(fā)最早，也較為成熟，因此本書的開發(fā)均采用標準庫。HAL庫具有輕便、易使用、可讀性強、硬件覆蓋率高等特點，有興趣的同學可以自己依據(jù)二維碼開發(fā)使用。圖4-3STM標準庫圖4-3顯示的是STM32標準庫的結(jié)構(gòu)，其中Libraries是最重要的一個目錄，該目錄包含了庫函數(shù)與啟動文件等，是標準庫的實體部分。Libraries文件夾下又有兩個子文件夾：CMSIS和STM32F10x_StdPeriph_Driver。CMSIS子目錄：CMSIS子目錄是STM32F10x的內(nèi)核庫目錄，核心子目錄為CM3，其余目錄可忽略。CM3下又有兩個子目錄：CoreSupport和DeviceSupportCoreSupport子目錄：內(nèi)有2個重要文件，一個是core_cm3.c（內(nèi)核通用源文件），另一個是core_cm3.h（內(nèi)核通用頭文件）。上述文件位于CMSIS核心層的核內(nèi)外設訪問層，由ARM公司提供，包含用于訪問內(nèi)核寄存器的名稱、地址定義等內(nèi)容。4.4STM32F407ZGT6的端口、引腳、外設STM32F407ZGT6有144個引腳，有PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG共7個完整的端口，這7個完整的端口共有16*7=112個獨立引腳。以PA端口為例，有PA0—PA15共16個引腳。打開STM32F407的文檔，可以看到引腳說明，如查找USART1關(guān)鍵詞，可以找到如圖4-4所示的引腳描述，即PA9可以是普通的引腳，也具有第二功能，即可以是USART1的發(fā)送引腳；PA9還有第三功能，可以是TIM1的脈沖編碼調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）信號輸出引腳之一。PA9還有其他的功能。

圖4-4STM32F407ZGT6的USART1引腳4.4STM32F407ZGT6的端口、引腳、外設其他的引腳也有類似的功能，即有第一、第二等功能。在不同功能間期切換，稱為引腳的復用，可通過編程實現(xiàn)。STM32F407的端口和引腳還有一個稱謂，即通用輸入輸出，英文縮寫為GPIO，因此，PA等同于GPIOA，PB等同于GPIOB，PA0等同于GPIOA.0，PC10等同于GPIOC.10，依次類推。STM32的所有GPIO引腳都可以配置成輸入或輸出模式。輸入模式又分為模擬輸入、浮空輸入、上拉輸入、下拉輸入；輸出模式又分為推挽輸出、開漏輸出、推挽式復用功能、開漏復用等。STM32F407ZGT6有6個串口，分別是USART1-3、USART6、UART4-5；STM32F407ZGT6有14個定時器，即TIM1-TIM14；STM32F407ZGT6有三個ADC，即ADC1-3，其他外設可查找資料去了解。4.5KeilMDK編程軟件介紹本書采用MDK集成開發(fā)工具，使用的版本是KEILMDK5.24(以下簡稱Keil)。Keil軟件可在Keil官網(wǎng)下載并安裝。安裝成功Keil后，還需要安裝STM的器件包，比如“Keil.STM32F1xx_DFP.1.1.0.pack”等。為了下載程序到開發(fā)板，需要安裝ST-LINK仿真器驅(qū)動，或者JTAG仿真驅(qū)動（JLink/JTrace）。如果要進行串行通訊，還需要安裝CH340或CP2102等串口驅(qū)動。安裝完成后，可以新建或打開一個現(xiàn)有的工程，如圖4-5。圖4-5工程界面4.5KeilMDK編程軟件介紹在工程的左邊是工程欄，右邊會顯示每個文件中的內(nèi)容，例如雙擊工程中的main.c文件，就會在右邊顯示這個文件的內(nèi)容，見圖4-5。點擊圖4-5左上角標記為①的編譯按鈕（Bulid），就會開始編譯，并在BuildOutput區(qū)顯示編譯結(jié)果，例如“……0Error(s),0Warning(s)”，表示0個錯誤和0個警告。如有錯誤，則需要排除掉錯誤后再下載程序。項目小結(jié)本項目介紹了STM公司的一款ARM芯片大類STM32F4