嵌入式系统原理与应用 课件 第5章 STM32F103微控制器2

嵌入式系统设计西安邮电大学计算机学院王忠民2025/11/28本章承前启后，在前四章介绍了ARM公司推出的CortexM3内核体系结构、指令系统以及程序设计技术之后，从本章开始介绍意法半导体公司基于ARMCortexM核推出的STM32系列微控制器。STM32系列微控制器具有多种型号，适用于各种不同的应用需求。STM32F103系列微控制器是STM32系列中的一个重要分支，它采用了ARMCortexM3内核，运行频率可达到72MHz，是目前使用较多的一款经典STM32微控制器系列，本书后续部分将围绕该系列微控制器进行介绍。本章首先对基于CortexM3内核的STM32系列微控制器做总体概述，然后从系统架构、存储器结构、中断系统、时钟系统、引脚定义以及启动配置等多个方面进行详述，并在此基础上构建一个基于STM32F103的最小系统。本章是后续各章学习的基础，也是基于STM32F103微控制器的嵌入式应用开发的起点。尽管STM32微控制器有很多系列，但STM32各个系列微控制器的开发非常相似，在掌握了STM32F103后，读者能够触类旁通，举一反三，很快便能将应用移植到STM32其他系列的微控制器上。第5章STM32F103微控制器2025/11/28本章学习目的

了解STM32系列微控制器的分类，熟悉STM32F103小容量产品、中容量产品和大容量产品各自的特点。掌握STM32F103微控制器芯片的系统组成、存储器结构、中断系统、时钟系统、引脚以及启动过程等。熟悉STM32F103最小系统的各部分的组成，学会构建STM32F103微控制器的最小系统，重点掌握最小系统的电源管理、时钟树结构及应用等。第5章STM32F103微控制器---学习目的2025/11/28第5章STM32F103微控制器（1）5.1STM32系列微控制器概述

5.1.1STM32系列微控制器 5.1.2STM32F103系列微控制器 5.2STM32F103微控制器组成

5.2.1系统架构 5.2.2存储结构 5.2.3中断系统 第5章STM32F103微控制器（2）5.2.4时钟系统 5.2.5引脚定义 5.2.6启动配置 5.3STM32F103微控制器最小系统 5.3.1电源电路 5.3.2时钟电路 5.3.3复位电路 5.3.4调试与下载电路 第5章STM32F103微控制器---学习内容2025/11/28目录第5章STM32F103微控制器第5章STM32F103微控制器（2）5.2.4时钟系统 5.2.5引脚定义 5.2.6启动配置 5.3STM32F103微控制器最小系统 5.3.1电源电路 5.3.2时钟电路 5.3.3复位电路 5.3.4调试与下载电路 3212025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器组成—时钟系统STM32F103微控制器主要有以下5种时钟源，其中三个用于生成系统时钟，另外两个用作片内的二级时钟。

用来产生系统时钟(SYSCLK)的三个时钟源为：

（1）HSE(HighSpeedExternal)；

（2）HSI(HighSpeedInternal)；

（3）PLL(PhaseLockedLoop)

另外还有两个二级时钟源：LSE(LowSpeedExternal)和LSI(LowSpeedInternal)

系统时钟源：

（1）HSE(HighSpeedExternal，高速外部时钟)：可外接一个外部时钟源，或者通过OSC_IN和OSC_OUT引脚外接晶振，允许外接的晶振频率范围为4~16MHz，通常使用8MHz。特点：精度高，稳定。

（1）（2）（3）（4）（5）STM32F103时钟树1232025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器组成—时钟系统STM32F103微控制器主要有以下5种时钟源，其中三个用于生成系统时钟，另外两个用作片内的二级时钟。

用来生成系统时钟(SYSCLK)的三个时钟源为：

（1）HSE(HighSpeedExternal)；

（2）HSI(HighSpeedInternal)；

（3）PLL(PhaseLockedLoop)

另外还有两个二级时钟源：LSE(LowSpeedExternal)和LSI(LowSpeedInternal)

系统时钟源：

（2）HSI(HighSpeedInternal，高速内部时钟)：由内部8MHz的RC振荡器生成，可作为系统时钟或经2分频后作为PLL输入。特点：时钟频率精度差，不稳定。（2）STM32F103时钟树111232025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器组成—时钟系统STM32F103微控制器主要有以下5种时钟源，其中三个用于生成系统时钟，另外两个用作片内的二级时钟。

用来驱动系统时钟(SYSCLK)的三个时钟源为：

（1）HSE(HighSpeedExternal)；

（2）HSI(HighSpeedInternal)；

（3）PLL(PhaseLockedLoop)

另外还有两个二级时钟源：LSE(LowSpeedExternal)和LSI(LowSpeedInternal)

系统时钟源：

（3）PLL(PhaseLockedLoop)时钟：锁相环，是一种反馈控制电路，用于外部输入时钟信号与内部振荡信号的同步(频率和相位相同)，以确保输出频率的稳定。另一方面，也可用于倍频HSI或HSE，其时钟输入源可选择为HSI/2、HSI或者HSE，倍频可选择为2~16倍，但其输出频率最大不得超过72MHz。（1）（2）（3）（4）（5）STM32F103时钟树123（3）2025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器组成—时钟系统STM32F103微控制器主要有以下5种时钟源，其中三个用于生成系统时钟，另外两个用作片内的二级时钟。

用来驱动系统时钟(SYSCLK)的三个时钟源为：

（1）HSE(HighSpeedExternal)；

（2）HSI(HighSpeedInternal)；

（3）PLL(PhaseLockedLoop)

另外还有两个二级时钟源：LSE(LowSpeedExternal)和LSI(LowSpeedInternal)

二级时钟源：

（4）LSE(LowSpeedExternal)低速外部时钟：通过OSC32_IN和OSC32_OUT引脚外接频率为32.768kHz的晶振，为RTC(实时时钟）提供低速高精度的时钟源。（1）（2）（3）（4）（5）STM32F103时钟树123（4）2025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器组成—时钟系统STM32F103微控制器主要有以下5种时钟源，其中三个用于生成系统时钟，另外两个用作片内的二级时钟。

用来驱动系统时钟(SYSCLK)的三个时钟源为：

（1）HSE(HighSpeedExternal)；

（2）HSI(HighSpeedInternal)；

（3）PLL(PhaseLockedLoop)

另外还有两个二级时钟源：LSE(LowSpeedExternal)和LSI(LowSpeedInternal)

二级时钟源：

（5）LSI(LowSpeedInternal)低速内部时钟：由内部RC振荡器产生，频率约40kHz。LSI时钟源在微控制器中担当一个低功耗时钟源的角色，能够在停机和待机模式下保持运行。它主要用于为独立看门狗和自动唤醒单元提供时钟信号，尤其适用于对功耗要求较高的应用场合。（1）（2）（3）（4）（5）STM32F103时钟树123（5）2025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器组成—时钟系统下面以左图所示的STM32F103时钟树，沿着（1）→（2）→（3）→（4）→（5）→（6）顺序，如何一步步产生用于驱动片内外设的系统时钟SYSCLK的。（1）OSC_IN和OSC_OUT：图中OSC_IN和OSC_OUT这两个引脚分别连接到8MHz外部晶振的两端，生成8MHz的高速外部时钟HSE。（2）PLLXTPRE：PLLXTPRE（HSEdividerforPLLentry）用于配置PLL的输入分频器。通过编程配置寄存器，可以选择PLLXTPRE的输出，实现对输入时钟的二分频或不分频。通常选择不分频，因此，经过PLLXTPRE后，输出仍然是8MHz的时钟信号。（3）PLLSRC：PLLSRC（PLLSourceSelection）用于选择PLL的输入源。PLLSRC允许用户选择将哪个时钟源作为PLL的输入。同样可以通过配置寄存器，选择PLLSRC的输出是高速外部时钟HSE或高速内部时钟HSI。通常，选择输出为高速外部时钟HSE。（4）PLL：8MHz的HSE经过PLL后，输出时钟称为PLLCLK，通过配置PLL寄存器，选择倍频系数PLLMUL(PLLmultiplicationfactor)，可以决定输出的PLLCLK时钟的频率。为了使STM32F103满频工作，通常将倍频系数设为9，于是，经过PLL后，原来8MHz的时钟HSE变成了72MHz的时钟PLLCLK。（5）SW：72MHz的PLLCLK送入多路选择器SW，接入多路选择器SW的除了72MHz的PLLCLK外，还有HSE和HSI，共三路时钟信号。通过配置寄存器，可以选择SW输出为PLLCLK、HSE或HSI。SW输出就是STM32F103的系统时钟SYSCLK，通常选择PLLCLK作为SW输出。因此，STM32F103的系统时钟SYSCLK为72MHz。系统时钟SYSCLK的产生过程2025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器组成—时钟系统（7）HCLK：高速总线AHB的时钟，由系统时钟SYSCLK经AHB预分频器后直接得到，通常，将入AHB预分频系数设置为1，HCLK即为72MHz。HCLK为CortexM3内核、存储器和DMA提供时钟信号。它是CortexM3内核的运行时钟，内核主频就是这个时钟信号，由此可见，通常情况下，STM32F103运行于最高频率72MHz。（9）PCLK1：外设时钟，由系统时钟SYSCLK经AHB预分频器，再经APB1预分频器后得到。通常情况下，将AHB的预分频系数设置为1，将APB1的预分频系数设置为2，PCLK1最大频率为36MH8。PCLK1为挂载在APB1总线上的外设提供时钟信号，如USART2，USART3，UART4，UART5，SPI2/I2S，SPI3/I2S，I2C1，I2C2，USB，RTC，CAN，DAC，PWR，BKP，IWDG，WWDG等。如需使用以上挂载在APB2总线上的外设，必须先开启APB2总线上该外设的时钟。（10）PCLK2：外设时钟，由系统时钟SYSCLK经AHB预分频器，再经APB2预分频器后得到，通常情况下，将AHB预分频系数和APB2的预分频系数都设置为1，PCLK2即为72MHz，它的最大频率也为72MHz。PCLK2为挂载在APB2总线上的外设提供时钟信号，如GPIOA，GPIOB，GPIOC，GPIOD，GPIOE，GPIOF，GPIOG，USART1，SPI1，TIM1，TIM8，EXTI，AFIO等，同样，如需使用以上挂载在APB2总线上的外设，则必须先开启APB2总线上该外设的时钟。AHB、APB1和APB2的产生2025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器组成—时钟系统为什么STM32F103的时钟系统会显得如此复杂呢？因为有倍频、分频和一系列外设时钟的开关。首先，倍频是考虑到电磁兼容性，如果直接外接一个72MHz的晶振，过高的振荡频率会给制作电路板带来难度。其次，分频是因为STM32F103各个片上外设的工作频率不尽相同，既有高速外设又有低速外设，需要把高速外设和低速外设分开管理，如同PC中的北桥和南桥一样。最后，每个STM32F103外设都配备了时钟开关，当使用某个外设时，一定要先打开该外设的时钟。而当不使用某个外设时，可以把这个外设时钟关闭，从而降低STM32的整体功耗。2025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器组成—时钟系统STM32F103的时钟系统的设置：

上述这些时钟通过RCC（ResetandClockControl）复位与时钟控制模块进行配置和控制。RCC是STM32内部的一个重要外设，负责管理各种时钟源和时钟分频，以及为各个外设提供时钟使能。嵌入式系统开发人员可以通过RCC模块中的寄存器或者库函数来配置系统时钟和总线时钟，以满足不同外设对时钟频率的需求。复位与时钟控制模块的相关寄存器被映射到地址空间0x40021000-0x400213FF，有关寄存器功能及相关位定义的更详细信息请查阅芯片参考手册STM32F103xx

Referencemanual(RM0008)。2025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器组成—时钟系统文心大模型的回答2025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器组成—时钟系统文心大模型的回答目录第5章STM32F103微控制器第5章STM32F103微控制器（2）5.2.4时钟系统 5.2.5引脚定义 5.2.6启动配置 5.3STM32F103微控制器最小系统 5.3.1电源电路 5.3.2时钟电路 5.3.3复位电路 5.3.4调试与下载电路 2025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器组成—引脚定义STM32微控制器芯片的名称可以看出其引脚个数和封装形式，以STM32F103RCT6为例，其中RCT6中R代表引脚个数，T代表封装形式。引脚个数通常有T(36pin)、C(48pin)、R(64pin)、V(100pin)，Z(144pin)和I(176pin)等。STM32F103RCT6芯片的引脚个数为64。

封装方式通常有T(LQFP，Low-profileQuadFlatPackage，薄型四侧引脚扁平封装)、H(BGA，BallGridArray，球栅阵列封装)、U(VFQFPN，VerythinFinepitchQuadFlatPackNo-leadpackage，超薄细间距四方扁平无铅封装)、Y(WLCSP，WaferLevelChipScalePackaging，晶圆片级芯片规模封装)等。STM32F103RCT6采用的是T(LQFP，Low-profileQuadFlatPackage）薄型四侧引脚扁平封装。图示为一个64引脚，采用薄型四角扁平封装(Low-profileQuadFlatPackage,LQFP)的STM32微控制器的引脚图，有关引脚的具体定义，请参考相关芯片的数据手册。STM32F103RCT6系列微控制器LQFP64封装的引脚图目录第5章STM32F103微控制器第5章STM32F103微控制器（2）5.2.4时钟系统 5.2.5引脚定义 5.2.6启动配置 5.3STM32F103微控制器最小系统 5.3.1电源电路 5.3.2时钟电路 5.3.3复位电路 5.3.4调试与下载电路 2025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器组成—启动配置

在STM32F10xxx系列微控制器中，通过BOOT[1:0]引脚可以设置三种不同的启动模式。BOOT0和BOOT1两个引脚的电平状态决定了微控制器在复位后的启动模式。有三种启动模式：1.主闪存存储器启动模式；系统存储器启动模式；内置SRAM启动模式。1.主闪存存储器启动模式（BOOT1=X，BOOT0=0）主闪存存储器是芯片内置的Flash，用户程序通常存放在其中。这是STM32F10xxx系列微控制器的正常工作模式。在大多数情况下，开发者会选择从主闪存存储器启动，因为这是一种可靠且常用的方式，适用于大多数应用场景。在系统复位后，SYSCLK的第四个上升沿，Boot引脚的值将被锁存。微控制器将主闪存存储器映射到启动空间（0x00000000），但主闪存存储器仍然可以在其原有的地址（0x08000000）上进行访问。系统启动后，CPU从地址0x00000000获取堆栈的地址，并从启动存储器的0x00000004指示的地址开始执行代码。2025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器组成—启动配置2.系统存储器启动模式（BOOT1=0，BOOT0=1）系统存储器是芯片内部一块特定的区域，出厂时预置了一段Bootloader程序（ISP程序）。这个区域是ROM区，出厂后无法擦写或修改。从系统存储器启动通常用于ISP（In-SystemProgramming，在系统编程）或IAP（In-ApplicationProgramming，在应用编程）等场景，这些场景需要在不拆卸微控制器的情况下，对Flash进行编程或更新。与从主闪存存储器启动类似，但系统存储器会被映射到启动空间（0x00000000）。在系统启动后，CPU从系统存储器的特定地址开始执行Bootloader程序，该程序用于对Flash进行编程或更新。3.内置SRAM启动模式（BOOT1=1，BOOT0=1）内置SRAM是微控制器的内存区域，其访问速度通常比Flash快。

从内置SRAM启动主要用于调试目的，因为它允许开发者在不需要等待Flash访问的情况下，快速运行和测试代码。在这种模式下，代码直接在SRAM中运行，因此需要在应用程序的初始化代码中，使用NVIC（NestedVectoredInterruptController，嵌套向量中断控制器）的异常表和偏移寄存器，将向量表重新映射到SRAM中。然后，CPU从SRAM的特定地址开始执行代码。目录第5章STM32F103微控制器第5章STM32F103微控制器（2）5.2.4时钟系统 5.2.5引脚定义 5.2.6启动配置 5.3STM32F103微控制器最小系统5.3.1电源电路

5.3.2时钟电路 5.3.3复位电路 5.3.4调试与下载电路 2025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器最小系统左图所示为基于STM32F103ZET6（144引脚，512KFlash大容量芯片）的最小系统与其它微控制器相比，STM32F103内部包含了RC振荡器和复位电路，因此，基于STM32F103的最小系统可以做得更小，只需为其提供电源和下载调试接口即可。但通常为了精确和可靠，仍然在STM32F103外部配置了晶振和复位电路。以STM32F103ZET6微控制器为例，图5.14给出一个基于STM32F103微控制器的最小系统。根据不同型号控制器引脚的对应关系，该参考设计可以裁减到不同封装的任意一款STM32芯片。最小系统中除了STM32F103ZET6微控制器外，最小系统还包括电源电路、复位电路、时钟电路、调试与下载电路、启动模式选择等。2025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器最小系统—电源电路STM32F103微控制器要求2.0~3.6V的操作电压(VDD)，并采用嵌入式的调压器提供内部1.8V的数字电源。当主电源VDD关闭时，实时时钟(RTC)和备用寄存器可以通过VBAT供电。供电系统由电源电路、滤波电容和其他辅助组件等构成。电源电路是STM32F103的供电系统核心部分，它负责将外部电源转换为微控制器所需的工作电压。在电源电路中，滤波电容用来平滑电源电压中的纹波和噪声，减少电压波动对微控制器工作的影响。除了电源电路和滤波电容外，供电系统还可能包括其他辅助组件，如保护电路、电源指示灯等。电源电路电路的具体设计请参阅相关的硬件设计手册。2025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器最小系统—时钟电路在STM32F103微控制器中，时钟电路是一个至关重要的部分，它负责为微控制器的各个部分提供精确和稳定的时钟信号。时钟电路的设计直接影响到微控制器的性能和功耗。对于STM32F103来说，尽管它内置了内部RC振荡器，可以为内部锁相环(PhaseLockedLoop,PLL)提供时钟，这样STM32F103依靠内部振荡器就可以在72MHz的满速状态下运行。但是，内部RC振荡器相比外部晶振来说不够准确也不够稳定，因此在条件允许的情况下，尽量使用外部主时钟源。外部主时钟源主要作为CortexM3内核和STM32外设的驱动时钟，一般称为高速外部时钟信号(HSE)。如图5.16所示，HSE外部系统时钟电路由外部晶振和负载电容组成。负载电容的值需根据选定的晶振进行调节，而且位置要尽可能近地靠近晶振的引脚，以减小输出失真和启动稳定时间。外部晶振的频率可以是4~16MHz，STM32F103通常选用8MHz的外部晶振。由于这种模式能产生非常精确且稳定的主时钟，因此它是STM32F103微控制器时钟电路的首选。采用外部晶振的STM32F103时钟电路2025/11/28第5章STM32F103微控制器--STM32F103微控制器最小系统—复位电路图5.17STM32F103复位电路1.NRST引脚上出现低电平(外部复位)：当NRST管脚上的电平为低时，会触发系统复位。这通常是通过一个外部复位按键实现的。当按下这个按钮时，NRST引脚会与GND导通，即变为低电平，从而触发系统复位。而在不按按钮的时候，NRST引脚是通过一个上拉电阻保持高电平的。

2.看门狗计数终止复位：STM32F103中的看门狗分为独立看门狗（IWDG）和窗口看门狗（WWDG）。当看门狗计数终止时，会触发系统复位。其中，窗口看门狗对于喂狗时间的要求更高，只有在特定的时间窗口内喂狗才有效，否则会导致系统重启。