STM32单片机技术与应用项目教程 课件 项目一 认识STM32单片机系统

项目一

认识STM32单片机系统任务1.1认识STM32单片机任务1.2了解STM32F4单片机内部存储器结构任务1.3了解STM32F4单片机时钟树结构与功能任务1.4认识STM32F4单片机的最小系统电路项目一

认识STM32单片机系统任务1.1认识STM32单片机【知识目标】了解STM32单片机的结构功能。掌握STM32F407ZGT6单片机的内部基本结构与外部引脚的功能。【能力目标】能够清晰阐述单片机的发展脉络与趋势。会依据STM32单片机技术手册分析各部分电路结构与功能。能够熟练运用相关工具与软件完成STM32单片机程序下载的搭建与操作。【素质目标】培养系统学习能力。培养查阅设计资料的能力。培养分析问题的能力。1.单片机的介绍3.STM32F4单片机引脚2.STM32单片机的系列产品本节学习内容:4.STM32F4单片机电源引脚与功能5.STM32F4单片机复位电路结构6.STM32F4单片机时钟源7.STM32F4单片机AD转换外部参考电源8.STM32F4单片机启动模式设置引脚9.STM32F4单片机JLINK下载器模式设置10.STM32F4单片机IO端口单片机的介绍

单片微型计算机简称单片机，是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把计算机系统集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，包括具有数据处理能力的中央处理器CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等，并且通过内部的地址总线、数据总线、控制总线将各部分功能电路组合为一个整体。中央处理器CPU中断系统多种I/O定时/计数器只读存储器ROM随机存储器RAM内部总线内部中断外部中断输入/输出设备现代人类生活中所用的每件电子和机电产品中几乎都会集成有单片机。现代人类生活中所用的每件电子和机械产品中几乎都会集成有单片机。单片机早期阶段：主要用于简单的计算和控制任务，都是4位或8位的，主要有Intel4004、Intel8008和MCS-48系列。单片机微型计算机（SingleChipMicrocomputer）

发展阶段：主要的技术发展方向是不断扩展满足嵌入式应用要求的各种外围电路与接口电路，凸显其智能化控制能力，它所涉及的领域与使用行业相关。主要有MCS-51系列、STM32系列。微控制器（MicroControllerUnit）最新阶段：通过将应用系统的最大化解决方案集成到单个芯片上来提高系统的效率和可靠性。SOC不仅包含了MCU的所有功能，还进一步集成了更多的系统资源，如USB、ETH等，适用于高性能、高集成的应用场景‌。片上系统（SystemonChip）SCMMCUSOC国产32位单片机1.

‌兆易创新GD32系列‌：兆易创新在32位通用MCU市场上排名第一，其GD32系列单片机基于RISC-V内核，是全球首个32位通用单片机。该系列单片机在性能和功耗上表现出色，适用于各种嵌入式应用。2.‌灵动微MM32系列‌：灵动微电子的MM32系列单片机基于ARMCortex-M0及Cortex-M3内核，包括针对通用高性能市场的MM32F系列、针对超低功耗及安全应用的MM32L系列等。这些单片机具有丰富的外设资源和良好的性能，适用于多种应用场景。3.‌华大HC32系列‌：华大的HC32系列单片机针对高端智能硬件、数字电源、高性能变频器等行业应用而设计。该系列单片机基于ARMCortex-M4内核，具有高性能、低功耗和丰富的外设资源等特点。4.‌南京沁恒CH32系列‌：南京沁恒的CH32系列单片机以RISC-V3A处理器为核心，具有强大的功能和显著的性价比优势。该系列单片机适用于各种需要高性能和低功耗的嵌入式应用。5.‌华芯微特SWM32系列‌：华芯微特的SWM32系列单片机基于ARM公司CortexTM-M4内核，具有高性能、低功耗、代码密度大等突出特点。这些单片机适用于工业控制、白色家电、电机驱动等诸多应用领域。6.‌雅特力AT32系列‌：雅特力的AT32系列单片机也是一款优秀的国产32位单片机，具有广泛的应用领域和良好的市场口碑。国内高职第一颗国产32位MCU芯片“苏信一号”“苏信一号”是江苏信息职业技术学院微电子学院居水荣教授、丁晟博士率领的师生联合研发团队，与龙芯中科技术股份有限公司联合研制的基于开源龙芯架构32位MCU处理器芯片，围绕车载多传感互联控制应用背景，基于开源龙指令架构（LoongArch）研发，是一块嵌入式低功耗高性能系统级芯片，全面支持龙芯loongarch32位精简版指令集，具备自主可控的指令系统。：该芯片的成功流片标志着我国高职院校在高端芯片自主研发领域迈出了历史性的一步，对于推动我国集成电路产业的发展，尤其是车用芯片领域的发展具有重要意义。

STM32单片机于2007年由意法半导体公司推出32位微控制器，采用高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARMCortex®-M0、M0+、M3、M4和M7内核。意法半导体公司早期推出的驱动库，开发人员可通过调用驱动库中的API函数开发STM32单片机程序。传统单片机程序的开发方式，直接与硬件相关，程序编写直接面对底层的部件、寄存器和引脚。MCS-51单片机即采用这种开发方式，但由于STM32单片机系统架构过于复杂，学习难度太大，因此它始终没有成为主流的STM32单片机程序开发方式。STD库寄存器继STD库之后由意法半导体公司推出的新型驱动库，支持全系列STM32单片机产品，也被直接嵌入了意法半导体公司推出的STM32CubeIDE软件中，用户可直接使用该软件进行图形化配置生成初始化代码，再完成STM32单片机程序其他代码的编写，开发效率得到了极大提高。HAL/LL库STM32开发方式STM32单片机的系列产品1.STM32单片机家族图谱图1-1STM32单片机家族图谱2.STM32F40x/41x

系列单片机内部资源图1-2STM32F40x/41x系列单片机内部资源3.STM328大系列

产品资源图1-3STM328大系列产品资源

STM32单片机命名规则以STM32F407ZGT6为例：STM32：其中ST(意法半导体)表示的是一个公司的名字，没有什么特别的含义；M表示的是微控制器；32表示的是这个微控制器是32位的。F407：F4表示的是STM32使用的M4内核(所谓的M4内核指的是Cortex-M4，这对应的内核其实是表示的是采用了对应的一种架构)，但并不是说明F1就是用Cortex-M1，F1是采用Cortex-M3内核架构,407代表这个是高性能。Z：Z这一项代表引脚数，其中T代表36脚，C代表48脚，R代表64脚，V代表100脚，Z代表144脚，I代表引脚个数为176。G：G这一项代表内嵌Flash容量，其中6代表32K字节Flash，8代表64K字节Flash，B代表128K字节Flash，C代表256K字节Flash，D代表384K字节Flash，E代表512K字节Flash，G代表1M字节Flash。T：T这一项代表封装，其中H代表BGA封装，T代表LQFP封装，U代表VFQFPN封装。6：6这一项代表工作温度范围，其中6代表-40--85°℃，7代表-40--105℃℃。STM32F4单片机引脚CPU最高频率为168MHz;内部1024KFLASH存储器，192K的RAM;供电电压最高3.6V，最低1.8V；12个16位定时器，2个32位定时器，2个16位电机控制PWM同步定时器；3个12位的ADC，24个ADC输入通道；2个12位DAC电路;3个SPI通信接口,2个I2S通信接口,3个I2C通信接口;4个USART通信接口和2个UART通信接口;2个CAN通信接口,1个SDIO通信接口,1个静态储存器FSMC通信接口，1个USB2.0协议的全速USBOTG_FS，1个符合USB2.0协议的高速USBOTG_HS接口,1个最高工作频率可达100MHz的工业以太网ETHERNET接口，1个DCMI数字摄像头接口;一个随机数发生器（RNG）;图1-4STM32F407ZGT6单片机引脚排布STM32F407ZGT6单片机封装形式为LQFP144，共144的引脚，按逆时针排列，各种功能引脚与内部的硬件电路结构相关。STM32F4单片机引脚STM32F4单片机电源引脚与功能电源的供电电压为1.8V-3.6V之间，通常采用3.3V电源进行供电，内部的线性数字电压调节器输出1.2V数字电源供内部使用。引脚名功能VDD数字电源正极引脚VSS数字电源负极引脚VDDA模拟电源正极引脚VSSA模拟电源负极引脚VBAT电池正极输入端Vcap_1、Vcap_2引脚连接滤波电容，从而实现电源的稳压作用。STM32F4单片机复位电路结构STM32单片机的复位方式有系统复位、上电复位、备份区复位。图1-5复位电路内部结构系统复位包括：外部复位WWDG(窗口看门狗)复位IWDG（独立看门狗）复位软件复位低功耗管理复位时钟源内部时钟源外部时钟源内部低速时钟源LSI——32KHz内部高速时钟源HSI——16MHz外部高速时钟信号HSE——OSC_IN（PH0）、OSC_OUT(PH1)外部低速时钟信号LSE——OSC32_IN(PC14)、OSC32_OUT(PC15)STM32F4单片机时钟源STM32F4单片机AD转换外部参考电源AD转换的参考电压可以选择外部参考电源：外部参考电源的正极输入引脚为VREF+，电压值范围为VDDA~1.8V（VDDA的最大值为3.6V）。外部参考电源的负极输入引脚为VREF-（VSSA）。表1-1STM32F407系列单片机启动模式启动引脚选择启动模式说明BOOT1引脚BOOT0引脚X0MainFlashMemory从主闪存启动01SystemMemory从系统存储器启动11EmbeddedSRAM从内部静态随机存储器启动STM32F4单片机启动模式设置引脚从主闪存启动的情况较多，即从用户编写的程序处启动。从系统存储器启动一般用于使用串口下载用户编写的程序，上电复位后进入ST半导体公司预置的启动加载程序(BootLoader)并执行程序功能。STM32F4单片机JLINK下载器模式设置图1-6JLINK仿真器JLINK采用JTAG接口；JLINK下载调试有两种方式可供选择：JTAG模式SWD模式STM32F4单片机JLINK下载器模式设置1．JTAG模式图1-710针JTAG端口图1-814针JTAG端口图1-920针JTAG端口STM32F4单片机JLINK下载器模式设置1．JTAG模式尽管引脚数和引脚的排列顺序不同，但是其中有一些引脚的功能完全相同。不同的公司会自己定义专属JTAG端口，来下载或调试程序。序号引脚名说明1TMS测试模式选择信号，输入信号，必选信号,连接到STM32F407ZGT6单片机的PA13(JTMS/SWDIO)2TCK测试时钟信号,输入信号，必选信号,连接到STM32F407ZGT6单片机的PA15(JTCK/SWCLK)3TDI测试数据输入信号，输入信号，必选信号。，连接到STM32F407ZGT6单片机的PA14(JTDI)4TDO测试数据输出信号，输出信号，必选信号,连接到STM32F407ZGT6单片机的PB3(JTDO/TRACESWO)5TRST内部TAP控制器复位信号，输入信号，低电平有效，可选信号,连接到STM32F407ZGT6单片机的PB4(JTRST)6RTCK时钟返回信号，输出信号，可选信号，不使用可以接地7SRST系统复位信号，输入信号，通常与目标电路板复位信号相连，低电平有效,连接到STM32F407ZGT6单片机的NRST引脚8VREF检测目标板上的电源电压，确定JTAG端口使用的逻辑电平，判断目标板上的电源电压是3.3V还是5V表1-2JTAG接口引脚STM32F4单片机JLINK下载器模式设置2．SWD模式图1-1020针SWD端口采用SWD模式JLink只需要SWDIO、SWCLK、GND三根线即可与目标板实现通讯，可以实现程序的下载、单步调试等功能，但不能检测目标板电压、不能给目标板供电、通讯速度下降，其他功能与完整版JLink的功能相同。图1-1110针SWD端口STM32F4单片机JLINK下载器模式设置2．SWD模式序号引脚名说明1VCC连接目标板电源电压2SWDIO串口模式的数据输入输出端口，连接到STM32F407ZGT6单片机的PA13(JTMS/SWDIO)3SWCLK串口模式的时钟线,连接到STM32F407ZGT6单片机的PA14(JTCK/SWCLK)4SWO串口模式跟踪输出端口,连接到STM32F407ZGT6单片机的PB3(JTDO/TRACESWO)5RESET连接目标板复位引脚，对应到STM32单片机的NRST输入引脚6GND连接到目标板接地表1-3SWD接口引脚STM32F4单片机I/O端口STM32F407ZGT6单片机的I/O端口包括PA(PA0~PA15)、PB(PB0~PB15)、PC(PC0~PC15)、PD(PD0~PD15)、PE(PE0~PE15)、PF(PF0~PF15)、PG(PG0~PG15)、PH(PH0、PH1)。I/O端口可以复用作为其它功能端口使用，如当使用内部串口功能USART1时，通过设置内部寄存器参数，可将PA9、PA10引脚复用为USART1的串口输入和输出引脚使用，而不再作为通用I/O口使用。可以根据需要将对应的功能重定位到其他相映的引脚上，如将USART1的串口输入和输出引脚通过设置映射到PB6、PB7引脚，具体的设置方法可以查阅数据手册和器件手册。本节总结1.单片机的介绍3.STM32F4单片机引脚2.STM32单片机的系列产品4.STM32F4单片机电源引脚与功能5.STM32F4单片机复位电路结构6.STM32F4单片机时钟源7.STM32F4单片机AD转换外部参考电源8.STM32F4单片机启动模式设置引脚9.STM32F4单片机JLINK下载器模式设置10.STM32F4单片机IO端口任务1.2STM32F4单片机内部存储器结构【知识目标】理解STM32单片机的存储器空间结构。【能力目标】能准确指出程序代码在Flash中的存储地址范围、数据在SRAM中的地址范围。【素质目标】培训系统学习能力。查阅设计资料的能力。培养分析问题的能力。1.STM32F4单片机的FlashROM结构3.STM32F4单片机的Peripherals结构2.STM32F4单片机的SRAM结构本节学习内容:Cortex-M4的存储器结构采用统一编址方式，并采用32位寻址，寻址范围为0x00000000~0xFFFFFFFF，共4GB寻址空间。4GB寻址空间被分为Block0~Block7，共8个模块，每个存储空间为512MB。STM32F4单片机的FlashROM结构只读存储器

(FlashReadOnlyMemory,FlashROM)位于BLOCK0区域，地址范围为0x00000000~0x1FFFFFFF。STM32F407ZGT6单片机的用户Flash

存储器的容量为1MB，地址范围为0x08000000~0x080FFFFF。Flash存储器用于存放用户编写的程序。STM32F4单片机的SRAM结构静态随机存储器（StaticRandomAccessMemory,SRAM）位于BLOCK1中，地址范围为0x20000000~0x3FFFFFFF。STM32F407ZGT6单片机中给用户使用的SRAM的存储器空间为192K，范围为0x20000000~0x2002FFFF。SRAM也称为数据存储器，一般用于存放单片机运行过程中产生的临时变量，不具备断电保持功能。STM32F4单片机的Peripherals结构片上外设映射地址(Peripherals)位于BLOCK2中，地址范围为0x40000000~0x5FFFFFFF。Peripherals的作用是作为片上外设的接口，单片机程序通过访问Peripherals实现间接控制对应的片内外设。STM32F4单片机内部存储器结构总结：STM32F4单片机的FlashROM结构位于BLOCK0区域，用户使用的地址范围为0x08000000~0x080FFFFF。3.STM32F4单片机的Peripherals结构位于BLOCK2中，地址范围为0x40000000~0x5FFFFFFF。2.STM32F4单片机的SRAM结构位于BLOCK1中，用户使用的地址范围为0x20000000~0x2002FFFF。任务1.3了解STM32F4单片机时钟树结构与功能【知识目标】理解STM32单片机的内部时钟树结构。【能力目标】能够根据项目的具体需求准确设置各个时钟源、倍频系数、分频系数。【素质目标】培训系统学习能力。培训查阅设计资料的能力。培养分析问题的能力。STM32F4单片机时钟树结构与功能①①内部高速时钟源HSI由RC震荡电路产生，频率为16MHz。②②外部高速时钟源HSE外接晶振频率范围为4~26MHz常用的外部HSE时钟频率为8MHz。③③锁相环PLL时钟锁相环倍频输出，其时钟输入源可选择HSI或HSE。通过配置PLL参数调整PLL输出值，可以获得168MHz时钟信号。④④外部低速时钟LSE典型频率为32.768KHz。⑤内部低速时钟LSI由RC震荡电路产生，频率为32KHz。