戰(zhàn)：選型、開發(fā)環(huán)境與外設(shè)配置全解析)
1. 為什么STM32F1至今仍是嵌入式入門的首選搞嵌入式這行十幾年帶過的新人少說也有幾十個(gè)。每次有人問我“想學(xué)單片機(jī)從哪塊板子開始”我基本都會(huì)先問一句你是想快速做出東西還是想徹底搞懂底層。如果答案是前者我通常直接推薦STM32F1系列。原因很簡(jiǎn)單這顆芯片的資料密度、社區(qū)沉淀和成本控制在入門級(jí)32位MCU里幾乎沒有對(duì)手。STM32F1是意法半導(dǎo)體基于ARM Cortex-M3內(nèi)核推出的經(jīng)典產(chǎn)品線最早一批型號(hào)在2007年前后問世。它把當(dāng)時(shí)動(dòng)輒幾十塊錢的32位單片機(jī)價(jià)格拉到了十元級(jí)別同時(shí)保留了豐富的外設(shè)多路USART、SPI、I2C、ADC、定時(shí)器、CAN還有DMA控制器。對(duì)于剛接觸32位開發(fā)的人來(lái)說這些外設(shè)足夠覆蓋絕大多數(shù)練手項(xiàng)目又不會(huì)像高端系列那樣寄存器復(fù)雜到讓人勸退。我見過太多人一上來(lái)就買最高配的開發(fā)板結(jié)果光看參考手冊(cè)就放棄了。STM32F1的好處在于它的參考手冊(cè)雖然也有一千多頁(yè)但社區(qū)里針對(duì)它的教程、例程、踩坑記錄是最全的。你遇到的90%問題網(wǎng)上都有人問過并且給出了答案。這種“被驗(yàn)證過的學(xué)習(xí)路徑”對(duì)新手極其重要。這篇文章主要面向三類人第一類是電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生正在做課程設(shè)計(jì)或準(zhǔn)備電賽第二類是轉(zhuǎn)行做嵌入式開發(fā)的工程師需要快速上手一顆能實(shí)際干活的芯片第三類是老手想找一顆便宜穩(wěn)定的芯片做小批量產(chǎn)品。我會(huì)從選型、工具鏈、外設(shè)配置、調(diào)試技巧幾個(gè)維度把STM32F1的開發(fā)流程完整拆一遍中間穿插我這些年踩過的坑和總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)。2. STM32F1系列選型與核心架構(gòu)拆解2.1 型號(hào)命名規(guī)則與常見型號(hào)對(duì)比STM32F1的型號(hào)命名有一套固定邏輯看懂之后選型會(huì)快很多。以“STM32F103C8T6”為例STM32代表產(chǎn)品家族F代表基礎(chǔ)型103是子系列C表示引腳數(shù)48腳8表示Flash容量64KBT表示封裝LQFP6表示溫度范圍-40到85度。這套規(guī)則適用于整個(gè)F1系列記住之后基本不會(huì)買錯(cuò)。下面這張表是我整理的最常用幾款型號(hào)對(duì)比都是市場(chǎng)上貨源穩(wěn)定、價(jià)格透明的選擇型號(hào)引腳數(shù)FlashRAM主頻典型用途STM32F103C8T64864KB20KB72MHz入門學(xué)習(xí)、小項(xiàng)目STM32F103RCT664256KB48KB72MHz中等復(fù)雜度產(chǎn)品STM32F103VET6100512KB64KB72MHz多外設(shè)、帶LCDSTM32F103ZET6144512KB64KB72MHz開發(fā)板常用STM32F101C8T64864KB10KB36MHz低成本低功耗選型時(shí)最容易糾結(jié)的是Flash和RAM夠不夠。我的經(jīng)驗(yàn)是用標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)開發(fā)時(shí)一個(gè)帶串口、定時(shí)器、ADC的完整工程大約占用15到25KB FlashRAM占用在5KB以內(nèi)。如果你用HAL庫(kù)代碼體積會(huì)膨脹30%到50%。所以C8T6的64KB Flash對(duì)大多數(shù)練手項(xiàng)目是夠的但如果你要移植文件系統(tǒng)、GUI或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧直接上RCT6或VET6更穩(wěn)妥。注意市面上有一些翻新或打磨過的F1芯片價(jià)格明顯低于市場(chǎng)均價(jià)。買的時(shí)候盡量選正規(guī)渠道尤其是做產(chǎn)品時(shí)。翻新片在高溫或高負(fù)載下容易出現(xiàn)隨機(jī)死機(jī)排查起來(lái)非常痛苦。2.2 Cortex-M3內(nèi)核與總線結(jié)構(gòu)STM32F1用的是ARM Cortex-M3內(nèi)核哈佛架構(gòu)三級(jí)流水線。主頻最高72MHz這個(gè)數(shù)字在現(xiàn)在看不算高但配合它的總線矩陣實(shí)際吞吐能力比很多同頻8位機(jī)強(qiáng)一個(gè)數(shù)量級(jí)。內(nèi)核通過ICode總線取指令DCode總線取數(shù)據(jù)系統(tǒng)總線連接外設(shè)三條總線并行工作減少了取指和取數(shù)據(jù)的沖突。理解總線結(jié)構(gòu)對(duì)寫高效代碼有幫助。比如你把頻繁訪問的變量放在SRAM里把常量表放在Flash里內(nèi)核可以同時(shí)從兩條總線取數(shù)據(jù)速度會(huì)快一些。另外F1的Flash訪問需要等待周期72MHz下需要插入2個(gè)等待周期。如果你在中斷里執(zhí)行Flash中的代碼而同時(shí)有DMA在訪問Flash可能會(huì)出現(xiàn)總線仲裁延遲。這個(gè)細(xì)節(jié)在高速ADC采樣加DMA傳輸?shù)膱?chǎng)景下要特別注意。2.3 時(shí)鐘樹與啟動(dòng)流程F1的時(shí)鐘樹是很多新手第一個(gè)卡住的地方。簡(jiǎn)單說芯片上電后默認(rèn)使用內(nèi)部8MHz RC振蕩器HSI經(jīng)過分頻后給系統(tǒng)時(shí)鐘。你要跑到72MHz需要配置外部晶振HSE然后經(jīng)過PLL倍頻。典型配置是HSE 8MHz預(yù)分頻1PLL倍頻9得到72MHz系統(tǒng)時(shí)鐘。AHB不分頻APB1分頻2得到36MHzAPB2不分頻得到72MHz。這里有個(gè)坑APB1上的外設(shè)最高只能跑36MHzAPB2上的可以跑72MHz。如果你把掛在APB1的定時(shí)器配置成72MHz計(jì)數(shù)實(shí)際頻率會(huì)不對(duì)。我見過有人調(diào)PWM時(shí)發(fā)現(xiàn)頻率差一倍查了半天才發(fā)現(xiàn)是總線頻率搞錯(cuò)了。啟動(dòng)流程方面F1上電后從0x00000000地址取棧頂指針從0x00000004取復(fù)位向量。實(shí)際映射的是Flash起始地址0x08000000。如果你用Bootloader方案需要修改中斷向量表偏移這個(gè)后面會(huì)細(xì)說。3. 開發(fā)環(huán)境搭建與工具鏈選擇3.1 IDE與編譯器方案對(duì)比STM32F1的開發(fā)環(huán)境選擇很多我按使用場(chǎng)景分三類來(lái)說。第一類是Keil MDK。這是國(guó)內(nèi)最流行的方案優(yōu)點(diǎn)是上手快、調(diào)試方便、教程多。缺點(diǎn)是正版授權(quán)費(fèi)用不低而且Keil的編輯器體驗(yàn)一般。如果你只是學(xué)習(xí)用評(píng)估版也夠但要注意32KB代碼限制。很多F1的工程編譯出來(lái)會(huì)超過這個(gè)限制尤其是帶HAL庫(kù)的。第二類是STM32CubeIDE。這是官方推出的免費(fèi)方案基于Eclipse集成了CubeMX配置工具。優(yōu)點(diǎn)是免費(fèi)、跨平臺(tái)、官方支持好。缺點(diǎn)是Eclipse系IDE對(duì)電腦配置要求高啟動(dòng)慢偶爾會(huì)有索引卡頓。我個(gè)人的做法是用CubeMX生成初始化代碼然后用Makefile加VSCode來(lái)寫和編譯這樣既輕量又靈活。第三類是平臺(tái)IO加VSCode。這是近幾年越來(lái)越流行的方案用platformio.ini管理依賴和編譯選項(xiàng)跨平臺(tái)體驗(yàn)很好。缺點(diǎn)是調(diào)試配置需要手動(dòng)寫對(duì)新手有一定門檻。方案費(fèi)用上手難度調(diào)試體驗(yàn)適合人群Keil MDK收費(fèi)低好學(xué)生、企業(yè)STM32CubeIDE免費(fèi)中好個(gè)人、跨平臺(tái)VSCodePlatformIO免費(fèi)中高中有經(jīng)驗(yàn)開發(fā)者M(jìn)akefileGCC免費(fèi)高需配置喜歡折騰的人3.2 標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)、HAL庫(kù)與LL庫(kù)的取舍F1系列支持三種庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)SPL、HAL庫(kù)、LL庫(kù)。標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)是早期官方推出的代碼直接操作寄存器效率高但ST已經(jīng)停止維護(hù)。HAL庫(kù)是現(xiàn)在主推的抽象層次高跨系列移植方便但代碼體積大、執(zhí)行效率略低。LL庫(kù)是底層庫(kù)介于寄存器和HAL之間效率接近SPL但覆蓋的外設(shè)不如HAL全。我的建議是如果你只是做F1的項(xiàng)目不打算換芯片用標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)最省資源。如果你以后可能換到F4、F7或者G0系列直接用HAL庫(kù)雖然前期學(xué)習(xí)曲線陡一點(diǎn)但長(zhǎng)期看省事。LL庫(kù)適合對(duì)性能有要求又不想直接寫寄存器的場(chǎng)景比如高頻PWM或者高速ADC采樣。實(shí)操心得HAL庫(kù)的HAL_Delay()函數(shù)依賴SysTick中斷如果你在中斷服務(wù)函數(shù)里調(diào)用它會(huì)導(dǎo)致死鎖。正確做法是在中斷里用簡(jiǎn)單的循環(huán)延時(shí)或者自己維護(hù)一個(gè)毫秒計(jì)數(shù)器。3.3 燒錄與調(diào)試工具燒錄工具主要分兩類ST-Link和串口ISP。ST-Link是官方調(diào)試器支持SWD接口可以在線調(diào)試、單步、看變量。山寨版ST-Link價(jià)格在十幾塊錢功能基本夠用但固件升級(jí)時(shí)可能遇到問題。串口ISP只需要一個(gè)USB轉(zhuǎn)TTL模塊通過BOOT0和BOOT1引腳進(jìn)入系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)模式用官方Flash Loader工具燒錄。這種方式便宜但不能在線調(diào)試。調(diào)試接口我強(qiáng)烈建議用SWD而不是JTAG。SWD只需要兩根線SWCLK和SWDIO占用引腳少速度也夠。F1的SWD引腳是PA13和PA14如果你在代碼里把這兩個(gè)引腳配置成普通GPIO下次就燒不進(jìn)去了。這時(shí)候需要用串口ISP擦除或者把BOOT0拉高重新上電。4. 核心外設(shè)配置與實(shí)操要點(diǎn)4.1 GPIO配置的八種模式與常見誤區(qū)F1的GPIO有八種模式輸入浮空、輸入上拉、輸入下拉、模擬輸入、開漏輸出、推挽輸出、開漏復(fù)用、推挽復(fù)用。新手最容易搞混的是“復(fù)用”和“普通輸出”的區(qū)別。復(fù)用模式是給外設(shè)用的比如USART的TX引腳要配置成推挽復(fù)用SPI的SCK也是復(fù)用。如果你把USART的TX配置成普通推挽輸出雖然也能發(fā)數(shù)據(jù)但時(shí)序可能不標(biāo)準(zhǔn)。另一個(gè)常見誤區(qū)是輸出速度配置。F1的GPIO輸出速度有三個(gè)檔2MHz、10MHz、50MHz。速度越高功耗和EMI越大。我一般的原則是普通LED、繼電器控制用2MHzSPI、USART用10MHz或50MHz高速SPI或者外部總線用50MHz。不要無(wú)腦全設(shè)50MHz那樣EMI測(cè)試容易出問題。// 標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)配置PA5為推挽輸出50MHz GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_5; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure);注意F1的GPIO在復(fù)位后默認(rèn)是浮空輸入但JTAG引腳PA13、PA14、PA15、PB3、PB4默認(rèn)是復(fù)用功能。如果你要把它們當(dāng)普通GPIO用需要先關(guān)閉JTAG功能只保留SWD。這個(gè)操作在GPIO_PinRemapConfig()里做。4.2 USART串口通信的完整配置流程串口是調(diào)試和通信最常用的外設(shè)。F1的USART支持波特率范圍很寬常用9600到115200。配置步驟分四步使能時(shí)鐘、配置GPIO、配置USART參數(shù)、使能USART。// 以USART1為例PA9為TXPA10為RX RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // TX配置為復(fù)用推挽 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_9; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure); // RX配置為浮空輸入 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_10; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure); // USART參數(shù)配置 USART_InitStructure.USART_BaudRate 115200; USART_InitStructure.USART_WordLength USART_WordLength_8b; USART_InitStructure.USART_StopBits USART_StopBits_1; USART_InitStructure.USART_Parity USART_Parity_No; USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl USART_HardwareFlowControl_None; USART_InitStructure.USART_Mode USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; USART_Init(USART1, USART_InitStructure); USART_Cmd(USART1, ENABLE);波特率計(jì)算有個(gè)公式波特率 fCK / (16 * USARTDIV)。fCK是APB2時(shí)鐘72MHz要得到115200USARTDIV約等于39.0625。寄存器里整數(shù)部分是39小數(shù)部分是0.0625乘以16等于1。所以BRR寄存器的值是0x271。標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)會(huì)自動(dòng)算但你要知道這個(gè)原理遇到波特率偏差大的時(shí)候能自己排查。串口接收中斷是另一個(gè)重點(diǎn)。F1的USART支持接收非空中斷RXNE每收到一個(gè)字節(jié)觸發(fā)一次。如果你用中斷接收不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)需要配合空閑中斷IDLE?？臻e中斷在一幀數(shù)據(jù)接收完后觸發(fā)這時(shí)候把緩沖區(qū)數(shù)據(jù)取走就行。這個(gè)方案比定時(shí)器超時(shí)判斷更可靠。4.3 定時(shí)器與PWM輸出的參數(shù)計(jì)算F1的定時(shí)器分高級(jí)定時(shí)器TIM1、TIM8、通用定時(shí)器TIM2到TIM5、基本定時(shí)器TIM6、TIM7。PWM輸出一般用通用定時(shí)器。配置PWM需要算三個(gè)參數(shù)預(yù)分頻器PSC、自動(dòng)重裝載值A(chǔ)RR、比較值CCR。假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘72MHz你要輸出1kHz、占空比50%的PWM。計(jì)算過程定時(shí)器時(shí)鐘72MHz先分頻到1MHzPSC設(shè)為71。周期1ms對(duì)應(yīng)1000個(gè)計(jì)數(shù)ARR設(shè)為999。占空比50%CCR設(shè)為500。// TIM3通道1輸出PWMPA6引腳 TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_6; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure); TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period 999; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler 71; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision 0; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM3, TIM_TimeBaseStructure); TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse 500; TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity TIM_OCPolarity_High; TIM_OC1Init(TIM3, TIM_OCInitStructure); TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE); TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);實(shí)操心得高級(jí)定時(shí)器TIM1和TIM8輸出PWM時(shí)需要額外使能主輸出TIM_CtrlPWMOutputs否則引腳沒有波形。這個(gè)坑我當(dāng)年調(diào)了半天才發(fā)現(xiàn)。4.4 ADC多通道采樣與DMA傳輸F1的ADC是12位逐次逼近型最高采樣率1MHz。多通道采樣時(shí)用DMA搬運(yùn)數(shù)據(jù)是最省CPU的方案。配置步驟使能ADC和DMA時(shí)鐘、配置GPIO為模擬輸入、配置DMA、配置ADC規(guī)則組、使能ADC和DMA。// ADC1多通道采樣PA0到PA3DMA搬運(yùn) RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_AIN; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure); DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr (uint32_t)ADC1-DR; DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr (uint32_t)adc_values; DMA_InitStructure.DMA_DIR DMA_DIR_PeripheralSRC; DMA_InitStructure.DMA_BufferSize 4; DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc DMA_PeripheralInc_Disable; DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc DMA_MemoryInc_Enable; DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize DMA_MemoryDataSize_HalfWord; DMA_InitStructure.DMA_Mode DMA_Mode_Circular; DMA_InitStructure.DMA_Priority DMA_Priority_High; DMA_Init(DMA1_Channel1, DMA_InitStructure); DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE); ADC_InitStructure.ADC_Mode ADC_Mode_Independent; ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode ENABLE; ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode ENABLE; ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv ADC_ExternalTrigConv_None; ADC_InitStructure.ADC_DataAlign ADC_DataAlign_Right; ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel 4; ADC_Init(ADC1, ADC_InitStructure); ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 2, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_2, 3, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_3, 4, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE); ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); ADC_ResetCalibration(ADC1); while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); ADC_StartCalibration(ADC1); while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);采樣時(shí)間的選擇很關(guān)鍵。F1的ADC輸入阻抗有限采樣時(shí)間太短會(huì)導(dǎo)致采樣值偏低。一般建議采樣時(shí)間不低于55.5個(gè)周期對(duì)應(yīng)約1.2微秒。如果你測(cè)的是高阻抗信號(hào)源采樣時(shí)間還要加長(zhǎng)或者加電壓跟隨器。5. 常見問題排查與避坑經(jīng)驗(yàn)實(shí)錄5.1 程序燒錄失敗與芯片鎖死處理燒錄失敗最常見的原因是SWD引腳被占用。如果你在代碼里把PA13或PA14配置成了普通GPIO下次上電后SWD接口就失效了。解決辦法有兩個(gè)一是把BOOT0拉高讓芯片從系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)然后用串口ISP擦除二是用ST-Link的“Connect under reset”模式在復(fù)位期間連接。還有一種情況是芯片讀保護(hù)被意外開啟。這時(shí)候ST-Link會(huì)提示“Flash read protection”。解決方法是先用ST-Link Utility解除讀保護(hù)但這會(huì)擦除整個(gè)Flash。所以平時(shí)調(diào)試時(shí)不要隨便開讀保護(hù)除非產(chǎn)品要量產(chǎn)了。注意F1的BOOT0引腳內(nèi)部有下拉但為了可靠建議外部加一個(gè)10k下拉電阻。BOOT1和BOOT0的組合決定啟動(dòng)模式00是Flash啟動(dòng)01是系統(tǒng)存儲(chǔ)器11是SRAM啟動(dòng)。正常運(yùn)行時(shí)BOOT0接地。5.2 中斷優(yōu)先級(jí)與嵌套問題F1的中斷優(yōu)先級(jí)分搶占優(yōu)先級(jí)和響應(yīng)優(yōu)先級(jí)各4位但實(shí)際只用高4位。搶占優(yōu)先級(jí)高的可以打斷低的響應(yīng)優(yōu)先級(jí)只在同時(shí)掛起時(shí)決定誰(shuí)先執(zhí)行。新手常犯的錯(cuò)誤是把所有中斷都設(shè)成最高優(yōu)先級(jí)結(jié)果中斷嵌套混亂棧溢出。我的建議是SysTick設(shè)最低優(yōu)先級(jí)串口接收中斷設(shè)中等定時(shí)器控制中斷設(shè)較高緊急保護(hù)中斷設(shè)最高。另外中斷服務(wù)函數(shù)里盡量只做標(biāo)志位處理和簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)搬運(yùn)復(fù)雜計(jì)算放到主循環(huán)。// 中斷優(yōu)先級(jí)配置示例 NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); // 2位搶占2位響應(yīng) NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel USART1_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority 1; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority 1; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd ENABLE; NVIC_Init(NVIC_InitStructure);5.3 常見問題速查表現(xiàn)象可能原因排查方法解決措施燒錄失敗SWD引腳被占用檢查PA13/PA14配置用Connect under reset或ISP擦除串口亂碼波特率不匹配核對(duì)時(shí)鐘和BRR值重新計(jì)算波特率PWM無(wú)輸出高級(jí)定時(shí)器未使能主輸出檢查TIM_CtrlPWMOutputs調(diào)用該函數(shù)使能ADC值跳動(dòng)大采樣時(shí)間太短示波器看輸入信號(hào)加長(zhǎng)采樣時(shí)間或加濾波程序跑飛棧溢出查看棧使用情況增大?？臻g或減少局部變量復(fù)位后不運(yùn)行BOOT引腳狀態(tài)錯(cuò)誤測(cè)量BOOT0電平確保BOOT0接地定時(shí)器頻率不對(duì)總線頻率搞錯(cuò)確認(rèn)APB1/APB2分頻重新計(jì)算PSC和ARR中斷不觸發(fā)優(yōu)先級(jí)配置錯(cuò)誤檢查NVIC配置調(diào)整優(yōu)先級(jí)分組5.4 低功耗模式與喚醒源配置F1支持睡眠、停止、待機(jī)三種低功耗模式。睡眠模式只關(guān)CPU時(shí)鐘外設(shè)還在跑喚醒最快。停止模式關(guān)掉所有時(shí)鐘保留SRAM和寄存器喚醒后需要重新配置時(shí)鐘。待機(jī)模式最省電但喚醒后相當(dāng)于復(fù)位。實(shí)際項(xiàng)目中如果你用電池供電待機(jī)模式可以把功耗降到2微安左右。喚醒源可以是WKUP引腳、RTC鬧鐘或者外部中斷。配置待機(jī)模式的步驟使能PWR時(shí)鐘、設(shè)置WKUP引腳、調(diào)用PWR_EnterSTANDBYMode()。注意進(jìn)入待機(jī)前要清除WKUP標(biāo)志位否則會(huì)立刻喚醒。// 進(jìn)入待機(jī)模式 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE); PWR_WakeUpPinCmd(ENABLE); PWR_ClearFlag(PWR_FLAG_WU); PWR_EnterSTANDBYMode();實(shí)操心得停止模式下如果開了DMADMA傳輸會(huì)暫停。喚醒后DMA會(huì)繼續(xù)但如果你在停止前改了DMA配置喚醒后可能不生效。穩(wěn)妥的做法是喚醒后重新初始化DMA。6. 從練手到產(chǎn)品的進(jìn)階路線6.1 Bootloader與在線升級(jí)方案產(chǎn)品化之后在線升級(jí)是剛需。F1的Flash分成多個(gè)扇區(qū)你可以把Bootloader放在0x08000000開始的扇區(qū)應(yīng)用程序放在后面的扇區(qū)。Bootloader負(fù)責(zé)接收新固件并寫入Flash然后跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序。跳轉(zhuǎn)前需要做三件事關(guān)閉所有中斷、設(shè)置棧頂指針、設(shè)置中斷向量表偏移。中斷向量表偏移用NVIC_SetVectorTable()設(shè)置偏移量是應(yīng)用程序起始地址減去0x08000000。// 跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序 typedef void (*pFunction)(void); pFunction Jump_To_Application; uint32_t JumpAddress; if (((*(__IO uint32_t*)ApplicationAddress) 0x2FFE0000) 0x20000000) { JumpAddress *(__IO uint32_t*)(ApplicationAddress 4); Jump_To_Application (pFunction)JumpAddress; __set_MSP(*(__IO uint32_t*)ApplicationAddress); Jump_To_Application(); }注意跳轉(zhuǎn)前一定要關(guān)掉SysTick中斷和所有外設(shè)中斷否則應(yīng)用程序里重新配置中斷時(shí)會(huì)出問題。另外應(yīng)用程序的鏈接腳本里要修改Flash起始地址否則編譯出來(lái)的向量表位置不對(duì)。6.2 硬件設(shè)計(jì)中的電源與晶振注意事項(xiàng)F1對(duì)電源要求不算苛刻但有幾個(gè)細(xì)節(jié)要注意。VDDA和VSSA是模擬電源即使你不用ADC也建議接上濾波電容。如果VDDA不接ADC讀數(shù)會(huì)不準(zhǔn)。退耦電容每對(duì)電源引腳配一個(gè)100nF靠近引腳放置。晶振部分F1支持4到16MHz的外部晶振。8MHz是最常用的配合PLL倍頻到72MHz。晶振的負(fù)載電容要根據(jù)晶振規(guī)格書選一般20pF左右。如果起振困難可以減小負(fù)載電容或者換低ESR的晶振。PCB走線盡量短包地處理。復(fù)位電路用一個(gè)10k上拉加100nF電容到地就行。如果環(huán)境干擾大可以加一個(gè)復(fù)位芯片比如MAX809。BOOT0引腳用10k下拉需要ISP時(shí)再拉高。6.3 代碼優(yōu)化與執(zhí)行效率提升F1的Flash等待周期和總線仲裁會(huì)影響執(zhí)行效率。幾個(gè)實(shí)用的優(yōu)化技巧把頻繁調(diào)用的函數(shù)放到RAM里執(zhí)行用__attribute__((section(.ramfunc)))聲明把中斷服務(wù)函數(shù)放到RAM里減少Flash等待用DMA搬運(yùn)數(shù)據(jù)減少CPU干預(yù)把常量表放到Flash變量放SRAM利用雙總線并行。編譯器優(yōu)化選項(xiàng)也有講究。Keil里用-O2或-O3但要注意volatile變量的使用。如果你在中斷里修改的變量沒有加volatile編譯器可能優(yōu)化掉主循環(huán)里的讀取操作。這個(gè)坑我踩過變量值明明變了主循環(huán)里讀到的還是舊值。// 中斷和主循環(huán)共享的變量必須加volatile volatile uint32_t g_tick_count 0; void SysTick_Handler(void) { g_tick_count; }6.4 量產(chǎn)測(cè)試與固件加密小批量生產(chǎn)時(shí)我建議做一個(gè)簡(jiǎn)單的產(chǎn)測(cè)固件。產(chǎn)測(cè)固件跑一遍所有外設(shè)串口回環(huán)、GPIO翻轉(zhuǎn)、ADC讀基準(zhǔn)、定時(shí)器計(jì)數(shù)。測(cè)試結(jié)果通過串口輸出產(chǎn)線工人看OK或NG就行。這樣能把硬件問題擋在出廠前。固件加密方面F1支持讀保護(hù)開啟后通過調(diào)試接口讀不出Flash內(nèi)容。但讀保護(hù)可以解除解除時(shí)會(huì)擦除Flash。如果你需要更強(qiáng)的保護(hù)可以用外部加密芯片或者把關(guān)鍵算法放到帶唯一ID的芯片里。F1有96位的唯一ID可以用它做簡(jiǎn)單的授權(quán)綁定。實(shí)操心得開啟讀保護(hù)后如果你用ST-Link燒錄新固件會(huì)提示需要先解除保護(hù)。解除保護(hù)會(huì)擦除整個(gè)Flash所以量產(chǎn)時(shí)最好先燒錄再開保護(hù)。另外讀保護(hù)開啟后SRAM里的數(shù)據(jù)還是可以通過調(diào)試接口讀到的敏感數(shù)據(jù)不要長(zhǎng)期放SRAM。7. 一些個(gè)人體會(huì)STM32F1這顆芯片我用了快十年從學(xué)生時(shí)代的課程設(shè)計(jì)到后來(lái)的小批量產(chǎn)品它一直是個(gè)可靠的選擇。它的資料多到幾乎任何問題都能搜到答案這對(duì)新手來(lái)說太重要了。但我也要提醒一句不要因?yàn)镕1簡(jiǎn)單就停留在舒適區(qū)。F1的架構(gòu)和現(xiàn)在主流的M0、M4有差異比如F1沒有硬件浮點(diǎn)沒有Cache外設(shè)寄存器布局也不一樣。如果你打算長(zhǎng)期做嵌入式學(xué)完F1之后建議再摸一顆M4或者M(jìn)0的芯片把HAL庫(kù)和CubeMX的流程走一遍視野會(huì)寬很多。另外F1的供貨前幾年有過波動(dòng)價(jià)格一度漲得很離譜。如果你做產(chǎn)品選型時(shí)最好準(zhǔn)備一個(gè)Pin-to-Pin兼容的替代方案比如同系列的F103其他型號(hào)或者國(guó)產(chǎn)的兼容芯片。這樣萬(wàn)一缺貨不至于停產(chǎn)。最后分享一個(gè)小技巧調(diào)試時(shí)如果懷疑是硬件問題先寫一個(gè)最簡(jiǎn)單的GPIO翻轉(zhuǎn)程序用示波器看波形。如果波形正常說明時(shí)鐘和GPIO配置沒問題再往上加外設(shè)。這個(gè)“最小系統(tǒng)法”能幫你快速定位問題范圍比盲目改代碼高效得多。 STM32F1嵌入式入門實(shí)戰(zhàn)：選型、開發(fā)環(huán)境與外設(shè)配置全解析
1. 為什么STM32F1至今仍是嵌入式入門的首選搞嵌入式這行十幾年帶過的新人少說也有幾十個(gè)。每次有人問我“想學(xué)單片機(jī)從哪塊板子開始”我基本都會(huì)先問一句你是想快速做出東西還是想徹底搞懂底層。如果答案是前者我通常直接推薦STM32F1系列。原因很簡(jiǎn)單這顆芯片的資料密度、社區(qū)沉淀和成本控制在入門級(jí)32位MCU里幾乎沒有對(duì)手。STM32F1是意法半導(dǎo)體基于ARM Cortex-M3內(nèi)核推出的經(jīng)典產(chǎn)品線最早一批型號(hào)在2007年前后問世。它把當(dāng)時(shí)動(dòng)輒幾十塊錢的32位單片機(jī)價(jià)格拉到了十元級(jí)別同時(shí)保留了豐富的外設(shè)多路USART、SPI、I2C、ADC、定時(shí)器、CAN還有DMA控制器。對(duì)于剛接觸32位開發(fā)的人來(lái)說這些外設(shè)足夠覆蓋絕大多數(shù)練手項(xiàng)目又不會(huì)像高端系列那樣寄存器復(fù)雜到讓人勸退。我見過太多人一上來(lái)就買最高配的開發(fā)板結(jié)果光看參考手冊(cè)就放棄了。STM32F1的好處在于它的參考手冊(cè)雖然也有一千多頁(yè)但社區(qū)里針對(duì)它的教程、例程、踩坑記錄是最全的。你遇到的90%問題網(wǎng)上都有人問過并且給出了答案。這種“被驗(yàn)證過的學(xué)習(xí)路徑”對(duì)新手極其重要。這篇文章主要面向三類人第一類是電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生正在做課程設(shè)計(jì)或準(zhǔn)備電賽第二類是轉(zhuǎn)行做嵌入式開發(fā)的工程師需要快速上手一顆能實(shí)際干活的芯片第三類是老手想找一顆便宜穩(wěn)定的芯片做小批量產(chǎn)品。我會(huì)從選型、工具鏈、外設(shè)配置、調(diào)試技巧幾個(gè)維度把STM32F1的開發(fā)流程完整拆一遍中間穿插我這些年踩過的坑和總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)。2. STM32F1系列選型與核心架構(gòu)拆解2.1 型號(hào)命名規(guī)則與常見型號(hào)對(duì)比STM32F1的型號(hào)命名有一套固定邏輯看懂之后選型會(huì)快很多。以“STM32F103C8T6”為例STM32代表產(chǎn)品家族F代表基礎(chǔ)型103是子系列C表示引腳數(shù)48腳8表示Flash容量64KBT表示封裝LQFP6表示溫度范圍-40到85度。這套規(guī)則適用于整個(gè)F1系列記住之后基本不會(huì)買錯(cuò)。下面這張表是我整理的最常用幾款型號(hào)對(duì)比都是市場(chǎng)上貨源穩(wěn)定、價(jià)格透明的選擇型號(hào)引腳數(shù)FlashRAM主頻典型用途STM32F103C8T64864KB20KB72MHz入門學(xué)習(xí)、小項(xiàng)目STM32F103RCT664256KB48KB72MHz中等復(fù)雜度產(chǎn)品STM32F103VET6100512KB64KB72MHz多外設(shè)、帶LCDSTM32F103ZET6144512KB64KB72MHz開發(fā)板常用STM32F101C8T64864KB10KB36MHz低成本低功耗選型時(shí)最容易糾結(jié)的是Flash和RAM夠不夠。我的經(jīng)驗(yàn)是用標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)開發(fā)時(shí)一個(gè)帶串口、定時(shí)器、ADC的完整工程大約占用15到25KB FlashRAM占用在5KB以內(nèi)。如果你用HAL庫(kù)代碼體積會(huì)膨脹30%到50%。所以C8T6的64KB Flash對(duì)大多數(shù)練手項(xiàng)目是夠的但如果你要移植文件系統(tǒng)、GUI或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧直接上RCT6或VET6更穩(wěn)妥。注意市面上有一些翻新或打磨過的F1芯片價(jià)格明顯低于市場(chǎng)均價(jià)。買的時(shí)候盡量選正規(guī)渠道尤其是做產(chǎn)品時(shí)。翻新片在高溫或高負(fù)載下容易出現(xiàn)隨機(jī)死機(jī)排查起來(lái)非常痛苦。2.2 Cortex-M3內(nèi)核與總線結(jié)構(gòu)STM32F1用的是ARM Cortex-M3內(nèi)核哈佛架構(gòu)三級(jí)流水線。主頻最高72MHz這個(gè)數(shù)字在現(xiàn)在看不算高但配合它的總線矩陣實(shí)際吞吐能力比很多同頻8位機(jī)強(qiáng)一個(gè)數(shù)量級(jí)。內(nèi)核通過ICode總線取指令DCode總線取數(shù)據(jù)系統(tǒng)總線連接外設(shè)三條總線并行工作減少了取指和取數(shù)據(jù)的沖突。理解總線結(jié)構(gòu)對(duì)寫高效代碼有幫助。比如你把頻繁訪問的變量放在SRAM里把常量表放在Flash里內(nèi)核可以同時(shí)從兩條總線取數(shù)據(jù)速度會(huì)快一些。另外F1的Flash訪問需要等待周期72MHz下需要插入2個(gè)等待周期。如果你在中斷里執(zhí)行Flash中的代碼而同時(shí)有DMA在訪問Flash可能會(huì)出現(xiàn)總線仲裁延遲。這個(gè)細(xì)節(jié)在高速ADC采樣加DMA傳輸?shù)膱?chǎng)景下要特別注意。2.3 時(shí)鐘樹與啟動(dòng)流程F1的時(shí)鐘樹是很多新手第一個(gè)卡住的地方。簡(jiǎn)單說芯片上電后默認(rèn)使用內(nèi)部8MHz RC振蕩器HSI經(jīng)過分頻后給系統(tǒng)時(shí)鐘。你要跑到72MHz需要配置外部晶振HSE然后經(jīng)過PLL倍頻。典型配置是HSE 8MHz預(yù)分頻1PLL倍頻9得到72MHz系統(tǒng)時(shí)鐘。AHB不分頻APB1分頻2得到36MHzAPB2不分頻得到72MHz。這里有個(gè)坑APB1上的外設(shè)最高只能跑36MHzAPB2上的可以跑72MHz。如果你把掛在APB1的定時(shí)器配置成72MHz計(jì)數(shù)實(shí)際頻率會(huì)不對(duì)。我見過有人調(diào)PWM時(shí)發(fā)現(xiàn)頻率差一倍查了半天才發(fā)現(xiàn)是總線頻率搞錯(cuò)了。啟動(dòng)流程方面F1上電后從0x00000000地址取棧頂指針從0x00000004取復(fù)位向量。實(shí)際映射的是Flash起始地址0x08000000。如果你用Bootloader方案需要修改中斷向量表偏移這個(gè)后面會(huì)細(xì)說。3. 開發(fā)環(huán)境搭建與工具鏈選擇3.1 IDE與編譯器方案對(duì)比STM32F1的開發(fā)環(huán)境選擇很多我按使用場(chǎng)景分三類來(lái)說。第一類是Keil MDK。這是國(guó)內(nèi)最流行的方案優(yōu)點(diǎn)是上手快、調(diào)試方便、教程多。缺點(diǎn)是正版授權(quán)費(fèi)用不低而且Keil的編輯器體驗(yàn)一般。如果你只是學(xué)習(xí)用評(píng)估版也夠但要注意32KB代碼限制。很多F1的工程編譯出來(lái)會(huì)超過這個(gè)限制尤其是帶HAL庫(kù)的。第二類是STM32CubeIDE。這是官方推出的免費(fèi)方案基于Eclipse集成了CubeMX配置工具。優(yōu)點(diǎn)是免費(fèi)、跨平臺(tái)、官方支持好。缺點(diǎn)是Eclipse系IDE對(duì)電腦配置要求高啟動(dòng)慢偶爾會(huì)有索引卡頓。我個(gè)人的做法是用CubeMX生成初始化代碼然后用Makefile加VSCode來(lái)寫和編譯這樣既輕量又靈活。第三類是平臺(tái)IO加VSCode。這是近幾年越來(lái)越流行的方案用platformio.ini管理依賴和編譯選項(xiàng)跨平臺(tái)體驗(yàn)很好。缺點(diǎn)是調(diào)試配置需要手動(dòng)寫對(duì)新手有一定門檻。方案費(fèi)用上手難度調(diào)試體驗(yàn)適合人群Keil MDK收費(fèi)低好學(xué)生、企業(yè)STM32CubeIDE免費(fèi)中好個(gè)人、跨平臺(tái)VSCodePlatformIO免費(fèi)中高中有經(jīng)驗(yàn)開發(fā)者M(jìn)akefileGCC免費(fèi)高需配置喜歡折騰的人3.2 標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)、HAL庫(kù)與LL庫(kù)的取舍F1系列支持三種庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)SPL、HAL庫(kù)、LL庫(kù)。標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)是早期官方推出的代碼直接操作寄存器效率高但ST已經(jīng)停止維護(hù)。HAL庫(kù)是現(xiàn)在主推的抽象層次高跨系列移植方便但代碼體積大、執(zhí)行效率略低。LL庫(kù)是底層庫(kù)介于寄存器和HAL之間效率接近SPL但覆蓋的外設(shè)不如HAL全。我的建議是如果你只是做F1的項(xiàng)目不打算換芯片用標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)最省資源。如果你以后可能換到F4、F7或者G0系列直接用HAL庫(kù)雖然前期學(xué)習(xí)曲線陡一點(diǎn)但長(zhǎng)期看省事。LL庫(kù)適合對(duì)性能有要求又不想直接寫寄存器的場(chǎng)景比如高頻PWM或者高速ADC采樣。實(shí)操心得HAL庫(kù)的HAL_Delay()函數(shù)依賴SysTick中斷如果你在中斷服務(wù)函數(shù)里調(diào)用它會(huì)導(dǎo)致死鎖。正確做法是在中斷里用簡(jiǎn)單的循環(huán)延時(shí)或者自己維護(hù)一個(gè)毫秒計(jì)數(shù)器。3.3 燒錄與調(diào)試工具燒錄工具主要分兩類ST-Link和串口ISP。ST-Link是官方調(diào)試器支持SWD接口可以在線調(diào)試、單步、看變量。山寨版ST-Link價(jià)格在十幾塊錢功能基本夠用但固件升級(jí)時(shí)可能遇到問題。串口ISP只需要一個(gè)USB轉(zhuǎn)TTL模塊通過BOOT0和BOOT1引腳進(jìn)入系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)模式用官方Flash Loader工具燒錄。這種方式便宜但不能在線調(diào)試。調(diào)試接口我強(qiáng)烈建議用SWD而不是JTAG。SWD只需要兩根線SWCLK和SWDIO占用引腳少速度也夠。F1的SWD引腳是PA13和PA14如果你在代碼里把這兩個(gè)引腳配置成普通GPIO下次就燒不進(jìn)去了。這時(shí)候需要用串口ISP擦除或者把BOOT0拉高重新上電。4. 核心外設(shè)配置與實(shí)操要點(diǎn)4.1 GPIO配置的八種模式與常見誤區(qū)F1的GPIO有八種模式輸入浮空、輸入上拉、輸入下拉、模擬輸入、開漏輸出、推挽輸出、開漏復(fù)用、推挽復(fù)用。新手最容易搞混的是“復(fù)用”和“普通輸出”的區(qū)別。復(fù)用模式是給外設(shè)用的比如USART的TX引腳要配置成推挽復(fù)用SPI的SCK也是復(fù)用。如果你把USART的TX配置成普通推挽輸出雖然也能發(fā)數(shù)據(jù)但時(shí)序可能不標(biāo)準(zhǔn)。另一個(gè)常見誤區(qū)是輸出速度配置。F1的GPIO輸出速度有三個(gè)檔2MHz、10MHz、50MHz。速度越高功耗和EMI越大。我一般的原則是普通LED、繼電器控制用2MHzSPI、USART用10MHz或50MHz高速SPI或者外部總線用50MHz。不要無(wú)腦全設(shè)50MHz那樣EMI測(cè)試容易出問題。// 標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)配置PA5為推挽輸出50MHz GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_5; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure);注意F1的GPIO在復(fù)位后默認(rèn)是浮空輸入但JTAG引腳PA13、PA14、PA15、PB3、PB4默認(rèn)是復(fù)用功能。如果你要把它們當(dāng)普通GPIO用需要先關(guān)閉JTAG功能只保留SWD。這個(gè)操作在GPIO_PinRemapConfig()里做。4.2 USART串口通信的完整配置流程串口是調(diào)試和通信最常用的外設(shè)。F1的USART支持波特率范圍很寬常用9600到115200。配置步驟分四步使能時(shí)鐘、配置GPIO、配置USART參數(shù)、使能USART。// 以USART1為例PA9為TXPA10為RX RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // TX配置為復(fù)用推挽 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_9; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure); // RX配置為浮空輸入 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_10; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure); // USART參數(shù)配置 USART_InitStructure.USART_BaudRate 115200; USART_InitStructure.USART_WordLength USART_WordLength_8b; USART_InitStructure.USART_StopBits USART_StopBits_1; USART_InitStructure.USART_Parity USART_Parity_No; USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl USART_HardwareFlowControl_None; USART_InitStructure.USART_Mode USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; USART_Init(USART1, USART_InitStructure); USART_Cmd(USART1, ENABLE);波特率計(jì)算有個(gè)公式波特率 fCK / (16 * USARTDIV)。fCK是APB2時(shí)鐘72MHz要得到115200USARTDIV約等于39.0625。寄存器里整數(shù)部分是39小數(shù)部分是0.0625乘以16等于1。所以BRR寄存器的值是0x271。標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)會(huì)自動(dòng)算但你要知道這個(gè)原理遇到波特率偏差大的時(shí)候能自己排查。串口接收中斷是另一個(gè)重點(diǎn)。F1的USART支持接收非空中斷RXNE每收到一個(gè)字節(jié)觸發(fā)一次。如果你用中斷接收不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)需要配合空閑中斷IDLE?？臻e中斷在一幀數(shù)據(jù)接收完后觸發(fā)這時(shí)候把緩沖區(qū)數(shù)據(jù)取走就行。這個(gè)方案比定時(shí)器超時(shí)判斷更可靠。4.3 定時(shí)器與PWM輸出的參數(shù)計(jì)算F1的定時(shí)器分高級(jí)定時(shí)器TIM1、TIM8、通用定時(shí)器TIM2到TIM5、基本定時(shí)器TIM6、TIM7。PWM輸出一般用通用定時(shí)器。配置PWM需要算三個(gè)參數(shù)預(yù)分頻器PSC、自動(dòng)重裝載值A(chǔ)RR、比較值CCR。假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘72MHz你要輸出1kHz、占空比50%的PWM。計(jì)算過程定時(shí)器時(shí)鐘72MHz先分頻到1MHzPSC設(shè)為71。周期1ms對(duì)應(yīng)1000個(gè)計(jì)數(shù)ARR設(shè)為999。占空比50%CCR設(shè)為500。// TIM3通道1輸出PWMPA6引腳 TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_6; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure); TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period 999; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler 71; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision 0; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM3, TIM_TimeBaseStructure); TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse 500; TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity TIM_OCPolarity_High; TIM_OC1Init(TIM3, TIM_OCInitStructure); TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE); TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);實(shí)操心得高級(jí)定時(shí)器TIM1和TIM8輸出PWM時(shí)需要額外使能主輸出TIM_CtrlPWMOutputs否則引腳沒有波形。這個(gè)坑我當(dāng)年調(diào)了半天才發(fā)現(xiàn)。4.4 ADC多通道采樣與DMA傳輸F1的ADC是12位逐次逼近型最高采樣率1MHz。多通道采樣時(shí)用DMA搬運(yùn)數(shù)據(jù)是最省CPU的方案。配置步驟使能ADC和DMA時(shí)鐘、配置GPIO為模擬輸入、配置DMA、配置ADC規(guī)則組、使能ADC和DMA。// ADC1多通道采樣PA0到PA3DMA搬運(yùn) RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_AIN; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure); DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr (uint32_t)ADC1-DR; DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr (uint32_t)adc_values; DMA_InitStructure.DMA_DIR DMA_DIR_PeripheralSRC; DMA_InitStructure.DMA_BufferSize 4; DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc DMA_PeripheralInc_Disable; DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc DMA_MemoryInc_Enable; DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize DMA_MemoryDataSize_HalfWord; DMA_InitStructure.DMA_Mode DMA_Mode_Circular; DMA_InitStructure.DMA_Priority DMA_Priority_High; DMA_Init(DMA1_Channel1, DMA_InitStructure); DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE); ADC_InitStructure.ADC_Mode ADC_Mode_Independent; ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode ENABLE; ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode ENABLE; ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv ADC_ExternalTrigConv_None; ADC_InitStructure.ADC_DataAlign ADC_DataAlign_Right; ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel 4; ADC_Init(ADC1, ADC_InitStructure); ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 2, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_2, 3, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_3, 4, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE); ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); ADC_ResetCalibration(ADC1); while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); ADC_StartCalibration(ADC1); while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);采樣時(shí)間的選擇很關(guān)鍵。F1的ADC輸入阻抗有限采樣時(shí)間太短會(huì)導(dǎo)致采樣值偏低。一般建議采樣時(shí)間不低于55.5個(gè)周期對(duì)應(yīng)約1.2微秒。如果你測(cè)的是高阻抗信號(hào)源采樣時(shí)間還要加長(zhǎng)或者加電壓跟隨器。5. 常見問題排查與避坑經(jīng)驗(yàn)實(shí)錄5.1 程序燒錄失敗與芯片鎖死處理燒錄失敗最常見的原因是SWD引腳被占用。如果你在代碼里把PA13或PA14配置成了普通GPIO下次上電后SWD接口就失效了。解決辦法有兩個(gè)一是把BOOT0拉高讓芯片從系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)然后用串口ISP擦除二是用ST-Link的“Connect under reset”模式在復(fù)位期間連接。還有一種情況是芯片讀保護(hù)被意外開啟。這時(shí)候ST-Link會(huì)提示“Flash read protection”。解決方法是先用ST-Link Utility解除讀保護(hù)但這會(huì)擦除整個(gè)Flash。所以平時(shí)調(diào)試時(shí)不要隨便開讀保護(hù)除非產(chǎn)品要量產(chǎn)了。注意F1的BOOT0引腳內(nèi)部有下拉但為了可靠建議外部加一個(gè)10k下拉電阻。BOOT1和BOOT0的組合決定啟動(dòng)模式00是Flash啟動(dòng)01是系統(tǒng)存儲(chǔ)器11是SRAM啟動(dòng)。正常運(yùn)行時(shí)BOOT0接地。5.2 中斷優(yōu)先級(jí)與嵌套問題F1的中斷優(yōu)先級(jí)分搶占優(yōu)先級(jí)和響應(yīng)優(yōu)先級(jí)各4位但實(shí)際只用高4位。搶占優(yōu)先級(jí)高的可以打斷低的響應(yīng)優(yōu)先級(jí)只在同時(shí)掛起時(shí)決定誰(shuí)先執(zhí)行。新手常犯的錯(cuò)誤是把所有中斷都設(shè)成最高優(yōu)先級(jí)結(jié)果中斷嵌套混亂棧溢出。我的建議是SysTick設(shè)最低優(yōu)先級(jí)串口接收中斷設(shè)中等定時(shí)器控制中斷設(shè)較高緊急保護(hù)中斷設(shè)最高。另外中斷服務(wù)函數(shù)里盡量只做標(biāo)志位處理和簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)搬運(yùn)復(fù)雜計(jì)算放到主循環(huán)。// 中斷優(yōu)先級(jí)配置示例 NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); // 2位搶占2位響應(yīng) NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel USART1_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority 1; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority 1; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd ENABLE; NVIC_Init(NVIC_InitStructure);5.3 常見問題速查表現(xiàn)象可能原因排查方法解決措施燒錄失敗SWD引腳被占用檢查PA13/PA14配置用Connect under reset或ISP擦除串口亂碼波特率不匹配核對(duì)時(shí)鐘和BRR值重新計(jì)算波特率PWM無(wú)輸出高級(jí)定時(shí)器未使能主輸出檢查TIM_CtrlPWMOutputs調(diào)用該函數(shù)使能ADC值跳動(dòng)大采樣時(shí)間太短示波器看輸入信號(hào)加長(zhǎng)采樣時(shí)間或加濾波程序跑飛棧溢出查看棧使用情況增大?？臻g或減少局部變量復(fù)位后不運(yùn)行BOOT引腳狀態(tài)錯(cuò)誤測(cè)量BOOT0電平確保BOOT0接地定時(shí)器頻率不對(duì)總線頻率搞錯(cuò)確認(rèn)APB1/APB2分頻重新計(jì)算PSC和ARR中斷不觸發(fā)優(yōu)先級(jí)配置錯(cuò)誤檢查NVIC配置調(diào)整優(yōu)先級(jí)分組5.4 低功耗模式與喚醒源配置F1支持睡眠、停止、待機(jī)三種低功耗模式。睡眠模式只關(guān)CPU時(shí)鐘外設(shè)還在跑喚醒最快。停止模式關(guān)掉所有時(shí)鐘保留SRAM和寄存器喚醒后需要重新配置時(shí)鐘。待機(jī)模式最省電但喚醒后相當(dāng)于復(fù)位。實(shí)際項(xiàng)目中如果你用電池供電待機(jī)模式可以把功耗降到2微安左右。喚醒源可以是WKUP引腳、RTC鬧鐘或者外部中斷。配置待機(jī)模式的步驟使能PWR時(shí)鐘、設(shè)置WKUP引腳、調(diào)用PWR_EnterSTANDBYMode()。注意進(jìn)入待機(jī)前要清除WKUP標(biāo)志位否則會(huì)立刻喚醒。// 進(jìn)入待機(jī)模式 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE); PWR_WakeUpPinCmd(ENABLE); PWR_ClearFlag(PWR_FLAG_WU); PWR_EnterSTANDBYMode();實(shí)操心得停止模式下如果開了DMADMA傳輸會(huì)暫停。喚醒后DMA會(huì)繼續(xù)但如果你在停止前改了DMA配置喚醒后可能不生效。穩(wěn)妥的做法是喚醒后重新初始化DMA。6. 從練手到產(chǎn)品的進(jìn)階路線6.1 Bootloader與在線升級(jí)方案產(chǎn)品化之后在線升級(jí)是剛需。F1的Flash分成多個(gè)扇區(qū)你可以把Bootloader放在0x08000000開始的扇區(qū)應(yīng)用程序放在后面的扇區(qū)。Bootloader負(fù)責(zé)接收新固件并寫入Flash然后跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序。跳轉(zhuǎn)前需要做三件事關(guān)閉所有中斷、設(shè)置棧頂指針、設(shè)置中斷向量表偏移。中斷向量表偏移用NVIC_SetVectorTable()設(shè)置偏移量是應(yīng)用程序起始地址減去0x08000000。// 跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序 typedef void (*pFunction)(void); pFunction Jump_To_Application; uint32_t JumpAddress; if (((*(__IO uint32_t*)ApplicationAddress) 0x2FFE0000) 0x20000000) { JumpAddress *(__IO uint32_t*)(ApplicationAddress 4); Jump_To_Application (pFunction)JumpAddress; __set_MSP(*(__IO uint32_t*)ApplicationAddress); Jump_To_Application(); }注意跳轉(zhuǎn)前一定要關(guān)掉SysTick中斷和所有外設(shè)中斷否則應(yīng)用程序里重新配置中斷時(shí)會(huì)出問題。另外應(yīng)用程序的鏈接腳本里要修改Flash起始地址否則編譯出來(lái)的向量表位置不對(duì)。6.2 硬件設(shè)計(jì)中的電源與晶振注意事項(xiàng)F1對(duì)電源要求不算苛刻但有幾個(gè)細(xì)節(jié)要注意。VDDA和VSSA是模擬電源即使你不用ADC也建議接上濾波電容。如果VDDA不接ADC讀數(shù)會(huì)不準(zhǔn)。退耦電容每對(duì)電源引腳配一個(gè)100nF靠近引腳放置。晶振部分F1支持4到16MHz的外部晶振。8MHz是最常用的配合PLL倍頻到72MHz。晶振的負(fù)載電容要根據(jù)晶振規(guī)格書選一般20pF左右。如果起振困難可以減小負(fù)載電容或者換低ESR的晶振。PCB走線盡量短包地處理。復(fù)位電路用一個(gè)10k上拉加100nF電容到地就行。如果環(huán)境干擾大可以加一個(gè)復(fù)位芯片比如MAX809。BOOT0引腳用10k下拉需要ISP時(shí)再拉高。6.3 代碼優(yōu)化與執(zhí)行效率提升F1的Flash等待周期和總線仲裁會(huì)影響執(zhí)行效率。幾個(gè)實(shí)用的優(yōu)化技巧把頻繁調(diào)用的函數(shù)放到RAM里執(zhí)行用__attribute__((section(.ramfunc)))聲明把中斷服務(wù)函數(shù)放到RAM里減少Flash等待用DMA搬運(yùn)數(shù)據(jù)減少CPU干預(yù)把常量表放到Flash變量放SRAM利用雙總線并行。編譯器優(yōu)化選項(xiàng)也有講究。Keil里用-O2或-O3但要注意volatile變量的使用。如果你在中斷里修改的變量沒有加volatile編譯器可能優(yōu)化掉主循環(huán)里的讀取操作。這個(gè)坑我踩過變量值明明變了主循環(huán)里讀到的還是舊值。// 中斷和主循環(huán)共享的變量必須加volatile volatile uint32_t g_tick_count 0; void SysTick_Handler(void) { g_tick_count; }6.4 量產(chǎn)測(cè)試與固件加密小批量生產(chǎn)時(shí)我建議做一個(gè)簡(jiǎn)單的產(chǎn)測(cè)固件。產(chǎn)測(cè)固件跑一遍所有外設(shè)串口回環(huán)、GPIO翻轉(zhuǎn)、ADC讀基準(zhǔn)、定時(shí)器計(jì)數(shù)。測(cè)試結(jié)果通過串口輸出產(chǎn)線工人看OK或NG就行。這樣能把硬件問題擋在出廠前。固件加密方面F1支持讀保護(hù)開啟后通過調(diào)試接口讀不出Flash內(nèi)容。但讀保護(hù)可以解除解除時(shí)會(huì)擦除Flash。如果你需要更強(qiáng)的保護(hù)可以用外部加密芯片或者把關(guān)鍵算法放到帶唯一ID的芯片里。F1有96位的唯一ID可以用它做簡(jiǎn)單的授權(quán)綁定。實(shí)操心得開啟讀保護(hù)后如果你用ST-Link燒錄新固件會(huì)提示需要先解除保護(hù)。解除保護(hù)會(huì)擦除整個(gè)Flash所以量產(chǎn)時(shí)最好先燒錄再開保護(hù)。另外讀保護(hù)開啟后SRAM里的數(shù)據(jù)還是可以通過調(diào)試接口讀到的敏感數(shù)據(jù)不要長(zhǎng)期放SRAM。7. 一些個(gè)人體會(huì)STM32F1這顆芯片我用了快十年從學(xué)生時(shí)代的課程設(shè)計(jì)到后來(lái)的小批量產(chǎn)品它一直是個(gè)可靠的選擇。它的資料多到幾乎任何問題都能搜到答案這對(duì)新手來(lái)說太重要了。但我也要提醒一句不要因?yàn)镕1簡(jiǎn)單就停留在舒適區(qū)。F1的架構(gòu)和現(xiàn)在主流的M0、M4有差異比如F1沒有硬件浮點(diǎn)沒有Cache外設(shè)寄存器布局也不一樣。如果你打算長(zhǎng)期做嵌入式學(xué)完F1之后建議再摸一顆M4或者M(jìn)0的芯片把HAL庫(kù)和CubeMX的流程走一遍視野會(huì)寬很多。另外F1的供貨前幾年有過波動(dòng)價(jià)格一度漲得很離譜。如果你做產(chǎn)品選型時(shí)最好準(zhǔn)備一個(gè)Pin-to-Pin兼容的替代方案比如同系列的F103其他型號(hào)或者國(guó)產(chǎn)的兼容芯片。這樣萬(wàn)一缺貨不至于停產(chǎn)。最后分享一個(gè)小技巧調(diào)試時(shí)如果懷疑是硬件問題先寫一個(gè)最簡(jiǎn)單的GPIO翻轉(zhuǎn)程序用示波器看波形。如果波形正常說明時(shí)鐘和GPIO配置沒問題再往上加外設(shè)。這個(gè)“最小系統(tǒng)法”能幫你快速定位問題范圍比盲目改代碼高效得多。