MCU

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苏木2025-09-20
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22.6m

LV001-STM32概述 ​

一、STM32简介 ​

1. STM32与ARM ​

在2004年， ARM公司推出新一代Cortex内核后， ST公司抓住机遇，在很短的时间内就向市场推出了一系列的32位微控制器， 同时提供基于库的开发模式，加快用户研发周期。 STM32就是ST公司基于ARM Cortex-M系列内核设计的微控制器，专为高性能、低功耗、低成本场景设计。

STM32如今产品系列非常丰富， 主要为ARM Cortex-M内核系列MCU，也开始涉及ARM Cortex-A内核 系列MPU，如下图所示。

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按应用特性分类，可分为无线WB/WL系列、超低功耗L0/L1/L3/L5系列、主流G0/G4/F0/F1/F3系列、高性能F2/F4/F7/H7系列、全新的MP1系列。

STM32的处理器种类众多， 通过了解STM32的命令规范，可以了解整个STM32家族产品， 也方便以后 芯片选型， STM32 MCU系列命名规则（STM32 芯片命名规则，下图仅适用于 MCU） ：

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其实每一款芯片都会有一个datasheet，也就是数据手册，在数据手册中会对芯片的命名有详细的说明，例如：

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总的来说ARM公司售卖Cortex-M系列的授权， 意法半导体(STMicroelectronics， ST)购买了该授权，生产了一些列STM32产品， 这些使用ARM技术的处理器，都习惯称为ARM处理器 。

2. 相关资料 ​

这一部分主要是记录一下查找ARM和STM32官方文档的时候的一些相关链接。

2.1 ST官网 ​

这个网站是ST的官方网站，所有的文档都可以从这里找，例如STM32相关的内容，我们就可以进入【产品】→【微控制器与微处理器】，然后我们点进入就可以看到相关的产品及相关资料啦。

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对于几乎所有的MCU，都会有数据手册和参考手册，这两个手册必须下载。对于STM32系列的MCU， 通常还会有Cortex-M3/M4编程手册， 闪存编程手册、 勘误手册、官方固件包示例源码、官方固件包用户手册、 HAL库用户手册等，这些资料根据需求下载。 对于Cortex-M3/M4架构的的MCU， 如果需要深入了解Cortex-M3/M4内核，还需要Cortex-M3/M4权威指南，这个供我们深入学习。

2.1.1 搜索？ ​

我们以STM32F103ZET6为例来看一看资料都在哪里：

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随后显示该搜索条件匹配的产品，如下图所示，可以看到只有一款产品符合搜索条件，点击该产品进入详细信息。

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2.1.2 文档？ ​

在产品详细页，切换到“Documentation”标签， 可以看到该产品的所有文档手册，如下图所示为部分截图。

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后来网站都显示为中文了，如果打开都是英文页面的话，对应如下：

  • “ Product Specifications”(产品规格)：也就是数据手册， 包含该系列MCU的整体描述、引脚描述、内存映射、电气特性、封装信息、订购信息等。在芯片选型、 原理图设计、 PCB设计、代码编程等开发环节，都会需要该文档；

  • “ Reference Manuals”(参考手册)： 包含该系列MCU各外设寄存器的详细描述， 在代码编程时，需要找到对应外设章节， 仔细阅读；

  • “ Programming Manuals”(编程手册)： 包含闪存编程手册和Cortex-M3内核编程手册， 一些资源是在内核里的，比如NVIC和SysTick， 此时在参考手册里找不到相关寄存器信息，就需要在Cortex-M3内核编程手册里查找；

  • “ Errata Sheets”（ 勘误手册） ： 包含该MCU内核、 外设资源的限制，解决方案等，在调试中出现了bug，可以看看该手册是否有类似记录；

2.1.3 开发工具？ ​

除了这些文档外， 通常半导体芯片制造厂还会为MCU提供一些示例程序， ST也不例外。 在前面的产品详细页，切换到“ Tools & Software”标签，可以看到该产品的所有工具软件，比如各种硬件开发工具、软件开发工具、元件模块、评估工具软件、 MCU/MPU嵌入式软件、 产品评估工具、解决方案评估工具、工程服务、培训课程等 ：

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比如我们可以在这里找到Keil MDK开发工具：

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还可以找到图形化开发工具STM32CubeMX，不过这里好像链接有些问题，点进去什么也没得，不过问题不大：

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2.1.4 固件包？ ​

在上边开发工具里还会有一个 MCU & MPU Embedded Software 的栏目，也就是 MCU 及 MPU嵌入式软件：

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我们下载下来看一下，我们点进去后点击 Get Software就会来到下载的页面，选择和这个Get latest，然后会让我们登录，登录后就可以下载了。

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2.1.5 标准外设库？ ​

之前学习的时候最开始学习的就是标准库开发，那库在哪里下载？

在这里【官网】→【工具与软件】→【嵌入式软件】→【微控制器软件】→【STM32微控制器软件】

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比如图中的标准库：STM32标准外设软件库 - 意法半导体STMicroelectronics

2.2 ST中文官网 ​

这里会有大量的中文文档，好像也是ST的官方网站，我们想要找自己使用的芯片的相关文档的话，就可以从下图的地方寻找：

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那我们平时在网上看到的那些中文文档在哪里呢？我们可以进入首页后【设计资源】→【中英译文】

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然后在下边选择我们的单片机的系列，这样就可以找到一些相关的中文文档啦，不过这里似乎不太好用，因为我没找到我想找的中文文档。

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然后一看，右上角不是有搜索框嘛，这不试一下？我们以STM32F1为例，搜索结果如下：

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然后这里就会显示所有相关的中文的文档啦，下图中框的，我们打开看的话就会发现，这个文档就是我们平时看到的STM32中文参考文档的资料啦

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我们下载下来后，以正点原子提供的参考资料为准对比一下，看看是不是就是这一个，对比发现，是一样的，所以呢，我们完全可以从官网找到一些相关的中文文档。

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2.3 ST社区 ​

有一些资料我们也可以去ST的社区查找：意法半导体STM32/STM8技术社区 - 提供最新的ST资讯和技术交流 (stmcu.org.cn)

2.4 常用资料 ​

STM32F103xx英文数据手册STM32F103xC/D/E系列的英文数据手册
STM32F103xx中文数据手册STM32F103xC/D/E系列的中文数据手册
STM32F10xxx英文参考手册（RM0008）STM32F10xxx系列的英文参考手册
STM32F10xxx中文参考手册（RM0008）STM32F10xxx系列的中文参考手册
Arm Cortex-M3 处理器技术参考手册-英文版Cortex-M3技术参考手册-英文版
STM32F10xxx Cortex-M3编程手册-英文版(PM0056)STM32F10xxx/20xxx/21xxx/L1xxxx系列Cortex-M3编程手册-英文版
SD卡相关资料——最新版本有关SD卡的一些资料可以从这里下载
SD卡相关资料——历史版本有关SD卡的一些历史版本资料可以从这里下载，比如后边看的SD卡2.0协议
SD 2.0 协议标准完整版这是一篇关于SD卡2.0协议的中文文档，还是比较有参考价值的，可以一看
### 3. STM32长啥样？ image1

上边这张图是STM32F103ET6的芯片，芯片正面是丝印，ARM是表示该芯片使用的是ARM的内核，STM32F103VET6是芯片型号，后面的字应该是跟生产批次相关，最下面的是ST的LOGO。

芯片四周是引脚，左下角的小圆点表示1脚，然后从1脚起按照逆时针的顺序排列（所有芯片的引脚顺序都是逆时针排列的）。 开发板中把芯片的引脚引出来，连接到其他各种芯片上（比如传感器）， 然后在STM32上编程（实际就是通过程序控制这些引脚输出高电平或者低电平）来控制其他芯片工作。

以STM32F103ZET6为例，我们看一下它大概都有哪些资源：

STM32F103ZET6 资源
内核Cortex M3通用定时器8USART5
主频72Mhz高级定时器2CAN1
FLASH512KB12 位 ADC3SDIO1
SRAM64KBADC 通道数18FSMC1
封装LQFP14412 位 DAC2DMA2
IO 数量112SPI3RTC1
工作电压3.3VIIC2USB 从机1

4. STM32 命名 ​

STM32 的命名规则如图 :

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二、最小系统 ​

单片机最小系统是指用最少的电路组成单片机可以工作的系统，通常最小系统包含： 电源电路、时钟电路、复位电路、 调试/下载电路，对于STM32还需要启动选择电路。

1. 电源电路 ​

不同的MCU的工作电压可能是不一样的，比如51单片机通常为5V，而STM32单片机通常为3.3V。 因此，通常需要查阅该MCU的数据手册才能确定工作电压和规范。

我们打开STM32F103xE数据手册（Datasheet - STM32F103xC, STM32F103xD, STM32F103xE - High-density performance line Arm®-based 32-bit MCU with 256 to 512KB Flash, USB, CAN, 11 timers, 3 ADCs, 13 communication interfaces） 找到“ 5.1.6 Power supply scheme ” 电源方案小结，可以看到如下图框图。

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根据数据手册的“ 5.3.1 General operating conditions”的表10 ，可得知上图中的各电压值大小。

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（1）VDD-VSS： 标准工作电压；电压范围： 2V~3.6V； 从VDD1 ~ VDD11， VSS1 ~ VSS11共有11组；需要11个100nF和1个4.7uF去耦电容； 经过MCU内部Regulator电源管理， 为CPU、 存储器等供电； （2）VDDA-VSSA： 模拟工作电压；电压范围： 2V~3.6V(未使用ADC) 2.4V~3.6V(使用ADC)；需要1个10nF和1个1uF去耦电容； 由VDDA输入，为ADC、 DAC等供电； （3）VREF+-VREF-： 基准参考电压；电压范围： 2.4V~ VDDA； 可以使用独立参考电压VREF(需10nF+1uF高频滤波电容)， 也可使用VDDA输入，为ADC、 DAC等作基准参考电压； （4）VBAT： RTC备用电源； 电压范围： 1.8V~ 3.6V； 通常使用纽扣电池外部供电，当主电源VDD掉电后，VBAT为实时时钟（ Real-Time Clock， RTC） 和备份寄存器供电（此时功耗超低） ；

2. 时钟电路 ​

MCU是一个集成芯片， 由非常复杂的数字电路和其它电路组成， 需要稳定的时钟脉冲信号才能保证正常工作。 时钟如同人体内部的心脏一样，心脏跳动一下， 推动血液流动一下。时钟产生一次， 就推动处理器执行一下指令。除了CPU，芯片上所有的外设(GPIO、 I2C、 SPI等)都需要时钟，由此可见时钟的重要性。

芯片运行的时钟频率越高，芯片处理的速度越快，但同时功耗也越高。为了功耗和性能兼顾，微处理器一般有多个时钟源，同时还将时钟分频为多个大小，适配不同需求的外设。

STM32的时钟树我们需要在STM32参考手册（STM32F101xx, STM32F102xx, STM32F103xx, STM32F105xx and STM32F107xx advanced Arm®-based 32-bit MCUs - Reference manual）中查找，我们打开手册到 “ 7.2 Clocks ”，则有如下时钟树：

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可以看到一共有四个时钟源：

（1）HSI(High Speed Internal clock signal)：

HSI是内部的高速时钟信号，频率8MHz。因为是内部提供，可以降低成本，缺点是精度较差。

（2）HSE(High Speed External clock signal):

HSE是外部的高速时钟信号，需要外部电路晶振，输入频率范围要求为4-16MHz。因为需要外部电路提供，成本会增加，但精度较好。

（3）LSE(Low Speed External clock signal):

LSE是外部的低速时钟信号，需要外部电路晶振，输入频率范围要求为32.768KHz。 一般用于RTC实时时钟。

（4）LSI(Low Speed Internal clock signal)：

LSI是内部的低速RC振荡器，频率40KHz。一般用于看门狗、 RTC实时时钟等。对于STM32F103系列的MCU， 都需要一个高速时钟和一个低速时钟，而这两个时钟可以选择使用内部时钟源节约成本，也可以选择外部时钟源输入提高精度。 如果使用内部时钟源，则无需设计外部电路，反之，则需要时钟电路。

继续查看STM32数据手册的“ 5.3.6 External clock source characteristics ”，可以看到下图所示的外部时钟输入参考电路。

  • HSE 典型应用(8MHz)

对于HSE，当晶振为8MHz时， CL1和CL2的容值范围为5pF~25pF。 REXT用于产生负反馈，保证放大器工作在高增益的线性区， 同时也起到限流作用，通常在兆欧级，具体由晶振决定。

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  • LSE 典型应用(32.768KHz)

对于LSE，当晶振为32.768KHz时， CL1和CL2的容值范围为5pF~15pF。之所以选择32.768KHz，是因为 32768=215， 分频设置寄存器通常为2n的形式，这样经过15次分频就很容易得到1Hz的频率。

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3. 复位电路 ​

嵌入式系统中， 由于外界环境干扰， 难免出现程序跑飞或死机， 这时就需要复位让MCU重新运行。在打开STM32F103xE数据手册（Datasheet - STM32F103xC, STM32F103xD, STM32F103xE - High-density performance line Arm®-based 32-bit MCU with 256 to 512KB Flash, USB, CAN, 11 timers, 3 ADCs, 13 communication interfaces）中查找，我们打开手册到 “ 5.3.15 NRST pin characteristics ”，则有如下复位电路：

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该电路将一个按键接在了NRST引脚，一旦按键按下，NRST就会接地，拉低NRST，实现复位 。

4. 调试/下载电路 ​

不同的MCU，调试/下载的方式可能不一样。比如51系列单片机，使用串口下载程序，同时也使用仿真调试。 对于STM32， 可以使用串口下载程序，也能使用串口打印进行简单调试，但STM32支持更高效的JTAG（ Joint Test Action Group） 调试接口和SWD（ Serial Wire Debug） 调试接口。

STM32 的 JTAG 与 SWD 的接口共用， 如果下载器支持 SWD 调试模式， 则接上 JTAG 的时候同样可以使用 SWD模式。 常见的支持 SWD 模式的下载器有 JLINK V7/V8 和 ST LINK 等。

所涉及的引脚我们也可以查看STM32的参考手册（STM32F101xx, STM32F102xx, STM32F103xx, STM32F105xx and STM32F107xx advanced Arm®-based 32-bit MCUs - Reference manual）的“ 9.3.5 JTAG/SWD alternate function remapping ”一节：

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关于更加详细的内容可以查看STM32参考手册（STM32F101xx, STM32F102xx, STM32F103xx, STM32F105xx and STM32F107xx advanced Arm®-based 32-bit MCUs - Reference manual）的 “ 31 Debug support (DBG) ” 一节，有更为详细的说明。

一般设计原理图如下：

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4.1 JTAG协议简介 ​

JTAG（Joint Test Action Group，联合测试行动小组）是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。可以对 FLASH 等器件进行程序的编程和烧写。 标准的 JTAG 接口是模式选择（TMS）、 时钟（TCK）、 数据输入（TDI）、 数据输出（TDO） 四线制接线。 它可以对多个串联在同一个接口上的器件分别进行测试。 现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如ARM、DSP、FPGA器件等。相关JTAG引脚的定义为：

引脚定义说明
TMS模式选择，TMS用来设置JTAG接口处于某种特定的测试模式；
TCK时钟输入
TDI数据输入，数据通过TDI引脚输入JTAG接口；
TDO数据输出，数据通过TDO引脚从JTAG接口输出；

4.2 SWD协议简介 ​

串行调试（Serial Wire Debug），与 JTAG 相比，SWD只要两根线，分别为：SWCLK和SWDIO，减少了对单片机GPIO口的占用：

引脚定义说明
SWDIO串行数据线，用于数据的读出和写入
SWDCLK串行时钟线，提供所需要的时钟信号

SWD 模式比 JTAG 在高速模式下面更加可靠。 在大数据量的情况下面 JTAG 下载程序会失败, 但是 SWD 发生的几率会小很多。基本使用 JTAG 仿真模式的情况下是可以直接使用 SWD 模式的, 只要仿真器（仿真器是啥？后边写STM32工具相关的时候会有笔记说明）支持。

5. 启动选择电路 ​

不同的MCU， 启动的方式的种类可能不一样。比如51系列单片机， 只能从内置存储器读取数据启动，因此没有启动选择的必要。

对于STM32， 可以从内置存储器启动（默认） ，可以从系统存储器（用于从USART1下载程序），可以从内部SRAM启动（调电消失，可用于调试） ， 出现多个启动方式， 就需要启动选择。STM32通过BOOT1和BOOT2引脚的电平组合进行启动选择这一部分我们可以查看STM32的参考手册（STM32F101xx, STM32F102xx, STM32F103xx, STM32F105xx and STM32F107xx advanced Arm®-based 32-bit MCUs - Reference manual）的“ 3.4 Boot configuration ”。

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（1）BOO1为任意， BOOT0为0，开发板上电， MCU将从内部主存储器读取数据启动，是最常用的启动方式。

（2）BOO1为0， BOOT1为1，开发板上电， MCU将从系统存储器读取数据启动， 在系统存储器里面厂家烧写的串口下载程序， 此时可以通过USART1烧写新程序到主存储器。

（3）BOO1为1， BOOT1为1，开发板上电， MCU将直接从内部SRAM启动，SRAM的烧写次数寿命比Flash更多，可用于调试。

通常，我们只使用主存储器启动即可。 从系统存储器启动，实现从串口下载程序也逐渐被淘汰， STM32的高端MCU已经不支持该方式下载。从SRAM启动也没什么必要，目前Flash的烧写寿命次数也远远超过用户实际烧写次数。