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学习 STM32

· 21 min read
WheelsLab
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STM32 学习笔记整理​

最近几个月系统性地学习了 STM32 编程，计划将零散的学习笔记整理成一系列结构化文档。本篇文章作为整体概览，用于说明后续的创作计划，并对 STM32 编程涉及的核心内容做一个初步梳理。

整体上，我打算将内容拆分为两个系列，并最终整理成较为完整的文档：

  • STM32 基础
    这一部分主要跟随江协科技（购买了其 STM32 套件）以及铁头山羊的 STM32 教程进行学习。在此之前曾简单接触过 51 单片机，但学习到一半后选择中止。对已经具备一定编程基础的学习者而言，直接从 STM32 入手在效率和实用性上都更合适。

  • STM32 平衡车项目
    该系列基于铁头山羊的平衡车套件，是对前述 STM32 基础知识的一次综合实践，同时也会引入一定的自动控制原理。

从更高层次来看，嵌入式系统通常可以分为两大方向：嵌入式 MCU 与 嵌入式 Linux。两者在硬件形态、开发方式以及所需技术栈上均有明显差异。目前我主要关注的是 MCU 方向，而 STM32 则是其中应用最为广泛的一类芯片。

STM32 的入门，本质上是学习其片上外设（即 STM32 内部功能模块）的编程接口。但在真正开始写代码之前，有必要先对单片机的概念以及其与“常规应用程序开发”的差异建立基本认知。

常规应用程序开发依赖于操作系统所提供的各类功能，以及构建在其之上的生态库。应用程序本质上是由操作系统管理的一个或多个进程，其运行环境、资源分配以及调度行为均由操作系统负责。与之相对，单片机开发通常属于裸机开发（Bare-metal）：系统中不存在通用意义上的操作系统，也很少引入复杂的第三方库。开发者编写的程序几乎就是芯片上运行的全部软件逻辑，代码直接与硬件打交道，负责从上电启动到外设控制的完整流程。

当然，也可以在单片机上引入 RTOS 来提供任务调度等操作系统级能力，但这属于更高一层的抽象，将在后续内容中再展开讨论。

单片机（Single-chip microcomputer）可以被视为一台高度集成的“迷你计算机”。如果有 DIY 电脑的经验，就会知道一台完整的 PC 由 CPU / GPU / 主板 / 内存 / 存储等多个部件构成，不同外设通过各类总线（如南北桥、USB、PCIe）进行连接与通信。单片机在架构上与之类似，其片上外设同样通过内部总线（如 AHB、APB1、APB2）连接到 CPU，只是外设类型更加聚焦于嵌入式场景，例如 USART、I2C、定时器等。从这一角度看，MCU 更接近于手机中的 SoC（System on a Chip）。

img

note

单片机（英语：Single-chip microcomputer，台湾作单晶片，全称单芯片微型计算机），是把中央处理器、存储器、定时/计数器（timer/counter）、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

在实际的软件开发中，很少会完全从零开始编写所有内容，而是依赖框架或库来屏蔽底层细节。例如前端开发中的 React、Java 后端中的 Spring Boot，或 Linux 驱动开发中的 POSIX API。嵌入式开发同样如此。

对于 STM32 而言，芯片原厂（microcontroller vendor）提供了用于简化开发的基础库，主要包括 SPL（Standard Peripheral Library，已停止维护） 和 HAL（Hardware Abstraction Layer，官方主推）。这些库对寄存器级操作进行了封装，使开发者可以通过更高层次的 API 来配置和使用外设。而 51 单片机编程往往需要直接查阅 Datasheet 并操作寄存器，而STM32 的入门过程，本质上是理解并正确使用这些外设 API。不过，即便是 API 级别的开发，也需要对 STM32 的硬件结构和外设原理有基本认识。

Inside the STM32Cube ecosystem

在后续的文档中，我将以 SPL 库为基础，系统性地整理各个模块的工作原理与编程方法。

文档：STM32 入门描述
00 STM32STM32 系列单片机整体概述，包括芯片架构、存储器映射、总线体系（AHB / APB）以及基本开发流程
01 GPIO通用输入输出接口，介绍引脚复用、工作模式配置及基本的数字输入输出操作
02 UART串口通信原理与使用方法，包括波特率配置、中断方式收发以及常见调试场景
03 I2CI2C 总线通信机制，主从模式、时序特性及 STM32 中 I2C 外设的配置与使用
04 SPISPI 通信协议原理，多种工作模式及其在 STM32 中的配置与数据传输流程
05 InterruptSTM32 中断体系概述，包括 NVIC、中断优先级以及中断服务函数的基本结构
06 EXTI外部中断与事件控制器，介绍引脚中断触发方式及其与 NVIC 的配合使用
07 Clock时钟系统原理，包括内部 / 外部时钟源、PLL 配置及系统时钟树
08 Timer定时器工作原理，基础定时、输入捕获、输出比较及 PWM 生成
09 ADC模数转换原理，采样与量化过程，以及 STM32 ADC 外设的配置与使用

在此基础上，将展开 STM32 平衡车项目。该项目不仅是对前述基础知识的综合应用，还会引入控制系统相关的概念。文档同样按照模块进行拆分，并继续使用 SPL 进行开发。

文档：STM32 平衡车项目描述
01 项目概述项目整体介绍与效果演示，说明系统组成、硬件结构以及功能目标
02 Battery电池电压采集与电量估算，介绍电源管理及 ADC 在项目中的实际应用
03 Motor电机驱动与调速控制，包括 PWM 输出及电机控制基本原理
04 Encoder编码器接口与速度测量方法，用于获取电机转速等反馈信息
05 MPU6050IMU 传感器使用，姿态数据采集与欧拉角解算过程
06 PIDPID 控制算法原理及其在电机转速控制中的实现
07 Inverted-pendulum倒立摆模型建立，用于描述平衡车系统的动力学特性
08 SpeedLoop速度环控制设计，将速度反馈引入整体控制系统
09 RemoteControl蓝牙通信实现，用于远程控制与参数调节

最后，我计划使用 HAL 库 对平衡车项目进行重构，并将其整理为对比性的文档，以加深对 STM32 不同开发方式的理解。

下面将对各个部分做进一步的简要概述。

STM32 基础​

STM32 是意法半导体（STMicroelectronics） 基于ARM Cortex-M 内核推出的一系列 32 位微控制器（MCU）。根据性能、功耗以及应用场景的不同，ST 将 STM32 划分为多个产品系列，例如主流型、高性能型、低功耗型以及无线系列等。

下图为 STM32 系列芯片的命名规则

https://www.stmcu.com.cn/upload/Selection_Guide.pdf

出于学习和理解的目的，选用入门级的 STM32F103C8T6 已经足够，也就是常见的 Blue Pill 蓝色开发板。

STM32F103C8T6 基本参数含义
STM32ST 公司推出的 32 位 MCU 系列
F103F1 系列，主流入门级产品线
C48 引脚封装
864 KB 片上 Flash 存储
TLQFP 封装形式
6工作温度范围 −40°C ~ 85°C

Blue Pill: Perspective viewBlue Pill: Bottom view

STM32 整体结构概述和一般开发流程​

本文中的教程与示例代码均基于 STM32 最小系统板 + 面包板展开。

最小系统板上已经集成并焊接了维持 MCU 正常运行所必需的基础硬件电路，包括电源、复位以及时钟等相关电路。

关于最小系统板可以看以下视频

image-20260121155806858

而面包板则用于通过飞线连接各类外部模块，方便进行实验和扩展。

Front and back, medium breadboard with power rails exposed

从整体上看，一块 STM32 开发板可以拆分为两个部分：

  1. STM32 MCU 芯片本身
  2. 围绕芯片工作的外部元件

STM32 芯片就是蓝色开发板中央那个方形的黑色芯片：

imgimg

STM32 芯片内部实际上是一个完整的微型计算机系统，其核心是 ARM 公司设计的 Cortex-M 系列内核（可类比为 CPU），周围通过多种总线连接了由 ST 公司设计的片上外设（Peripheral）

这些片上外设包括但不限于：GPIO、USART、I2C、SPI、定时器（TIM）、ADC 等。可以将 STM32 理解为，一个将 CPU、内存和大量外设集成在单一芯片中的嵌入式计算平台。

image-20260120214716773

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STM32 芯片四周分布着一圈银白色的引脚，这些引脚对应的正是 GPIO 模块所管理的物理接口。STM32 正是通过这些引脚与外部世界进行交互。在开发板上，部分引脚会被进一步引出到两排针脚，方便通过面包板连接 LED、按键、传感器等外部元件。这些引脚除了最基础的输出高/低电平之外，更重要的是，这些引脚可以被复用，由 STM32 内部的不同外设模块接管。

例如：

  • USART 模块 → 通过引脚向 PC 发送调试信息
  • I2C 模块 → 通过引脚控制 OLED 屏幕
  • SPI 模块 → 驱动 Flash 或其他高速外设

STM32 的学习核心，本质上就是学会如何配置和使用这些内部模块。

The-Generic-STM32F103-Pinout-Diagram.jpg

GPIO 模块是 STM32 与外部设备之间的接口，可以类比为“硬件层面的 API”。STM32 通常包含多个 GPIO 模块（GPIOA/GPIOB/GPIOC/GPIOD），每个 GPIO 模块会引出若干引脚，例如：

  • PA0 ~ PA15 → GPIOA
  • PC13 → GPIOC 的第 13 号引脚

程序中对某个引脚的控制，本质上就是在操作对应 GPIO 模块的寄存器。从宏观上看，STM32 的外设编程几乎都遵循同一套流程：

  1. 开启模块时钟
  2. 初始化模块参数
  3. 使用模块功能

STM32 的时钟系统（Clock Tree）本身较为复杂，完整展开需要相当多的篇幅。对于初学阶段，可以先建立一个直观认识：

tip

时钟是驱动整个芯片运行的“心跳”。如果不理解可以看下科普视频

img

每一次时钟跳动，ARM Cortex 内核都会向前执行一步指令。这与 PC CPU 的主频概念类似——主频越高，每秒能执行的指令就越多。

在 STM32 内部，不同外设工作在不同的时钟频率下，它们通过不同的总线连接到系统中

  • 高速外设：AHB

  • 低速外设：APB1 / APB2

在实际开发中，只需要记住两点：

  1. 任何外设在使用前都必须开启时钟
  2. 初学阶段，时钟通常配置为较高频率即可

时钟开启后，电路才具备工作条件，接下来就是配置模块参数。以 GPIO 为例，初始化时通常需要指定：使用的引脚号、输入 / 输出模式、是否开启上拉 / 下拉、输出速度。在库函数中，这些参数通常被封装在一个结构体中，我们只需要填充结构体成员，然后将结构体传给对应的初始化函数，即可配置好模块。几乎所有 STM32 外设的初始化流程都遵循这一模式。

初始化完成后，就可以通过库函数来使用模块功能了。下面是一个经典的点灯程序，可以视为嵌入式开发中的 “Hello World”：

BlinkLED.c
#include "stm32f10x.h" // 引入 SPL 库的头文件
#include "Delay.h"

int main(void) {
    // 1. 开启模块时钟
	// 所有外设的运行都依赖时钟
	// PC13 属于 GPIOC，因此需要开启 GPIOC 的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE); // 开启 GPIOC 时钟
	
    // 2. 配置模块参数
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure = {0};			  // 包含 GPIO 配置信息的结构体
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;	  // 开漏输出模式
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;			  // PC13 引脚
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;	  // IO 最大输出速度
	GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
	

	while(1){
		// 3. 使用模块
		GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_13, Bit_RESET); // 亮
		Delay_ms(1000);
		GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_13, Bit_SET); // 灭
		Delay_ms(1000);
	};
}

从 C 源码到单片机上实际运行的程序，还需要经历以下步骤：

  1. 编译（Compile）

  2. 汇编（Assemble）

  3. 链接（Link）

生成的最终产物（如 ELF / HEX / BIN）会被烧录到 STM32 的 Flash 中。

The Definitive Guide to ARM® Cortex®-M3 and Cortex®-M4 Processors 3rd Edition

程序烧录和调试通常通过 调试器（如 ST-Link V2） 完成。除了烧录代码外，调试器的作用还包括：设置断点、单步执行、查看寄存器和内存。

The Definitive Guide to ARM® Cortex®-M3 and Cortex®-M4 Processors 3rd Edition

STM32 平衡车项目概览​

你已经会点灯了，现在我们来做一个平衡车吧（笑）.jpg

这是ooo，你已经学会了，现在去xxx吧！

整个项目中最具挑战、也是最核心的部分，无疑是 PID 控制算法——它直接决定了小车是否能够稳定站立。

下面将从硬件组成、软件结构以及整体控制逻辑三个层面，对该 STM32 平衡车项目进行一个整体概览。

本项目依然基于 STM32F103C8T6（最小系统板）进行开发，整体硬件由以下模块构成：

  • 两个直流减速电机

  • TB6612 电机驱动芯片（可同时驱动两路直流电机）

  • 3 颗 LED，用于电量指示

  • ADC1，用于采集电池电压

  • USART3，连接蓝牙遥控模块

  • I2C1，连接姿态传感器 MPU6050

  • 一个按键，用于控制电机启停

下面是原理图，已经标注了各个模块及其对应的引脚连接方式：

平衡车原理图

从软件结构上看，该项目依然沿用了 STM32 裸机开发中非常典型的一种组织方式：“先初始化所有模块，再在主循环中周期性调用各模块的处理函数。”

下面是程序的 main 函数主体：

/*
 * ************************************************
 * 
 * @author ICLHC
 * @date 2025/10/15
 * @brief 平衡车项目（bilibili@铁头山羊 的 STM32 标准库平衡车课程）
 * 
 * CPU:     STM32F103C8
 * 
 * ************************************************
*/
#include "stm32f10x.h"
#include "app_bat.h"
#include "app_button.h"
#include "app_pwm.h"
#include "app_encoder.h"
#include "app_mpu6050.h"
#include "app_motor.h"
#include "delay.h"
#include "app_usart2.h"
#include "task.h"
#include "app_control.h"
#include "app_rc.h"

int main(void) {
	// 配置中断优先级分组
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_0); // 没有抢占优先级

	App_Bat_Init(); 	// 电池监控
	App_Button_Init(); 	// 电机开关
	App_PWM_Init(); 	// TB6612
	App_Encoder_Init(); // 编码器测速
	App_MotorInit(); 	// 电机调速系统
	App_USART2_Init(); 	// 串口 2 初始化
	App_MPU6050_Init(); // MPU6050 初始化（姿态传感器）
	App_Control_Init(); // 平衡车控制系统（速度环/角度环/转速环）
	App_RC_Init(); 		// 蓝牙遥控器模块

	while(1){

		App_Bat_Proc();
		App_Button_Proc();
		App_Motor_Proc();
		App_MPU6050_Proc();
		App_Control_Proc();
		App_RC_Proc();
	};
}

尽管相较于“点灯程序”复杂了不少，但整体框架其实并没有发生本质变化。

下面按照初始化顺序，简要说明各模块在系统中的角色。

模块名模块类型主要功能关键接口 / 信号
app_bat电池监控通过 ADC 周期性采集电池电压，并用 LED 显示电量状态，为系统提供电源状态反馈，辅助电压补偿与安全运行VBAT_SENSE → ADC1_CH8``App_Bat_Proc()
app_button按键输入控制 TB6612 电机驱动的使能状态，实现电机启停的本地用户控制GPIO 输入App_Button_Proc()
app_pwm电机驱动封装 TB6612，使用 PWM 控制电机转速、GPIO 控制转向，直接执行控制系统给出的电机控制指令PWM ×1 + GPIO ×2 / 电机电机使能、转速、方向接口
app_encoder编码器采集获取电机实际转速与转动角度，作为速度闭环控制中的核心反馈量编码器接口速度 / 角度读取函数
app_motor电机调速系统基于 PID 的电机转速闭环控制，利用实际转速反馈计算目标电压，并换算为 PWM 占空比交由电机驱动模块执行实际转速反馈PWM 占空比输出
app_usart2调试串口通过串口输出运行状态与调试信息，用于参数整定和问题排查USART2
app_mpu6050姿态传感器采集三轴加速度与角速度并计算欧拉角，其中俯仰角作为平衡控制中最关键的姿态反馈信号I2C 接口俯仰角输出
app_control平衡车控制系统由多级 PID 串联构成的核心控制系统：电机转速环 → 俯仰角平衡环 → 前进/后退速度环 → 差速转向环，逐层约束并修正整车运动状态各级 PID 输入 / 输出
app_rc蓝牙遥控接收遥控器控制指令并经 USART3 传输给单片机，用于控制小车运动方向与速度USART3

整个小车的一切，无论是硬件还是软件，都是围绕平衡小车的控制系统来设计的。所有模块的最终目标只有一个：服务于平衡控制系统。

  • 电池电压 → 系统供能与电压补偿

  • 编码器 → 电机转速反馈

  • 姿态传感器 → 俯仰角反馈

  • 蓝牙模块 → 用户控制指令

就拿这个主循环来说，代码中高亮的部分都是在获取传感器的输入或者控制指令，而最终会影响到整个控制系统。

while(1){
		App_Bat_Proc();
		App_Button_Proc();
		App_Motor_Proc();
		App_MPU6050_Proc();
		App_Control_Proc(); // 这个是核心，其他模块都为此服务
		App_RC_Proc();
	};

参考资料​