嵌入式学习笔记——STM32硬件基础知识

前言

上一篇中我们重点是讲了一下怎么搭建开发环境以及怎么下载烧录的过程，这都是解决的电脑端的开发环境问题，还没有到实际的开发板上，我们的单片机是都是焊接在开发板上的，PCB上有着它所需的工作电路。并不是直接给供电电压就可以让其工作的，本文主要是简介一下STM32的开发的部分硬件知识。

单片机参数

主频

在前面我们提到过ARM的不同架构的主频是不一样的，这个主频在单片机上的提现就是频率，也就是它决定着单片机的性能或者说是处理速度，主频越高，单位时间内可以处理的指令越多，处理速度越快，性能自然也就越高。
例如：STM32F103ZET6的主频是72MHZ那么就说明它在一秒内可以处理72M（72 000 000）条机器指令，注意是机器指令，不是代码条数，我们所有的代码都是被编译器编译二进制的机器指令供给单片机运行的，在编程中，最开始使用一种基础延时，就是利用单片机运行一定数量的机器周期实现的，而且所有的片内外设都离不开时钟操作，所以对于主频这个参数我们一定要清楚。

位数

前面也提到过，STM32是一款32位的单片机，这个32位的具体含义是个指在运行过程中，单次运行能够处理多少位的二进制数，像51单片机这类8位单片机，单次就只能处理8个二进制位，也就是256种状态，而STM32单次可以处理32位，也就是2^32种状态，差别可以说是很夸张了，当然实际中没有这么夸张，一般都是把一个32位的寄存器分段定义给不同的外设来进行控制的，这个在下一篇的寄存器控制GPIO中就会提到。总之，位数也是决定单片机性能的一个参数。

STM32最小系统

关于STM32最小系统的含义直接看看“C知道”的说法吧，怎么说呢，这个答案差点意思，但是也八九不离十，个人理解STM32最小系统就是能让它运行起来的最小电路结构，以STM32为核心，围绕其管脚设置有晶振电路、电源电路、复位电路、BOOT选择电路、调试接口电路，以及外接GPIO口。下面我们就以几块常见开发板为例，分模块进行介绍。

电源电路

电源是为STM32以及整个开发板提供驱动能源的，查看STM32的数据手册我们可以看到其对于电源的要求，在手册第五章，有一个电源架构图，其中VDD是标准工作电压，STM32的标准工作电压是3.3V，而VREF是参考电压，是为ADC、DAC提供参考的，VBAT是后备区域供电脚。

注意在VDD左边还放置了一个15100nf+14.7uf，这是因为STM32有多组电源引脚，这些都是用来对电源进行滤波的小电容主要是用来滤除电源中的高频杂波，而大电容一方面是滤除低频噪声，另一方是起到一个电源抗扰作用，可以在一定程度上防止电源被拉低。
根据芯片手册的描述，各个开发板生产商都会按照要求来制作自己的电路，

可以发现产商都是严格参照数据标准进行设计的下图是正点原子的探索者开发板的电源部分截图。

在进行PCB绘制的时候就需要将上面的104电容放到每一组电源之前，下图为立创的梁山派，白色部分为VDD电源输入，可以看见每一组接到管脚的电源都是经过了一个电容滤波的。

如果是自己做开发板必须严格参照数据手册的电压电流限制，以及其他硬性指标，而且要多多参考市面上已有方案的设计，可以借鉴。当然软件开发的人也并不是一点硬件都不用管，就好比你去做开发，突然单片机不工作了，我们排除问题的首选就是要去查看电源电压是否还正常，要去测一下STM32的3.3V供电还是否正常，如果电源电压都异常了，大概率是芯片短路了或者部分引用电路短路了。
正点原子资料下载中心http://www.openedv.com/docs/index.html
在设计单片机的电源时，尽量选用LDO（线性电源）而非DCDC(开关电源)，原因在于，DCDC的纹波大，会影响单片机的运行稳定性。

晶振电路

晶振电路的作用是给单片机运行提供一个准确的时间基准，保证单片能够有序的运行。

在芯片手册中关于振荡频率的描述是说需要选取4-26MHZ的振荡源（晶振）

然后官方给出了一个8MHZ的参考电路，现在大部分厂商的外置晶振都是参照的下面这个8MHZ。而且给出了CL1与CL2的参考容值，以及特别说明PCB走线时MCU的脚必须尽可能的接近此电路。


下图是正点原子的探索者所用的：

细心同学可能发现了，很多开发板上除了一个8M的晶振还有个32.768K的晶振电路，那么为什么有两个晶振电路呢，实际上整开发板还不止这两个时钟电路，这个在芯片的时钟树就可以看出来了

A： LSI RC:内部低速时钟

B ： LSE ：外部低速时钟，也就是我们看见的板子上的另外一个晶振电路。


C：HSE：外部高速时钟，HSE 的特点是精度非常高，上面的那个8MHZ的晶振电路。
注：谐振器和负载电容必须尽可能地靠近振荡器的引脚，以尽量减小输出失真和起振稳定时间。负载电容值必须根据所选振荡器的不同做适当调整。也就是上面提到的PCB走线及布局时要尽可能接近芯片，减少失真。
D：HSI：内部高速时钟，可以不接外部时钟直接使用其作为时钟源但是其存在不稳定性，精度也不及外部晶振。

小结：STM32的时钟系统既有内部时钟又有外部时钟，既有低速时钟又有高速时钟，内部时钟能用，但是稳定性和精度都不是好，但是可以节省外部元器件，在一定程度上降低了成本；外部时钟有更好的稳定性，更高的速度，只是布线时需要注意尽可能的接近单片机的引脚。下图中红框就是立创梁山派的两组晶振电路，距离主控MCU非常近。

复位电路

我们日常使用电脑或者手机的时候会偶然遇到卡死的状况，单片机也不例外，出现程序卡死就需要使用到复位，让代码重头开始运行；同理，掉电的一瞬间单片机也不知道运行到哪儿了，如果上电不设置复位，那么就可能造成代码混乱，所以我们需要设置上电复位电路，保证上电后代码都说是从第一行开始运行。
STM32是低电平复位，所以正常工作时我们需要为其上拉一个电阻，提供高电平。关于复位的逻辑要求芯片手册中也已经给出，复位时复位管脚需要一个小于0.8V的电压，且时间要持续20us（滤波后的低脉冲时间是100ns未滤波的需要300ns）。这样就可以复位了。

手册中也给出了一个复位电路但这个电路是靠NRST管脚内部上拉来实现正常工作时的NRST保持高电平，此电路仅仅实现了一个硬件复位的功能，但是现在似乎很少见这种方案的(笔者猜测是因为内部上拉太弱了，效果不好，仅仅是猜测，懂得老铁麻烦在评论区说一声)。

现在比较主流的方案是在此电路的基础上再上拉一个电阻，形成一个RC电路，这样在上电的时候，得益于电容充电的延时作用，这个延时时间大约为：t=0.35RC=350us（计算过程参考此文——http://t.csdn.cn/8jiKg），对于20us的逻辑要求绰绰有余，这样就实现了一个上电复位的效果。同时还兼顾硬件复位的功能。

复位实物图：

BOOT选择电路

关于BOOT选择电路说白了就是决定单片机从哪儿读取程序开始启动，有时候代码量超出了片内FLASH的存储量，需要外挂内存来存储代码，这时候就需要改变BOOT来实现扩容，实际使用过程中一般都是够用的，除了存图片之类的可能会超出，一般内置FLASH的空间就够用。

还有就是有时候会因为一下代码时序问题导致芯片内部时序崩溃，无法正常烧录和运行，这时候就可以借用BOOT的启动方式来擦除不正常的代码。

出现ST-LINK无法识别单片机内核，而按下复位又可以看见内核，却无法烧录时可以参考此文进行BOOT操作，就可以解决——Invalid ROM Table解决方法_STM32http://t.csdn.cn/Nls6p

调试接口电路

前面概述的时候我们还有看见过一个东西就是下图所示的JTAG/SW debug这两种接口都是用来调试的，要知道，开发过程中不可能一蹴而就的，整个产品的大量时间都是用来调试的，单片机厂商也都会留出调试的用的IO口。

其中SWD需要占用两个专用IO口，SWDIO与SWCLK，这个与我们使用的ST-LINK是对应的。

还有一种JTAG的调试方式，需要使用五个管脚。

而JTAG模式的IO包含着SW的IO口，所以我们常见的调试接口是2*10pin的排线接口。

以上就是最小系统的常见和必要电路了，除此之外我们还需要读懂一些外设的连接方式图，在原理图中网络标号一致的代表这两个位置是连接在一起的。

其他电路

除了上述必须要的电路结构以外，通常开发板上还会设置LED灯的驱动、蜂鸣器的驱动等等。这些电路也都是我们需要能够看明白的，也需要有排查能力，遇到外设问题要先自己排查，确保不是程序问题再去找其他同事帮忙。现在这个压力超大的时代，能不麻烦别人尽量不麻烦，能自己解决就不辛苦他人。
关于其他电路我们在后面的文章中遇到一个介绍一个，不在此做总论述。
想要详细了解的可以去原子的开源广场下载资料查看，下图就来自正点原子的开源资料。

本文重点

掌握最小系统的构成、知道BOOT选择、调试接口怎么使用。

本文参考博客链接

1.认识STM32最小系统http://t.csdn.cn/4ShDQ
2.STM32 最小系统中的4种电路http://t.csdn.cn/ys4pO
3.STM32F103C8T6复位电路设计http://t.csdn.cn/8jiKg
4.STM32 复位电路设计http://t.csdn.cn/XrRVY
5.STM32 最小系统http://t.csdn.cn/tBM50