STM32单片机F103核心要点详解：从时钟系统到外设配置50条笔记

学习STM32单片机，尤其是经典的F103系列，掌握其核心架构与配置要点是深入开发的基础。本文整理了50条关键学习笔记，涵盖时钟、GPIO、中断、定时器、PWM、FLASH操作等核心主题，旨在帮助开发者快速构建知识体系，避开常见误区。

一、 时钟与总线架构

1. AHB系统总线分为APB1（最高36MHz）和APB2（最高72MHz）。数字2>1表示APB2连接的是高速外设。
2. 头文件stm32f10x.h类似于51单片机中的reg52.h，包含了基本的位操作和寄存器定义；而stm32f10x_conf.h则用于集中管理外围器件的头文件包含，起到配置开关的作用。
3. HSE Osc (High Speed External Oscillator) 指高速外部晶振，通常接8MHz。HSI RC (High Speed Internal RC) 指高速内部RC振荡器，频率约为8MHz。
4. LSE Osc (Low Speed External Oscillator) 指低速外部晶振，通常为32.768KHz，用于RTC。LSI RC (Low Speed Internal RC) 指低速内部RC振荡器，频率约40KHz，为独立看门狗和自动唤醒单元提供时钟源。
5. SYSCLK（系统时钟）的来源有三个：HSI RC、HSE OSC和PLL（锁相环输出）。

6. MCO[2:0] 引脚（PA8）可以输出4种不同的时钟信号，用于同步或测试。
7. GPIO内部通常集成两个反向串联的二极管，连接到VDD和VSS，起到钳位保护作用，防止引脚电压过高或过低。

8. 总线矩阵采用轮询算法，对系统总线和DMA访问进行仲裁。
9. 主要总线包括：ICode总线（取指令）、DCode总线（取数据）、系统总线、DMA总线、总线矩阵以及AHB到APB的桥接。
10. 关键步骤：在使用任何外设前，必须通过设置RCC_AHBENR或RCC_APBxENR寄存器来开启该外设的时钟。
11. STM32采用小端模式存储数据。
12. 内存地址映射空间被划分为8个块，每块大小为512MB。
13. FLASH页的大小：小容量和中容量产品为1KB，大容量产品为2KB。
14. “系统存储区”(System Memory)由ST公司固化，用户无法修改，其中存放了Bootloader程序，用于通过串口等方式对主存储区（用户程序区）进行重新编程。因此，烧录程序时通常需设置BOOT1=0，通过内置的引导程序来更新FLASH中的中断向量表和代码。
15. STM32F1系列内核（Cortex-M3）的工作电压（Vcore）为1.8V。

二、 复位、GPIO与中断系统

16. STM32有三种复位：系统复位、电源复位和备份域复位。
    • 系统复位：除RCC_CSR中的复位标志和备份寄存器（BKP）外，所有寄存器均复位。可由外部复位引脚、看门狗、软件触发等引起。
    • 电源复位：由电源上电/掉电或从待机模式返回引发。除BKP外，所有寄存器复位。
    • 备份域复位：仅复位备份区域寄存器，由软件或VDD/VBAT均掉电触发。
17. 单片机复位后，所有I/O端口默认处于浮空输入模式，这是为了降低功耗和防止意外损坏。
18. 中断资源：STM32F103系列有60个可屏蔽中断通道，STM32F107等互联型有68个。所有型号均有16个可编程优先级和16个内核中断。
19. 系统启动后，从地址0x00000004（存储初始堆栈指针）开始执行代码，0x00000000地址保留。
20. NVIC (嵌套向量中断控制器) 管理中断优先级，分为抢占优先级（可嵌套）和子优先级（响应优先级，不可嵌套）。优先级由4位二进制位配置，共有5种分配方案。

21. 中断嵌套规则：高抢占优先级中断可打断低抢占优先级中断。若抢占优先级相同，则比较子优先级，子优先级高的先响应。若两者都相同，则比较硬件中断向量号，编号小的优先。
22. 上电后，默认使用16级抢占优先级（无子优先级）。但所有外部中断的优先级控制字初始为0，因此抢占优先级相同，无法嵌套，需要手动配置分组。
23. NVIC寄存器组包括：ISER/ICER（中断使能/除能）、ISPR/ICPR（中断挂起/解挂）、IABR（中断活动状态）、IPR（中断优先级）。写1操作使能或清除，这种设计基于硬件实现效率考量。
24. 重要：大部分中断标志位需要在中断服务函数内手动清除，否则会导致中断持续触发。
25. 配置外设的通用步骤：1. 使能外设时钟；2. 定义并初始化配置结构体；3. 调用初始化函数。

三、 常用外设要点

26. 串口奇偶校验：若启用奇偶校验，则 USART_InitStructure.USART_WordLength 必须设置为 USART_WordLength_9b（9位数据长度），因为校验位会占用1位。
27. ADC的规则组可自定义转换顺序和通道数。注入组具有更高优先级，可在规则组转换时强行插入，适用于需要紧急采样的信号。
28. 定时器输出比较模式：
    • Timing：冻结，输出不变。
    • Active：匹配时输出有效电平（高）。
    • Inactive：匹配时输出无效电平（低）。
    • Toggle：匹配时电平翻转。
29. STM32的定时器从0开始向上计数，到达设定条件（如匹配、溢出）后产生标志位，然后从0重新开始计数。这与51单片机不同。
30. 最终输出信号 OCx = OCxREF + 极性控制。极性控制决定了有效电平是高还是低。
31. 自动重装载寄存器 (ARR) 和影子寄存器：程序员操作的是ARR。影子寄存器是真正控制计数的“幕后”寄存器。当ARPE(自动重装载预装载使能)位为1时，写入ARR的新值要到下一次更新事件时才更新到影子寄存器，否则立即更新。

32. RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div4) 表示将APB1时钟（PCLK1）进行4分频，作为其下挂载的定时器基准时钟源之一。
33. 配置定时器（如PWM输出）的一般流程：配置RCC时钟、NVIC中断（如需）、GPIO（复用为输出）、TIMx定时器本身。
34. PWM输出能力：一个通用定时器可输出4路PWM；一个高级定时器可输出4路普通PWM外加3路带死区互补的PWM（用于驱动三相电机），共7路。理论上，一个芯片的定时器资源可产生多达30路PWM。
35. 定时器PWM生成原理框图：

36. 时钟路径：高级定时器时钟在APB2上，通用定时器在APB1上。APB1默认2分频（36MHz），但给定时器时会有一个x2的倍频器，因此通用定时器时钟可达72MHz。若APB1未分频，则定时器时钟直接等于APB1时钟。TIM_SetAutoreload() 用于改变PWM频率，TIM_SetCompare1() 用于改变通道1的占空比。
37. 电机驱动对比：有刷电机启动力矩大；无刷电机运行力矩大，通过霍尔传感器检测转子位置进行电子换向。
38. 死区时间在驱动桥式电路（如三相逆变）中必不可少，用于防止上下桥臂直通短路，确保开关管有足够时间彻底关断。
39. 高级定时器的刹车功能可在故障时硬件自动强制PWM输出为安全状态（固定占空比或固定电平），实现紧急制动。
40. 生成精确、稳定的PWM信号，推荐使用专门的 PWM模式，其他比较输出模式可能存在相位偏移。
41. 对内部FLASH进行编程（写）操作前，必须先解锁，操作完成后需再加锁。FLASH特性是“写0易，写1难”，只能将1写成0，擦除操作是将整页恢复为1。
42. 程序下载方式：
    • ICP (在线编程)：通过JTAG/SWD接口直接烧写，用于开发阶段。
    • IAP (在应用编程)：通过芯片上的接口（如USART、USB、CAN）接收数据并更新自身FLASH，用于产品固件升级。
43. FLASH构成：主存储器（存放用户代码）、信息块（包含启动配置）、系统存储器（存放出厂Bootloader，不可修改）。
44. 注意：在对FLASH执行写或擦除操作时，不能同时进行读操作，否则会锁住总线导致操作失败或系统挂起。
45. 对FLASH进行操作时，必须保证 HIS（高速内部RC振荡器） 或HSE已经开启并稳定。
46. 看门狗类型：
    • IWDG (独立看门狗)：基于独立的LSI时钟，即使主时钟失效也能工作。
    • WWDG (窗口看门狗)：时钟来源于APB1，需要在特定时间窗口内刷新。
47. SPI接口的最高理论通信频率为 fpclk/2，当APB1时钟为36MHz时，SPI最高速率为18MHz；APB2时钟为72MHz时，挂载其上的SPI可达36MHz。
48. 高级定时器（TIM1/TIM8）输出PWM时，需额外使能 主输出 (TIM_CtrlPWMOutputs(ENABLE))，通用定时器无此要求。TIM6和TIM7是基本定时器，无PWM输出功能。

四、 内存管理与总结

49. 程序编译后的内存分布：
    • Code：程序代码。
    • RO-data：只读常量（const变量）。
    • RW-data：已初始化的全局变量和静态变量。
    • ZI-data：未初始化的或初始化为0的全局/静态变量。
    • Code和RO-data、RW-data的初始值存放在FLASH中。
    • RW-data（运行时）和ZI-data存放在RAM中。
    • 启动时，RW-data的初始值从FLASH拷贝到RAM。
50. 以STM32F103ZET6为例，“Z”代表144引脚封装，其中可用GPIO引脚为112个（即PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG口，每组16个，共7组）。

掌握以上50个要点，能帮助开发者更深入地理解STM32的计算机基础与操作系统底层机制，为编写高效、稳定的嵌入式系统程序打下坚实基础。这些笔记整理自实践与官方资料，欢迎在云栈社区交流探讨更多技术细节。