ARM Cortex-M3系統設計與實現：STM32基礎篇(第2版)（簡體書）

本書以STM32系列32位Flash MCU為例，以“藍橋杯”嵌入式設計與開發競賽訓練板為硬件平臺，以“一切從簡單開始”為宗旨，介紹ARM Cortex-M3系統的設計與實現。全書分為10章，第1章簡單介紹STM32 MCU和SysTick的結構；第2、3章以一個簡單的嵌入式系統設計為例，詳細介紹SysTick、GPIO和USART的應用設計；第4、5章分別介紹SPI和I2C的結構和設計實例；第6、7章分別介紹TIM和ADC的結構和設計實例；第8、9章分別介紹NVIC和DMA的結構和設計實例；第10章介紹競賽擴展板的使用。書後附有實驗指導，以方便實驗教學。

郭書軍，男，教授，畢業于蘭州大學通信工程。現工作于北方工業大學，曾負責無源RFID讀卡器開發、長距離無源射頻識別標簽閱讀器研製及組網、嵌入式系統實驗平臺開發等項目，主講通信原理、微機原理、嵌入式系統設計，曾榮獲“研究生課程教學獎”。

序 言
世界萬物，智能互聯，這是當下產業界正在推動的新一代技術發展和服務的方向，萬物互聯後產生的大數據可以進一步提升社會效率和推動產業升級，將產生巨大的社會價值。
產業升級，技術創新，離不開與時俱進的人才。
人才的培養，高等學校是最大的培養基地。
作為致力於長期服務中國市場、為中國的產業發展提供最新技術產品的公司，意法半導體一直為中國的用戶提供最前沿的技術，推動生態系統的建設，為用戶提供從芯片到方案的支持。
為了向產業界提供有技術的人才，我們從數年前就開始系統性地和高校開展人才培養計劃，這個計劃包含下列3個方面：
（1）推動精品課程建設：協助高校課程改革，將最前沿的技術和產品帶入教學和實驗中，讓學生接觸體驗到最新技術，為以後就業打好基礎。
（2）實施TTT（老師培訓老師）項目：邀請有開課經驗的老師開展培訓，幫助打算開課的老師提升信心，分享教育經驗和體會。
（3）開展大學生智能互聯校園創新大賽：讓學生通過大賽進一步夯實所學的知識，在一個公平的環境中模擬企業項目，提升自身能力和信心。
在過去數年的探索中，我們驚喜地發現已經有眾多的老師在人才培養方面取得了優異的成果，並且積極分享和持續優化、全方位推動高校課程改革和人才培養。
北方工業大學電子信息工程學院的郭書軍老師就是其中一位，他在本科生和研究生教育方面，一直倡導課程和時代技術發展緊密結合，把市場主流的技術帶進課堂，從2010年開始把STM32作為嵌入式系統設計課程的主要教學載體，升級課程體系，同時鼓勵學生積極參加各項競賽，以賽代練，提高技術能力。同時，郭書軍老師也為工信部人才交流中心舉辦的“藍橋杯”嵌入式設計與開發競賽做出了巨大的貢獻。
喜聞郭書軍老師對《ARM Cortex-M3系統設計與實現―STM32基礎篇》進行改版優化，將硬件平臺更新為競賽訓練板，並在原有寄存器編程的基礎上添加了庫函數介紹和庫函數編程。後來又增加了實驗的視頻演示，更方便大家學習和實驗。新一版教材凝聚了郭書軍老師的辛勤付出，希望為廣大學生帶來一本優質的教材，也為其他院校老師提供很好的借鑒模板。

曹錦東
意法半導體（中國）投資有限公司
中國區微控制器市場及應用總監
2018年8月




前 言
《ARM Cortex-M3系統設計與實現―STM32基礎篇》出版發行後，由於其簡單實用的特點，受到讀者的歡迎。雖然寄存器編程更有利於理解硬件原理，但有一定難度，限制了它的使用範圍。為了惠及更多讀者，更為了作為“藍橋杯”嵌入式設計與開發競賽的培訓教材，本書將硬件平臺更新為競賽訓練板，並在原有寄存器編程的基礎上添加了庫函數介紹和庫函數編程。競賽擴展板推出後，又增加了競賽擴展板各功能模塊的使用介紹。後來又增加了實驗的視頻演示，可通過掃描二維碼打開觀看（目錄中標*章節含二維碼），更方便大家學習和實驗。
全書分為10章，以競賽試題為主線，依次介紹GPIO、USART、SPI、I2C、TIM、ADC、NVIC、DMA的結構和程序設計與實現，最後介紹競賽擴展板各功能模塊的使用。
第1章介紹STM32 MCU和SysTick的結構，重點介紹複位和時鐘控制（RCC）庫函數和SysTick庫函數，方便後續章節的使用。
第2章和第3章分別在介紹GPIO、USART結構和庫函數的基礎上，以嵌入式競賽訓練板為硬件平臺，使用庫函數和寄存器兩種軟件設計方法，介紹GPIO和USART的軟件設計與實現方法，包括新建工程、新建並添加C語言源文件、添加庫文件、生成目標程序文件、調試和運行目標程序等，重點介紹使用仿真器和調試器調試及運行目標程序的步驟和方法。
第4章和第5章分別介紹SPI、I2C的結構和庫函數及程序設計與實現。SPI的編程操作和USART相似，軟件設計實例主要實現了SPI的環回。I2C的編程操作相對複雜一些，設計實例用兩種方法實現了通過I2C讀/寫2線串行EEPROM。
第6章和第7章分別介紹TIM、ADC的結構和庫函數及程序設計。TIM設計實例實現了1s定時、矩形波輸出和矩形波測量程序設計等，ADC設計實例用ADC規則通道實現外部輸入模擬信號的模數轉換和用ADC注入通道實現內部溫度傳感器的溫度測量等。
第8章和第9章分別介紹NVIC、DMA的結構和庫函數及設計實例。中斷和DMA是高效的數據傳送控制方式，對前面介紹的接口和設備數據傳送查詢方式稍做修改即可實現中斷功能，再結合DMA可以實現數據的批量傳送。
第10章介紹競賽擴展板各功能模塊的使用，包括數碼管、ADC按鍵、濕度傳感器、溫度傳感器和加速度傳感器的使用。
書末附有STM32庫函數、引腳功能、訓練板和擴展板介紹等實用資料供讀者參考，還包含8個實驗指導以方便實驗教學。
本書所有設計程序均為原創，並在競賽訓練板和Keil 4.12環境下測試通過。
參與本書編寫和程序調試的還有王玉花、劉哲、王碩、孟群升和田香。在本書的編寫過程中，得到意法半導體（中國）投資有限公司中國區微控制器市場及應用總監曹錦東先生的大力支持，他在百忙中為本書撰寫了序言；在本書的出版過程中，得到北方工業大學的資助及電子工業出版社趙玉山先生和劉真平女士的支持，在此一併表示衷心的感謝。
由於編著者水平所限，書中難免會有不妥之處，敬請廣大讀者批評指正。
E-mail：cortex_m3@126.com，QQ群：STM32學習（489189201）。

編著者
2018年2月

目 錄

第1章 STM32 MCU簡介 （1）
1.1 STM32 MCU結構 （1）
1.2 STM32 MCU存儲器映像 （2）
1.3 STM32 MCU系統時鐘樹 （4）
1.3.1 時鐘控制 （5）
1.3.2 時鐘配置 （7）
1.3.3 APB2設備時鐘使能 （11）
1.3.4 APB1設備時鐘使能 （12）
1.3.5 備份域控制 （13）
1.3.6 控制狀態 （15）
1.4 Cortex-M3簡介 （17）
第2章 通用並行接口GPIO （21）
2.1 GPIO結構及寄存器說明 （21）
2.2 GPIO庫函數說明 （23）
2.3 GPIO設計實例 （26）
2.3.1 使用庫函數軟件設計 （27）
2.3.2 使用寄存器軟件設計 （31）
2.4 GPIO設計實現* （33）
2.4.1 Keil的安裝和使用 （33）
2.4.2 使用仿真器調試和運行目標
程序 （35）
2.4.3 使用調試器調試和運行目標
程序 （42）
2.5 LCD使用 （45）
第3章 通用同步/異步收發器接口USART （50）
3.1 UART簡介 （50）
3.2 USART結構及寄存器說明 （51）
3.3 USART庫函數說明 （54）
3.4 USART設計實例 （56）
3.4.1 USART基本功能程序設計 （57）
3.4.2 與PC通信程序設計 （59）
3.4.3 用printf()實現通信程序
設計 （63）
3.5 USART設計實現* （63）
3.5.1 使用仿真器調試和運行目標
程序 （65）
3.5.2 使用調試器調試和運行目標
程序 （68）
第4章 串行設備接口SPI （70）
4.1 SPI結構及寄存器說明 （70）
4.2 SPI庫函數說明 （73）
4.3 SPI設計實例 （76）
4.3.1 SPI基本功能程序設計 （76）
4.3.2 SPI環回程序設計 （78）
4.3.3 GPIO仿真SPI程序設計 （79）
4.4 SPI設計實現* （80）
第5章 內部集成電路總線接口I2C （84）
5.1 I2C結構及寄存器說明 （84）
5.2 I2C庫函數說明 （88）
5.3 I2C設計實例 （92）
5.3.1 I2C EEPROM庫函數說明 （93）
5.3.2 I2C EEPROM庫函數程序
設計 （95）
5.3.3 GPIO仿真I2C庫函數說明 （97）
5.3.4 GPIO仿真I2C庫函數程序
設計 （100）
5.4 I2C設計實現* （102）
5.4.1 I2C EEPROM庫函數程序
設計實現 （102）
5.4.2 GPIO仿真I2C庫函數程序
設計實現 （104）
第6章 定時器TIM （107）
6.1 TIM結構及寄存器說明 （107）
6.2 TIM庫函數說明 （115）
6.3 TIM設計實例* （124）
6.3.1 1s定時程序設計 （124）
6.3.2 矩形波輸出程序設計 （126）
6.3.3 矩形波測量程序設計 （129）
6.4 實時鐘RTC （132）
6.4.1 RTC結構及寄存器說明 （132）
6.4.2 RTC庫函數說明 （134）
6.4.3 RTC程序設計 （136）
第7章 模數轉換器ADC （139）
7.1 ADC結構及寄存器說明 （139）
7.2 ADC庫函數說明 （145）
7.3 ADC設計實例* （151）
7.3.1 用ADC1規則通道實現外部
輸入模擬信號的模數轉換 （151）
7.3.2 用ADC1注入通道實現內部
溫度傳感器的溫度測量 （154）
第8章 嵌套向量中斷控制器NVIC* （157）
8.1 NVIC簡介 （157）
8.2 EXTI中斷 （162）
8.3 USART中斷 （167）
8.4 TIM中斷 （169）
8.5 ADC中斷 （171）
第9章 直接存儲器存取DMA* （173）
9.1 DMA簡介 （173）
9.2 USART的DMA操作 （177）
9.3 ADC的DMA操作 （179）
第10章 競賽擴展板的使用 （182）
10.1 數碼管的使用 （182）
10.2 ADC按鍵的使用 （183）
10.3 濕度傳感器DHT11的使用 （186）
10.4 溫度傳感器DS18B20的使用 （188）
10.5 加速度傳感器LIS302DL的使用 （194）
附錄A STM32庫函數 （197）
附錄B STM32引腳功能 （212）
附錄C CT117E嵌入式競賽訓練板簡介 （224）
附錄D CT117E嵌入式競賽擴展板簡介 （229）
附錄E ASCII碼表 （233）
附錄F C語言運算符 （234）
附錄G 實驗指導 （235）
實驗1 GPIO應用 （235）
實驗2 USART應用 （236）
實驗3 SPI應用 （236）
實驗4 I2C應用 （237）
實驗5 TIM應用 （238）
實驗6 ADC應用 （239）
實驗7 NVIC應用 （240）
實驗8 DMA應用 （240）
參考文獻 （241）