32 位微控制器概述

Author：余生

引言

在前面的学习中，相信前面学长有给大家介绍什么是嵌入式之类的知识了（没有的话去找他们），这边就不在赘述了。现在，我们就来学习嵌入式的一种重要的设备，STM32。

STM32 是由意法半导体设计、生产并广泛推广的一个基于 ARM Cortex-M 处理器内核的高性能、高集成度、低功耗的 32 位微控制器家族。微控制器 (Microcontroller Unit, MCU) 扮演着核心角色。它集成了处理器核心、存储器、各种输入 / 输出外设以及必要的功能模块于单一芯片上，构成一个完整的微型计算机系统。自推出以来，STM32 凭借其卓越的性能、丰富的产品线、强大的生态系统和出色的性价比，迅速成为工业控制、消费电子、物联网 (IoT)、汽车电子、医疗设备等众多领域的首选微控制器平台之一。

核心架构：ARM Cortex-M

下面的这一部分内容，对一个刚开始学的新生来说，可以算是一个相对枯燥，只有理论没有实践的普及功能，刚开始学的话看不懂很正常。但为了教程的完整性我还是写了，能看懂或者感兴趣的话就看一下，看不懂不想看的你就知道这是一款很好用的微处理器，具有性价比和方便操作的特点，这也是 stm32 为什么这么受欢迎的原因。

大致介绍

STM32 系列的核心是其采用的 ARM Cortex-M 处理器内核。ARM Cortex-M 是 ARM 公司专门为微控制器市场设计的处理器架构系列，具有以下关键特点：

• 32 位 RISC 架构： 提供强大的处理能力和高效的指令执行效率。
• 哈佛总线结构： 指令总线和数据总线分离，允许同时进行取指和数据访问，提高吞吐量。
• 低功耗设计： 提供多种睡眠模式 (Sleep, Stop, Standby)，并支持快速唤醒，非常适合电池供电应用。
• 确定性的中断响应 (NVIC)： 内嵌的嵌套向量中断控制器提供低延迟、可抢占、优先级管理的中断处理能力，满足实时性要求。
• Thumb/Thumb-2 指令集： 提供高代码密度（减少程序存储空间需求）和良好性能的平衡。
• 可选的内存保护单元 (MPU)： 增强系统稳定性和安全性（尤其在高阶型号中）。

STM32 家族覆盖了从入门级到高性能的多个 Cortex-M 子系列内核：

• Cortex-M0/M0+： 超低功耗、低成本，适用于对成本和功耗极度敏感的简单应用。

• Cortex-M3： 性能与效率的平衡点，提供增强的中断处理、系统滴答定时器 (SysTick) 和更优的代码密度，是经典且广泛应用的系列核心。

• Cortex-M4： 在 M3 基础上增加了单精度硬件浮点单元 (FPU) 和 DSP 指令集，显著提升数字信号处理能力，适用于需要复杂计算的应用（如电机控制、音频处理）。

• Cortex-M7： 高性能内核，具有更高主频、双精度 FPU、更深的流水线、指令 / 数据缓存 (Cache)，支持紧耦合内存 (TCM)，适用于图形显示、高级音频、复杂算法等。

• Cortex-M33： 融合性能与安全性，提供 TrustZone 硬件安全隔离技术，适用于物联网安全应用。

• Cortex-M55 (未来 / 特定系列)： 提供更强的 AI/ML 处理能力。

STM32 系列产品的主要特点与优势

STM32 不仅仅是一个内核，而是一个庞大且多样化的产品家族，其共同优势体现在：

• 极其丰富的产品线
• 高性能与高集成度
• 卓越的低功耗特性
• 强大的开发生态系统
• 可靠性与安全性

这边重点讲一下开发生态系统这一点：

stm32 有三种开发方式，分别为寄存器开发，标准库开发，以及 hal 库开发，但无一例外，三种开发方式都是用 c 语言来开发的，调用的库不同而已

1. 寄存器开发（Register-Level）

• 原理：直接操作芯片寄存器（参考《参考手册》寄存器映射表）
• 代码风格：

//c语言
// 示例：点亮PA5引脚LED（F103C8T6）
RCC->APB2ENR |= 1<<2;         // 开启GPIOA时钟
GPIOA->CRL &= ~(0xF<<20);     // 清除PA5配置位
GPIOA->CRL |= (0x01<<20);     // 设置PA5为推挽输出
GPIOA->ODR |= 1<<5;           // 输出高电平

• 优点：
  • 代码执行效率极高，无额外开销
  • 深入理解硬件工作原理（教学核心价值）
• 缺点：
  • 开发效率低（需查阅数百页手册）
  • 可移植性差（更换芯片需重写底层）

1. 标准外设库（Standard Peripheral Library, SPL）

• 状态：官方已淘汰（2015 年后停止更新），但老项目仍在使用
• 代码风格：

//c
GPIO_InitTypeDef gpio;
gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_Init(GPIOA, &gpio);
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);

• 优点：
  • 硬件控制透明化（省去计算寄存器位偏移，但未像 HAL 完全隐藏硬件逻辑）
  • 执行效率高（无抽象性调用层，函数调用开销减少）
• 局限：
  • 仅支持旧型号（如 F1/F4 系列）
  • 外设封装不统一，新功能缺失

1. 硬件抽象层库（Hardware Abstraction Layer, HAL）

• 现代开发主流：ST 官方强力维护，支持全系列芯片
• 开发流程：
  • CubeMX 配置生成初始化代码
  • 调用 HAL API 实现功能
• 代码风格

//c
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);  // 一键控制LED

• 优势：
  • 跨系列兼容（F1/F4/L4/H7 代码通用）
  • 集成高级功能（DMA / 中断回调 / 超时管理）
  • 降低迁移成本和学习曲线
• 争议点：
  • 代码体积较大（可通过 LL 库混合编程优化）
  • 过度封装可能掩盖硬件细节

而在这次的基础课程模块中，我们将跟着江科协的视频一起来学习。开发方式我们选择标准库。这里的教程将会作为一个补充，起到一个帮助你预习，复习的作用。如果你有一定的基础，也可以把这个当成一个字典来使用。

感谢

感谢江科协大佬