使用寄存器点亮LED灯
GPIO (General Purpose Input Output)
- 定义：通用输入输出端口的简称，即STM32可控制的引脚。
- 功能：通过与外部设备连接，实现通讯、控制及数据采集。
- 分组与数量：STM32的GPIO分为多组，每组含16个引脚；以STM32F103VET6为例，有GPIOA至GPIOE共5组，芯片总共100个引脚中GPIO占大部分。
- 基础功能：所有GPIO引脚均具备基本的输入输出功能。
STM32最基本输出功能为通过控制GPIO引脚输出高、低电平实现开关控制；最基本的输入功能是检测外部输入电平，如把GPIO引脚连接到按键，通过电平高低区分按键是否被按下。
GPIO框图剖析
基本结构分析
保护二极管&上、下拉电阻
- STM32引脚的两个保护二极管可防外部过高/过低电压：电压高于
时上方二极管导通，低于 时下方二极管导通，避免芯片因异常电压烧毁。 - 但该保护不意味着引脚可直接外接大功率驱动器件（如电机），强制驱动会导致电机不转或芯片烧坏，需通过加大功率及隔离电路驱动。
P-MOS管和N-MOS管
GPIO引脚线路经过两个保护二极管后，向上流向“输入模式”结构，向下流向“输出模式”结构。
我们首先研究输出模式部分，线路经过一个由P-MOS和N-MOS管组成的单元电路。 这个结构使GPIO具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。
推挽模式：
- 定义：因两个MOS管的工作方式得名。
- 工作原理：
- 输入高电平时，经反向后，上方P-MOS导通、下方N-MOS关闭，输出高电平；
- 输入低电平时，经反向后，N-MOS导通、P-MOS关闭，输出低电平；
- 引脚电平切换时，两管轮流导通，P管灌电流，N管拉电流。
- 优势：负载能力和开关速度较普通方式大幅提升。
- 电平范围：低电平0伏，高电平3.3伏。
开漏模式：
- 模式特点：P-MOS管完全不工作。
- 控制输出为0（低电平）：P-MOS管关闭，N-MOS管导通，输出接地。
- 控制输出为1：P-MOS管和N-MOS管均关闭，引脚为高阻态（无法直接输出高电平）。
- 使用要求：需外接上拉电阻（参考开漏电路等效图）。
- “线与”特性：多个开漏引脚相连时，只有所有引脚为高阻态，才由上拉电阻提供其接的电源电压的高电平；若任一引脚为低电平，整条线路均为0伏。
NOTE
- 推挽输出模式：适用于输出电平为0和3.3伏、需高速切换开关状态的场合；在STM32应用中，除必须用开漏模式的情况外，通常优先使用。
- 开漏输出模式：常用于I2C、SMBUS等需“线与”功能的总线电路；也可用于电平不匹配场景（如输出5伏高电平），需外部接5伏上拉电阻，输出高阻态时由上拉电阻和电源提供5伏电平。
输出数据寄存器
前面的双MOS管结构电路的输入信号，是由GPIO“输出数据寄存器GPIOx_ODR”提供的，因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改GPIO引脚的输出电平。 而“置位/复位寄存器GPIOx_BSRR”可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。
复用功能输出
在STM32中，复用功能就是给GPIO引脚赋予“双重身份”——既能当普通的开关（GPIO模式），也能成为外设的专属接口（如串口、SPI等）。这种设计让有限的引脚能被多个外设共享，极大提升了硬件灵活性。
从其它外设引出来的“复用功能输出信号”与GPIO本身的数据据寄存器都连接到双MOS管结构的输入中，通过图中的梯形结构作为开关切换选择。
例如我们使用USART串口通讯时，需要用到某个GPIO引脚作为通讯发送引脚，这个时候就可以把该GPIO引脚配置成USART串口复用功能，由串口外设控制该引脚，发送数据。
引脚的双重控制机制
每个GPIO引脚内部都有一个复用器（Multiplexer），类似一个“多档位开关”，可以将引脚连接到不同的信号源：
- 默认状态：引脚由
GPIO寄存器（如ODR、BSRR）直接控制，输出高低电平（推挽或开漏模式）。 - 复用状态：引脚控制权移交到特定外设（如
USART），由外设的发送/接收逻辑驱动引脚，此时GPIO寄存器的输出被屏蔽。
双MOS管结构的切换逻辑
以推挽输出为例，引脚的驱动电路由两个MOS管（P-MOS和N-MOS）组成：
- GPIO模式：MOS管的导通状态由
GPIO寄存器的值决定。例如，输出高电平时P-MOS导通，低电平时N-MOS导通。 - 复用模式：外设的输出信号（如
USART的TX数据）会直接控制这两个MOS管，取代GPIO寄存器的输出。此时，梯形结构的开关（即复用器）会切断GPIO寄存器的信号路径，接通外设的信号路径。
复用功能的配置流程：以USART串口为例的完整配置步骤
开启三级时钟
- GPIO时钟：例如，若使用PA9作为USART1_TX，需使能GPIOA的时钟：
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); - 外设时钟：使能USART1的时钟：
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE); - AFIO时钟（重映射时必须）：若需将USART1重映射到PB6/PB7，需额外使能AFIO时钟：
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
- GPIO时钟：例如，若使用PA9作为USART1_TX，需使能GPIOA的时钟：
配置GPIO为复用模式
- 设置模式寄存器（MODER）：将PA9配置为复用功能（0b10）：
GPIOA->MODER &= ~(0x03 << 18); // 清除原模式GPIOA->MODER |= (0x02 << 18); // 设置为复用功能 - 选择输出类型（OTYPER）：推挽输出（USART_TX常用）：
GPIOA->OTYPER &= ~(1 << 9); // 0=推挽，1=开漏 - 设置驱动速度（OSPEEDR）：根据需求选择（如50MHz）：
GPIOA->OSPEEDR |= (0x03 << 18); // 0b11=高速 - 配置上拉/下拉（PUPDR）：USART_TX通常无需上拉，浮空即可：
GPIOA->PUPDR &= ~(0x03 << 18); // 0b00=浮空
- 设置模式寄存器（MODER）：将PA9配置为复用功能（0b10）：
指定复用功能编号（AF寄存器）
- AF寄存器的4位编码：每个引脚对应AFRL（引脚0-7）或AFRH（引脚8-15）中的4位。例如，PA9（引脚9）属于AFRH的第1个半字（索引1），需设置为AF7（USART1_TX）：
GPIOA->AFRH &= ~(0xF << 4); // 清除原设置GPIOA->AFRH |= (0x7 << 4); // AF7=0b0111 - 简化写法：使用库函数直接配置：
GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_USART1);
- AF寄存器的4位编码：每个引脚对应AFRL（引脚0-7）或AFRH（引脚8-15）中的4位。例如，PA9（引脚9）属于AFRH的第1个半字（索引1），需设置为AF7（USART1_TX）：
初始化USART外设
- 波特率、数据格式等配置：
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); - 使能USART：
USART_Cmd(USART1, ENABLE);
- 波特率、数据格式等配置：
为什么复用功能能“无缝切换”？
寄存器的互锁设计
AF寄存器独占性：每个引脚的AF编码（0-15）同一时间只能对应一个外设，避免多个外设同时控制同一引脚。- 时钟门控：未使能时钟的外设，即使
AF寄存器配置正确，也无法驱动引脚。例如，USART1时钟未开启时，PA9仍为普通GPIO。
重映射：
- 背景：默认情况下，
USART1_TX固定在PA9，但通过重映射可将其移至PB6（需查看数据手册支持的映射关系）。 - 配置步骤：
- 使能
AFIO时钟：RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); - 调用重映射函数：
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_USART1, ENABLE); - 配置新引脚（如
PB6）的复用功能。
- 使能
- 背景：默认情况下，
输入复用功能的特殊性：
- 外设读取引脚状态：例如
USART的RX引脚需配置为浮空输入，由USART外设直接读取电平，而非通过GPIO的IDR寄存器。 - 配置示例：
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
- 外设读取引脚状态：例如
输入数据寄存器
通讯的基本概念
串行通讯与并行通讯
并行通讯：
用多根数据线（如8、16、32甚至64根等），同时传输多个数据位（图中多组蓝色方块“并行”沿箭头方向移动）。类比“多车道公路”，可同时传输多个数据位，短距离下传输效率较高，但需要更多数据线。
串行通讯：
用少量数据线（一般8根以下），将多个数据位按顺序一位一位地传输（图中多组蓝色方块“依次排成一列”，沿箭头方向“逐个”传输）。类比“单车道公路”，同一时刻只能传输一个数据位，虽传输速度看似慢，但节省数据线资源，更适合长距离传输。
| 特性 | 串行通讯 | 并行通讯 |
|---|---|---|
| 通讯距离 | 较远 | 较近 |
| 抗干扰能力 | 较强 | 较弱 |
| 传输速率 | 较慢 | 较高 |
| 成本 | 较低 | 较高 |
- 串行通讯：靠“少量数据线，逐位传输”，因此成本低、抗干扰强、能长距离传输，但“逐位传”导致速率慢。
- 并行通讯：靠“多根数据线，同时传多个数据位”，因此速率高，但“多线同步要求高、易受干扰”，且数据线多导致成本高、仅适合短距离。
技术趋势
并行通讯的短板：对“多数据线同步性”要求极高，且速率越高，信号间干扰越严重，会大幅影响通讯质量。
因此，随着技术发展，“高速串行差分传输”逐渐成为主流——既保留了串行“长距离、抗干扰、低成本”的优势，又通过技术优化弥补了“速率慢”的不足，所以更多场景（如高速数据传输）开始采用串行通讯。
全双工、半双工和单工通讯
- 全双工通讯
- 说明：同一时刻，两个设备能“同时发送+同时接收”数据。
- 类比案例：打电话——你说话（发）的同时，能听到对方说话（收），双向同步进行。
- 半双工通讯
- 说明：两个设备能收发数据，但“不能同时进行”，需“分时切换方向”。
- 类比案例：对讲机——一方按对讲键“发”时，另一方只能“收”；松开后，另一方才能按对讲键“发”，双向分时进行。
- 单工通讯
- 说明：任何时刻只能“单方向”通讯，发送设备和接收设备“固定不变”（发的一直发，收的一直收，无法反向）。
- 类比案例：广播——电台（固定发）持续发送信号，收音机（固定收）只能接收，无法向电台传输数据。
三种方式的核心区别，在于 “数据传输方向的同时性、双向灵活性” ：全双工最灵活（同时双向），半双工次之（分时双向），单工最受限（固定单向）。
同步通讯与异步通讯
- 同步通讯
- 特点：收发设备（设备A、设备B）会使用单独的时钟信号线，在时钟信号的“驱动”下协调同步，完成数据传输。
- 过程：
- 上方示意图：橙色线为“时钟信号”，蓝色线为“数据信号”，双方通过时钟线同步节奏。
- 下方时序图：时钟信号是规律的脉冲（如“上升沿/下降沿”），数据信号在时钟的“节拍”下传输，双方约定在时钟的上升沿/下降沿对数据线“采样”（读取数据）。
- 异步通讯
- 特点：不使用单独的时钟信号线，而是直接在“数据信号”中“穿插同步信息”（如把数据打包成“数据帧”，或嵌入同步用的信号位）；部分场景需双方约定“数据传输速率”（如波特率）辅助同步。
- 过程：
- 上方示意图：只有蓝色的“数据信号”线连接设备A、B，无额外时钟线。
- 下方数据帧图示：数据被打包成“帧”，包含「通讯起始位」（标记传输开始）、「主体数据」（实际要传的内容）、「数据校验位」（校验数据正确性）、「通讯停止位」（标记传输结束）——通过帧内部的这些结构实现“同步”，无需外部时钟。
简言之，同步通讯靠外部时钟信号同步，异步通讯靠数据帧内部结构/约定速率同步，这是两者最关键的区别。
通讯速率
- 比特率（Bitrate）
是衡量通讯性能的重要参数，定义为“每秒钟传输的二进制位数”，单位是比特每秒（bit/s）。
- 波特率（Baudrate）
表示“每秒钟传输的码元数”。其中，码元是通讯信号调制的概念，指“时间间隔相同的符号”，用于表示二进制数字。
二者的关系：
情况1：若用「0V表示数字0，5V表示数字1」，则1个码元能表示2种状态（0或1），即1个码元等价于1个二进制比特位。此时，波特率的大小与比特率一致。
情况2：若用「0V、2V、4V、6V分别表示二进制数00、01、10、11」，则1个码元能表示4种状态，即等价于2个二进制比特位。此时，码元数是二进制比特位数的一半，波特率为比特率的一半。
很多通讯场景中，1个码元仅表示2种状态（如情况1），因此人们常直接用“波特率”代指“比特率”。但严格来说，两者概念不同，需明确：比特率描述“二进制位数的传输速率”，波特率描述“码元的传输速率”，只有当1个码元对应1个二进制比特位时，两者数值才相等。
USART -- 串口通讯
串口通讯协议简介
串口通讯（Serial Communication）是设备间十分常用的串行通讯方式，因其简单便捷的特点，被大部分电子设备支持；电子工程师调试设备时，也常通过它输出调试信息。
分层简化思想
计算机科学中，复杂问题常通过「分层」来简化（比如“芯片分为内核层与片上外设”“STM32标准库是寄存器与用户代码之间的软件层”）。对于通讯协议，最基础的分层是 物理层 和 协议层，二者分工不同：
- 物理层：规定通讯系统中“机械、电子功能部分”的特性，确保原始数据能在物理媒体（如导线等）中传输。（类比：规定“用嘴巴还是肢体”来传递信息）
- 协议层：规定通讯逻辑，统一收发双方“数据打包、解包”的标准。（类比：规定“用中文还是英文”来传递信息）
物理层
串口通讯物理层有多种标准/变种，我们侧重 RS-232标准 —— 它规定了串口通讯的信号用途、通讯接口（如DB9接口） 和电平标准。
图中展示了两个设备（A、B）通过RS-232标准通讯的流程：
- 设备内部的“控制器”（如单片机等），自身使用的是 TTL电平 的信号。
- 由于 RS-232的电平标准与TTL不兼容（控制器无法直接识别RS-232电平），因此需要 “电平转换芯片” 做中间转换：
- 发送时：把控制器的TTL电平，转换成RS-232标准的电平；
- 接收时：把RS-232电平，转回控制器能识别的TTL电平。
- 设备间通过 DB9接口，借助遵循RS-232标准的 串口信号线 建立物理连接，传输数据信号。
电平标准
这部分内容围绕串口通讯的电平标准，对比了 TTL标准 和 RS-232标准，核心要点如下：
| 通讯标准 | 电平标准（发送端） |
|---|---|
| 5V TTL | 逻辑 1：2.4V - 5V 逻辑 0：0 - 0.5V |
| RS - 232 | 逻辑 1：-15V ~ -3V 逻辑 0：+3V ~ +15V |
设计意图：
- TTL电平是电子电路中常用的本地信号标准，但传输距离近、抗干扰能力弱。
- RS-232采用正负电压表示逻辑（逻辑1为负电压，逻辑0为正电压），目的是增强串口通讯的远距离传输能力和抗干扰能力。
波形图的直观对比：
- RS-232波形：逻辑1对应低电压（接近-15V），逻辑0对应高电压（接近+15V）；
- TTL波形：逻辑1对应高电压（接近5V），逻辑0对应低电压（接近0V）。
通过波形可直观看到：两种标准对“逻辑1/0”的电压定义完全相反，且RS-232的电压摆幅（正负15V）远大于TTL（0~5V），这也是它抗干扰、远距离传输的基础。
RS-232信号线
RS-232串口标准最初用于**计算机、路由与调制解调器（MODEM，俗称“猫”）**之间的通讯。
通讯系统中，设备被分为两类：
- 数据终端设备（DTE）：如计算机、路由（负责发起/接收数据）；
- 数据通讯设备（DCE）：如调制解调器（负责数据的“调制/解调”，辅助通讯）。
旧式台式计算机通常配备 RS-232标准的COM口（又称DB9接口），并通过串口线实现设备间的物理连接。
接口类型：公头与母头：
- 公头：接线口以针式引出信号线；
- 母头：接线口以孔式引出信号线。
实际应用中，计算机一般引出公头接口，调制解调器多引出母头，通过串口线可完成二者的连接。
| 序号 | 名称 | 符号 | 数据方向 | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 载波检测 | DCD | DTE→DCE | Data Carrier Detect，数据载波检测，用于 DTE 告知对方本机是否收到对方的载波信号 |
| 2 | 接收数据 | RXD | DTE←DCE | Receive Data，数据接收信号，即输入。 |
| 3 | 发送数据 | TXD | DTE→DCE | Transmit Data，数据发送信号，即输出。两个设备之间的 TXD 与 RXD 应交叉相连 |
| 4 | 数据终端(DTE)就绪 | DTR | DTE→DCE | Data Terminal Ready，数据终端就绪，用于 DTE 向对方告知本机是否已准备好 |
| 5 | 信号地 | GND | - | 地线，两个通讯设备之间的地电位可能不一样，会影响收发双方的电平信号，所以两个串口设备之间必须要使用地线连接，即共地。 |
| 6 | 数据设备(DCE)就绪 | DSR | DTE←DCE | Data Set Ready，数据发送就绪，用于 DCE 告知对方本机是否处于待命状态 |
| 7 | 请求发送 | RTS | DTE→DCE | Request To Send，请求发送，DTE 请求 DCE 本设备向 DCE 端发送数据 |
| 8 | 允许发送 | CTS | DTE←DCE | Clear To Send，允许发送，DCE 回应对方的 RTS 发送请求，告知对方是否可以发送数据 |
| 9 | 响铃指示 | RI | DTE←DCE | Ring Indicator，响铃指示，表示 DCE 端与线路已接通 |
ADC—电压采集
ADC简介
STM32f103 系列有3个ADC，精度为12位，每个ADC最多有16个外部通道。其中ADC1和ADC2都有16个外部通道， ADC3根据CPU引脚的不同通道数也不同，一般都有8个外部通道。ADC的模式非常多，功能非常强大，具体的我们在功能框图中分析每个部分的功能。
IWDG -- 独立看门狗
IWDG简介
STM32有两类看门狗：独立看门狗（IWDG）和窗口看门狗，前者被形象称为“宠物狗”。
- 本质：IWDG是一个12位递减计数器——当计数器从初始值减到0时，系统会产生
IWDG_RESET复位信号；若在“减到0前”刷新计数器值（即“喂狗”操作），则不会复位。 - 供电与工作模式：由
VDD电压域供电，即使系统进入停止模式或待机模式，IWDG仍能正常工作。
IWDG功能框图剖析
- LSI时钟源：IWDG的时钟由内部RC振荡器LSI提供（频率通常取
40KHz，实际范围30~60KHz，受温度/工况影响有漂移）。LSI独立于主时钟，因此即使主时钟故障，IWDG仍能可靠工作。 - 8位预分频器：对LSI时钟做分频，分频因子由**预分频寄存器
IWDG_PR**配置（可选分频因子：4,8,16,32,64,128,256等），最终产生“计数器时钟”。 - 12位递减计数器：由预分频后的时钟驱动，不断递减计数；若计数到0，立即触发
IWDG复位， 让程序重新启动运行. - 重装载数值与寄存器：**重装载寄存器
IWDG_RLR**存储“要重新装入计数器的初始值”；喂狗时，该值会被装入递减计数器，让计数“从头开始”，避免减到0。 - 键寄存器
IWDG_KR：用于“喂狗”或“启动IWDG”等操作（需写入特定键值，如0xAAAA表示喂狗，0xCCCC表示启动看门狗）。
- 状态寄存器
IWDG_SR：用于指示IWDG的工作状态（如“重装载操作是否完成”等）。
IWDG超时实验
硬件设计
所需硬件资源：
- IWDG：STM32单片机内部资源，无需额外外部电路。
- 按键一个：用于执行“喂狗”操作（刷新看门狗计数器，避免系统复位）。
- LED两个：作为状态指示——喂狗成功时，LED2点亮；喂狗失败时，程序会重启，此时LED1会“灭一次”（体现系统复位的过程）。
软件设计
为封装IWDG的功能，需要编写两个驱动文件：
bsp_iwdg.h（头文件）和bsp_iwdg.c（源文件），用于存放IWDG的初始化、配置等函数，让IWDG的操作更模块化、易调用。
简单来说，这个实验通过“按键喂狗”的交互，结合LED状态，直观展示“看门狗正常工作（喂狗成功）”和“看门狗超时（喂狗失败导致复位）”的不同现象，并通过专用驱动文件管理IWDG的软件配置。
Tuntun Yuchiha