前言

STM32F405系列微控制器是意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）基于ARM Cortex-M4內(nèi)核開發(fā)的高性能產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。本手冊(cè)旨在為工程師和開發(fā)者提供一份詳細(xì)的中文參考資料，深入解析STM32F405的各項(xiàng)功能、寄存器配置以及編程方法。通過(guò)本手冊(cè)的學(xué)習(xí)，讀者將能夠全面掌握STM32F405的開發(fā)要點(diǎn)，為實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。我們將著重介紹其核心架構(gòu)、存儲(chǔ)器組織、時(shí)鐘系統(tǒng)、中斷管理、通用I/O以及部分常用外設(shè)，力求內(nèi)容詳盡、易于理解，并提供足夠的細(xì)節(jié)以滿足實(shí)際開發(fā)需求。

第一章 STM32F405概述

1.1 Cortex-M4內(nèi)核

STM32F405系列微控制器搭載了高性能的ARM Cortex-M4處理器，該內(nèi)核在Cortex-M3的基礎(chǔ)上增加了單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU）和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）指令集，使其在處理復(fù)雜算法和信號(hào)處理任務(wù)時(shí)具備顯著優(yōu)勢(shì)。Cortex-M4內(nèi)核具有哈佛結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)總線分離，可以同時(shí)進(jìn)行指令取指和數(shù)據(jù)訪問(wèn)，極大地提高了處理效率。此外，其內(nèi)置的NVIC（嵌套向量中斷控制器）提供了高效的中斷管理機(jī)制，支持多個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)配置和嵌套處理，確保系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。內(nèi)核的低功耗特性也使其適用于對(duì)能耗有嚴(yán)格要求的嵌入式系統(tǒng)。

1.2 器件特性

STM32F405系列微控制器擁有豐富的片上資源和強(qiáng)大的處理能力。其主頻最高可達(dá)168 MHz，提供了充足的運(yùn)算能力來(lái)應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景。片內(nèi)存儲(chǔ)器包括高達(dá)1MB的閃存（Flash）用于程序存儲(chǔ)，以及高達(dá)192KB的SRAM用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)行時(shí)變量。這些存儲(chǔ)器提供了充足的空間來(lái)承載復(fù)雜的操作系統(tǒng)、圖形界面和大數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

除了強(qiáng)大的處理核心和存儲(chǔ)器，STM32F405還集成了眾多高性能外設(shè)，包括多個(gè)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、定時(shí)器、通用同步/異步收發(fā)器（USART）、串行外設(shè)接口（SPI）、I2C總線接口、USB OTG全速/高速控制器、以太網(wǎng)MAC、CAN總線等。這些外設(shè)為各類應(yīng)用提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、通信和控制能力。例如，其多達(dá)3個(gè)12位ADC，支持多通道采樣和交錯(cuò)模式，可實(shí)現(xiàn)高速精確的模擬信號(hào)采集；多達(dá)2個(gè)12位DAC可用于生成模擬信號(hào)；多達(dá)17個(gè)定時(shí)器提供了靈活的PWM生成、輸入捕獲和計(jì)數(shù)功能。廣泛的通信接口使其能夠輕松地與其他設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

1.3 引腳和封裝

STM32F405系列提供了多種封裝類型，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，常見(jiàn)的有LQFP64、LQFP100、LQFP144等。不同封裝的引腳數(shù)量和可用GPIO資源有所差異。用戶在選擇封裝時(shí)需要根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的引腳需求、PCB板尺寸以及成本等因素進(jìn)行綜合考量。每個(gè)引腳的功能都是可編程的，可以通過(guò)配置相應(yīng)的寄存器來(lái)選擇作為通用輸入/輸出（GPIO）、模擬輸入、外部中斷源、或特定外設(shè)的功能引腳。理解引腳復(fù)用功能是STM32開發(fā)中的重要環(huán)節(jié)，它允許在有限的引腳資源上實(shí)現(xiàn)多種功能。

第二章 存儲(chǔ)器和總線

2.1 存儲(chǔ)器映射

STM32F405的存儲(chǔ)器采用統(tǒng)一的線性地址空間，所有片內(nèi)和片外存儲(chǔ)器以及外設(shè)寄存器都被映射到這個(gè)地址空間中，用戶可以通過(guò)指針訪問(wèn)任何地址。這種統(tǒng)一的存儲(chǔ)器映射極大地簡(jiǎn)化了編程模型。地址空間被劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)不同的功能：例如，閃存區(qū)域用于存儲(chǔ)程序代碼和常量數(shù)據(jù)，SRAM區(qū)域用于存儲(chǔ)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)和堆棧，外設(shè)寄存器區(qū)域用于配置和控制各種片內(nèi)外設(shè)。這種清晰的劃分有助于開發(fā)者管理存儲(chǔ)器資源和優(yōu)化代碼。了解存儲(chǔ)器映射圖對(duì)于進(jìn)行底層編程、優(yōu)化內(nèi)存使用以及調(diào)試都至關(guān)重要。

2.2 閃存（Flash Memory）

閃存是STM32F405用于存儲(chǔ)程序代碼、常量數(shù)據(jù)以及用戶配置數(shù)據(jù)的主要非易失性存儲(chǔ)器。其容量根據(jù)具體型號(hào)有所不同，最高可達(dá)1MB。閃存被劃分為多個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)可以獨(dú)立擦除和編程。閃存具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，確保程序在芯片斷電后不會(huì)丟失。STM32F405的閃存控制器提供了讀保護(hù)、寫保護(hù)和扇區(qū)保護(hù)等功能，可以有效保護(hù)程序的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和數(shù)據(jù)的安全性。此外，它還支持IAP（在應(yīng)用編程）和ISP（在系統(tǒng)編程）功能，允許用戶通過(guò)軟件或外部編程器對(duì)閃存進(jìn)行更新。

2.3 SRAM（Static Random Access Memory）

SRAM是高速的易失性存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)程序運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)、變量、堆棧以及DMA緩沖區(qū)。STM32F405的SRAM容量最高可達(dá)192KB，分為多個(gè)區(qū)域，包括主SRAM和CCM（Core Coupled Memory）SRAM。CCM SRAM與Cortex-M4內(nèi)核緊密耦合，具有更低的訪問(wèn)延遲，適合存放對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的代碼段或關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以提高程序執(zhí)行效率。由于SRAM是易失性的，當(dāng)芯片斷電時(shí)，其中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。因此，對(duì)于需要掉電保持的數(shù)據(jù)，通常會(huì)將其存儲(chǔ)在閃存或外部EEPROM中。

2.4 總線結(jié)構(gòu)

STM32F405內(nèi)部采用了多層AHB（Advanced High-performance Bus）和APB（Advanced Peripheral Bus）總線矩陣結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了CPU、DMA控制器、閃存、SRAM以及各種外設(shè)之間的高效并行數(shù)據(jù)傳輸。這種多層總線架構(gòu)允許多個(gè)主設(shè)備（如CPU和DMA）同時(shí)訪問(wèn)不同的從設(shè)備（如閃存和SRAM），從而避免了總線沖突，提高了系統(tǒng)整體性能。AHB總線負(fù)責(zé)高速外設(shè)和存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳輸，而APB總線則連接速度相對(duì)較慢的外設(shè)。這種分層設(shè)計(jì)優(yōu)化了總線帶寬的利用率，確保了系統(tǒng)各部分的協(xié)調(diào)工作。

第三章 時(shí)鐘系統(tǒng)

3.1 時(shí)鐘源

STM32F405提供了多種靈活的時(shí)鐘源，以滿足不同應(yīng)用對(duì)精度、穩(wěn)定性和功耗的需求。主要時(shí)鐘源包括：

• 高速外部晶體（HSE）： 通常連接一個(gè)外部晶體振蕩器，提供高精度和高穩(wěn)定性的時(shí)鐘源，是系統(tǒng)主時(shí)鐘的理想選擇。HSE可以作為PLL（鎖相環(huán)）的輸入，生成更高的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。

• 高速內(nèi)部RC振蕩器（HSI）： 片內(nèi)RC振蕩器，無(wú)需外部元件，啟動(dòng)時(shí)間快，但精度相對(duì)較低。適用于對(duì)時(shí)鐘精度要求不高的應(yīng)用，或作為HSE失效時(shí)的備用時(shí)鐘。

• 低速外部晶體（LSE）： 通常連接一個(gè)32.768kHz的外部晶體，主要用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和低功耗模式下的喚醒功能，提供精確的計(jì)時(shí)。

• 低速內(nèi)部RC振蕩器（LSI）： 片內(nèi)RC振蕩器，頻率較低且精度不高，主要用于獨(dú)立看門狗（IWDG）和自動(dòng)喚醒單元（AWU），提供極低功耗操作。

• PLL（鎖相環(huán)）： PLL能夠?qū)⒌皖l時(shí)鐘源倍頻到更高的頻率，是生成系統(tǒng)主時(shí)鐘（SYSCLK）和USB、SDIO等高速外設(shè)時(shí)鐘的關(guān)鍵。它可以通過(guò)配置分頻和倍頻系數(shù)，靈活地生成所需頻率。

3.2 時(shí)鐘樹

STM32F405的時(shí)鐘樹是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，它將不同的時(shí)鐘源經(jīng)過(guò)分頻、倍頻和多路選擇后，分配給CPU內(nèi)核、總線以及各個(gè)外設(shè)。理解時(shí)鐘樹的結(jié)構(gòu)和配置對(duì)于正確地使能和配置外設(shè)至關(guān)重要。

• SYSCLK（系統(tǒng)時(shí)鐘）： 可以選擇HSE、HSI或PLL作為系統(tǒng)主時(shí)鐘源。CPU內(nèi)核、AHB總線和許多外設(shè)都工作在SYSCLK或其分頻后的頻率上。

• AHB總線時(shí)鐘（HCLK）： 由SYSCLK經(jīng)過(guò)AHB預(yù)分頻器生成，提供給CPU內(nèi)核、DMA、閃存和SRAM。

• APB1總線時(shí)鐘（PCLK1）： 由HCLK經(jīng)過(guò)APB1預(yù)分頻器生成，用于連接低速外設(shè)，如TIM2-7、UART2-5、SPI2-3、I2C1-3、PWR、DAC等。

• APB2總線時(shí)鐘（PCLK2）： 由HCLK經(jīng)過(guò)APB2預(yù)分頻器生成，用于連接高速外設(shè)，如TIM1、TIM8、USART1、USART6、ADC1-3、SDIO、SPI1等。

正確配置時(shí)鐘分頻系數(shù)對(duì)于確保外設(shè)正常工作和達(dá)到所需性能至關(guān)重要。過(guò)高的時(shí)鐘頻率可能導(dǎo)致功耗增加和不穩(wěn)定，而過(guò)低的時(shí)鐘頻率則會(huì)影響系統(tǒng)性能。

3.3 時(shí)鐘配置

時(shí)鐘配置涉及到操作RCC（Reset and Clock Control）寄存器。開發(fā)者需要根據(jù)應(yīng)用需求，選擇合適的時(shí)鐘源，配置PLL的輸入源、倍頻系數(shù)和分頻系數(shù)，然后將生成的SYSCLK分頻到AHB、APB1和APB2總線。通常的配置步驟包括：

1. 使能選定的時(shí)鐘源（HSE/HSI）。

2. 等待時(shí)鐘源穩(wěn)定。

3. 配置PLL的各項(xiàng)參數(shù)，包括PLL輸入時(shí)鐘源、倍頻因子、分頻因子等。

4. 選擇PLL作為系統(tǒng)時(shí)鐘源。

5. 配置AHB、APB1、APB2總線預(yù)分頻器。

6. 更新系統(tǒng)時(shí)鐘變量SystemCoreClock，以便庫(kù)函數(shù)和用戶代碼能夠正確獲取當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。

STM32CubeMX等工具可以幫助開發(fā)者圖形化配置時(shí)鐘，并生成相應(yīng)的初始化代碼，大大簡(jiǎn)化了時(shí)鐘配置的復(fù)雜性。

第四章 中斷管理

4.1 中斷向量表

中斷向量表是存儲(chǔ)中斷服務(wù)程序（ISR）入口地址的表格。當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，處理器會(huì)根據(jù)中斷源的編號(hào)查找中斷向量表中對(duì)應(yīng)的地址，然后跳轉(zhuǎn)到該地址執(zhí)行中斷服務(wù)程序。STM32F405的中斷向量表位于閃存的起始地址（或根據(jù)啟動(dòng)模式配置的偏移地址），包含復(fù)位向量、NMI（不可屏蔽中斷）向量、硬故障向量以及所有外設(shè)中斷的向量。理解中斷向量表的結(jié)構(gòu)和作用是編寫中斷驅(qū)動(dòng)程序的關(guān)鍵。

4.2 NVIC（嵌套向量中斷控制器）

NVIC是Cortex-M內(nèi)核的一個(gè)重要組成部分，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中的所有中斷請(qǐng)求。它提供了以下關(guān)鍵功能：

• 中斷使能/禁用： 可以獨(dú)立使能或禁用每個(gè)中斷源，以控制其是否能夠觸發(fā)中斷。

• 中斷優(yōu)先級(jí)管理： 每個(gè)中斷源都可以配置一個(gè)優(yōu)先級(jí)，當(dāng)多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的中斷將優(yōu)先得到響應(yīng)。NVIC支持中斷的搶占和嵌套，即一個(gè)高優(yōu)先級(jí)中斷可以打斷一個(gè)正在執(zhí)行的低優(yōu)先級(jí)中斷。

• 中斷掛起/清除： 可以手動(dòng)設(shè)置或清除中斷掛起狀態(tài)，用于軟件觸發(fā)中斷或清除已處理的中斷標(biāo)志。

• 向量表重映射： 允許將中斷向量表重映射到SRAM，這在需要運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)更新中斷向量表時(shí)非常有用。

4.3 外部中斷/事件控制器（EXTI）

EXTI是STM32F405特有的一個(gè)外設(shè)，它允許將GPIO引腳配置為外部中斷或事件的觸發(fā)源。EXTI模塊有23條中斷/事件線，其中大部分與GPIO引腳復(fù)用。

• 中斷模式： 當(dāng)外部信號(hào)滿足觸發(fā)條件（上升沿、下降沿或雙邊沿）時(shí)，EXTI會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求，并由NVIC處理。

• 事件模式： 當(dāng)外部信號(hào)滿足觸發(fā)條件時(shí)，EXTI會(huì)產(chǎn)生一個(gè)事件脈沖，可以用于觸發(fā)其他外設(shè)（如定時(shí)器、ADC、DMA等），而無(wú)需CPU介入，從而降低CPU的負(fù)載。

配置EXTI涉及到以下步驟：

1. 使能相應(yīng)的GPIO時(shí)鐘和EXTI時(shí)鐘。

2. 配置GPIO引腳為輸入模式。

3. 通過(guò)SYSCFG（系統(tǒng)配置控制器）將GPIO引腳映射到EXTI線。

4. 配置EXTI線的觸發(fā)方式（上升沿、下降沿或雙邊沿）。

5. 使能EXTI線的中斷/事件請(qǐng)求。

6. 配置NVIC中對(duì)應(yīng)EXTI中斷的優(yōu)先級(jí)并使能。

EXTI廣泛應(yīng)用于按鍵檢測(cè)、傳感器信號(hào)采集、外部設(shè)備喚醒等場(chǎng)景。

第五章 通用輸入/輸出（GPIO）

5.1 GPIO概述

GPIO（General Purpose Input/Output）是STM32F405最基本也是最重要的外設(shè)之一，它允許微控制器通過(guò)引腳與外部世界進(jìn)行交互。STM32F405的GPIO引腳具有高度的靈活性和可配置性，每個(gè)GPIO引腳都可以獨(dú)立地配置為多種模式，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。GPIO模塊通常通過(guò)寄存器進(jìn)行操作，每個(gè)引腳都有一組專用的控制寄存器位。

5.2 GPIO工作模式

STM32F405的每個(gè)GPIO引腳都可以配置為以下八種基本工作模式：

1. 輸入模式（Input Mode）：

• 浮空輸入（Floating Input）： 引腳不對(duì)信號(hào)進(jìn)行上拉或下拉，適用于連接外部帶有上拉/下拉電阻的設(shè)備，或用于模擬信號(hào)輸入。

• 上拉輸入（Pull-up Input）： 引腳內(nèi)部連接一個(gè)上拉電阻到VDD，當(dāng)外部輸入為低電平時(shí)，引腳為低；當(dāng)外部輸入斷開或高阻態(tài)時(shí)，引腳被上拉到高電平。常用于按鍵檢測(cè)等。

• 下拉輸入（Pull-down Input）： 引腳內(nèi)部連接一個(gè)下拉電阻到VSS，當(dāng)外部輸入為高電平時(shí)，引腳為高；當(dāng)外部輸入斷開或高阻態(tài)時(shí)，引腳被下拉到低電平。

• 模擬輸入（Analog Input）： 用于連接模擬信號(hào)，將引腳配置為模擬輸入模式后，ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）可以對(duì)該引腳上的電壓進(jìn)行采樣。

2. 輸出模式（Output Mode）：

• 開漏輸出（Open-drain Output）： 引腳的輸出級(jí)只包含一個(gè)N溝道MOSFET晶體管連接到VSS，當(dāng)輸出高電平時(shí)，MOSFET關(guān)斷，引腳呈高阻態(tài)；當(dāng)輸出低電平時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，引腳連接到VSS。開漏輸出通常需要外部上拉電阻，可用于I2C總線、電平轉(zhuǎn)換或連接多個(gè)設(shè)備的共享總線。

• 推挽輸出（Push-pull Output）： 引腳的輸出級(jí)包含一個(gè)N溝道MOSFET和一個(gè)P溝道MOSFET，當(dāng)輸出高電平時(shí)，P溝道MOSFET導(dǎo)通，N溝道MOSFET關(guān)斷；當(dāng)輸出低電平時(shí)，N溝道MOSFET導(dǎo)通，P溝道MOSFET關(guān)斷。推挽輸出能夠提供更大的驅(qū)動(dòng)電流，適用于驅(qū)動(dòng)LED、繼電器或數(shù)字信號(hào)傳輸。

3. 復(fù)用功能模式（Alternate Function Mode）：

• 在這種模式下，GPIO引腳不再作為通用輸入或輸出，而是將其功能分配給片內(nèi)其他外設(shè)，例如USART、SPI、I2C、定時(shí)器、ADC等。通過(guò)配置相應(yīng)的AFR（Alternate Function Register）寄存器，可以選擇引腳對(duì)應(yīng)的復(fù)用功能。

4. JTAG/SWD調(diào)試模式：

• 某些特定的GPIO引腳被指定用于JTAG或SWD調(diào)試接口。在調(diào)試模式下，這些引腳的功能被專用調(diào)試電路占用。

除了模式配置，GPIO引腳還可以配置輸出速度（低速、中速、高速、超高速）和鎖存功能。輸出速度決定了引腳電平翻轉(zhuǎn)的速度，對(duì)于高速信號(hào)傳輸和降低電磁干擾（EMI）具有重要意義。鎖存功能則可以防止引腳狀態(tài)在調(diào)試模式下被意外修改。

5.3 GPIO寄存器

GPIO的配置和控制是通過(guò)操作一系列專用寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)GPIO端口（GPIOA, GPIOB, ..., GPIOI）都有一組獨(dú)立的寄存器。以下是一些主要寄存器：

• MODER（Port mode register）： 配置引腳的工作模式（輸入、通用輸出、復(fù)用功能、模擬）。

• OTYPER（Port output type register）： 配置輸出模式下的輸出類型（推挽或開漏）。

• OSPEEDR（Port output speed register）： 配置輸出模式下的輸出速度。

• PUPDR（Port pull-up/pull-down register）： 配置輸入模式下的上拉/下拉電阻。

• IDR（Port input data register）： 讀取GPIO引腳的當(dāng)前輸入狀態(tài)。

• ODR（Port output data register）： 設(shè)置GPIO引腳的輸出狀態(tài)。

• BSRR（Port bit set/reset register）： 原子地設(shè)置或清除單個(gè)或多個(gè)GPIO引腳的輸出狀態(tài)，避免讀-改-寫操作帶來(lái)的競(jìng)態(tài)問(wèn)題。

• LCKR（Port configuration lock register）： 鎖存GPIO配置，防止意外修改。

• AFR（Alternate function low/high register）： 配置引腳的復(fù)用功能。

通過(guò)直接操作這些寄存器，或者使用HAL庫(kù)/LL庫(kù)提供的API函數(shù)，開發(fā)者可以實(shí)現(xiàn)對(duì)GPIO的精確控制。

第六章 定時(shí)器（TIM）

6.1 定時(shí)器概述

STM32F405系列微控制器集成了多種功能強(qiáng)大的定時(shí)器，包括基本定時(shí)器、通用定時(shí)器和高級(jí)控制定時(shí)器。這些定時(shí)器是實(shí)現(xiàn)延時(shí)、周期性任務(wù)、PWM生成、輸入捕獲、編碼器接口等功能的關(guān)鍵。

• 基本定時(shí)器（TIM6/TIM7）： 主要用于提供基本的定時(shí)功能，沒(méi)有外部I/O引腳，不能用于PWM生成或輸入捕獲。它們常用于觸發(fā)DAC轉(zhuǎn)換或作為通用延時(shí)。

• 通用定時(shí)器（TIM2/TIM3/TIM4/TIM5/TIM9/TIM10/TIM11/TIM12/TIM13/TIM14）： 功能最豐富的定時(shí)器，除了基本的定時(shí)功能外，還支持PWM輸出、輸入捕獲、輸出比較、單脈沖模式、編碼器接口等。它們通常連接到GPIO引腳，可以生成或捕獲外部信號(hào)。

• 高級(jí)控制定時(shí)器（TIM1/TIM8）： 在通用定時(shí)器功能的基礎(chǔ)上，增加了死區(qū)生成、互補(bǔ)輸出、剎車輸入等高級(jí)特性，特別適合于復(fù)雜的電機(jī)控制應(yīng)用。

6.2 通用定時(shí)器核心功能

以通用定時(shí)器為例，其核心功能包括：

6.2.1 定時(shí)模式（Time-base unit）

定時(shí)器通過(guò)一個(gè)內(nèi)部計(jì)數(shù)器（CNT）來(lái)計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器可以向上計(jì)數(shù)、向下計(jì)數(shù)或中心對(duì)齊計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的工作頻率由時(shí)鐘源和預(yù)分頻器（PSC）決定。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到自動(dòng)重載寄存器（ARR）的值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更新事件（Update Event），并可以選擇性地觸發(fā)中斷或DMA請(qǐng)求。

• 計(jì)數(shù)器（CNT）： 存儲(chǔ)當(dāng)前的計(jì)數(shù)值。

• 預(yù)分頻器（PSC）： 對(duì)定時(shí)器時(shí)鐘源進(jìn)行分頻，從而控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)速度。

• 自動(dòng)重載寄存器（ARR）： 設(shè)定計(jì)數(shù)器的最大值（或周期），當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到ARR值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更新事件并可選地復(fù)位計(jì)數(shù)器。

通過(guò)配置PSC和ARR，可以精確地控制定時(shí)器的周期，從而實(shí)現(xiàn)延時(shí)或周期性任務(wù)。

6.2.2 PWM生成（Pulse Width Modulation）

PWM是一種通過(guò)調(diào)整方波的占空比來(lái)模擬模擬信號(hào)的技術(shù)。通用定時(shí)器通過(guò)配置輸出比較模式（Output Compare Mode）來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM輸出。

• 比較寄存器（CCR）： 每個(gè)通道都有一個(gè)比較寄存器，用于設(shè)置PWM的占空比。當(dāng)計(jì)數(shù)器值與CCR值匹配時(shí)，輸出波形的狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。

• PWM模式： 定時(shí)器支持多種PWM模式，包括PWM模式1和PWM模式2，它們定義了在計(jì)數(shù)器達(dá)到CCR值時(shí)，輸出電平的變化方式。

• 輸出使能： 需要使能相應(yīng)的通道輸出以及主輸出，才能將PWM波形輸出到GPIO引腳。

通過(guò)調(diào)整CCR的值，可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地改變PWM的占空比，廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速、LED亮度控制、DAC功能模擬等。

6.2.3 輸入捕獲（Input Capture）

輸入捕獲功能用于測(cè)量外部信號(hào)的脈沖寬度、周期或頻率。當(dāng)定時(shí)器通道的輸入引腳檢測(cè)到設(shè)定的觸發(fā)邊沿（上升沿、下降沿或雙邊沿）時(shí)，當(dāng)前的計(jì)數(shù)器值會(huì)被捕獲到相應(yīng)的捕獲/比較寄存器（CCR）中，并可選地觸發(fā)中斷。

• 捕獲通道： 每個(gè)輸入捕獲通道都對(duì)應(yīng)一個(gè)CCR寄存器。

• 輸入極性： 可配置捕獲觸發(fā)的邊沿類型。

• 輸入預(yù)分頻器： 可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分頻，以捕獲更長(zhǎng)的脈沖。

通過(guò)捕獲不同邊沿的時(shí)間戳，可以計(jì)算出外部信號(hào)的周期、脈沖寬度等信息，廣泛應(yīng)用于測(cè)頻、測(cè)速、超聲波測(cè)距等。

6.2.4 輸出比較（Output Compare）

輸出比較功能用于在計(jì)數(shù)器值與比較寄存器（CCR）值匹配時(shí)，改變GPIO引腳的輸出狀態(tài)。這可以用于生成單次脈沖、切換引腳狀態(tài)或觸發(fā)其他外設(shè)。與PWM不同的是，輸出比較通常用于生成非周期性的事件。

6.2.5 編碼器接口模式

通用定時(shí)器還可以配置為編碼器接口模式，用于解碼正交編碼器的A/B相信號(hào)，從而測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度和速度。定時(shí)器計(jì)數(shù)器會(huì)根據(jù)A/B相信號(hào)的相位差進(jìn)行增減計(jì)數(shù)。

6.3 定時(shí)器配置

配置定時(shí)器通常涉及以下步驟：

1. 使能定時(shí)器時(shí)鐘： 通過(guò)RCC寄存器使能相應(yīng)定時(shí)器的時(shí)鐘。

2. 配置時(shí)基單元： 設(shè)置預(yù)分頻器（PSC）和自動(dòng)重載寄存器（ARR）來(lái)確定定時(shí)器周期。

3. 配置功能模式： 根據(jù)需求選擇PWM模式、輸入捕獲模式、輸出比較模式等。

4. 配置通道： 對(duì)于PWM、輸入捕獲或輸出比較功能，需要配置相應(yīng)的通道，包括模式、極性、CCR值等。

5. 配置GPIO引腳： 將定時(shí)器功能映射到相應(yīng)的GPIO引腳，并配置GPIO為復(fù)用功能模式。

6. 使能定時(shí)器： 啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。

7. 配置中斷（可選）： 如果需要中斷，配置NVIC并使能定時(shí)器更新中斷或捕獲/比較中斷。

第七章 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

7.1 ADC概述

STM32F405集成了多達(dá)3個(gè)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC1、ADC2、ADC3），可以將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便微控制器進(jìn)行處理。ADC具有多通道、多種轉(zhuǎn)換模式和靈活的觸發(fā)源，廣泛應(yīng)用于傳感器數(shù)據(jù)采集、電壓電流測(cè)量等場(chǎng)景。每個(gè)ADC都可以獨(dú)立工作，也可以通過(guò)“三路交錯(cuò)模式”或“雙模”模式實(shí)現(xiàn)并行或交替轉(zhuǎn)換，提高采樣速率。

7.2 ADC主要特性

• 12位精度： 能夠?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)換為4096個(gè)離散的數(shù)字值（212）。

• 多達(dá)24個(gè)外部通道： 可以連接多個(gè)外部模擬信號(hào)源。

• 內(nèi)部通道： 包括片內(nèi)溫度傳感器、內(nèi)部參考電壓（VREFINT）和VBAT/2（電池電壓的一半）通道。

• 轉(zhuǎn)換模式：

• 單次轉(zhuǎn)換模式（Single Conversion Mode）： 完成一次轉(zhuǎn)換后停止。

• 連續(xù)轉(zhuǎn)換模式（Continuous Conversion Mode）： 連續(xù)不斷地進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

• 掃描模式（Scan Mode）： 自動(dòng)依次轉(zhuǎn)換多個(gè)選定的通道。

• 間斷模式（Discontinuous Mode）： 允許在掃描序列中跳過(guò)部分通道。

• 規(guī)則組和注入組：

• 規(guī)則組（Regular Group）： 用于常規(guī)的ADC轉(zhuǎn)換，通常由軟件觸發(fā)或定時(shí)器等外部事件觸發(fā)。

• 注入組（Injected Group）： 具有更高的優(yōu)先級(jí)，可以“注入”到規(guī)則組的轉(zhuǎn)換序列中，通常用于緊急或需要快速響應(yīng)的測(cè)量。

• DMA支持： ADC可以直接通過(guò)DMA將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器，減輕CPU的負(fù)擔(dān)。

• 觸發(fā)源： 轉(zhuǎn)換可以由軟件觸發(fā)，也可以由外部事件（如定時(shí)器、EXTI線等）觸發(fā)。

• 數(shù)據(jù)對(duì)齊： 轉(zhuǎn)換結(jié)果可以是左對(duì)齊或右對(duì)齊。

• 校準(zhǔn)功能： 內(nèi)置校準(zhǔn)電路，以提高轉(zhuǎn)換精度。

7.3 ADC工作原理

ADC的工作原理主要基于逐次逼近型（SAR）架構(gòu)。轉(zhuǎn)換過(guò)程大致如下：

1. 采樣保持： 在轉(zhuǎn)換開始時(shí)，ADC內(nèi)部的采樣保持電路會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)捕獲輸入模擬電壓，并將其保持住。

2. 量化： 采樣保持的電壓與內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較和量化，最終生成一個(gè)數(shù)字值。

3. 轉(zhuǎn)換時(shí)間： 整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程需要一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間與ADC時(shí)鐘頻率和采樣周期（Sample Time）有關(guān)。增加采樣周期可以提高轉(zhuǎn)換精度，但會(huì)降低轉(zhuǎn)換速率。

7.4 ADC配置

配置ADC通常涉及以下步驟：

1. 使能ADC時(shí)鐘和GPIO時(shí)鐘： 通過(guò)RCC寄存器使能相應(yīng)ADC模塊和模擬輸入引腳所在端口的時(shí)鐘。

2. 配置GPIO引腳為模擬模式： 將需要進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換的GPIO引腳配置為模擬輸入模式。

3. 復(fù)位ADC： 軟件復(fù)位ADC模塊，確保其處于初始狀態(tài)。

4. 配置ADC參數(shù)：

• 工作模式： 選擇單次、連續(xù)、掃描或間斷模式。

• 數(shù)據(jù)對(duì)齊： 選擇左對(duì)齊或右對(duì)齊。

• 分辨率： STM32F405為12位。

• 外部觸發(fā)源（如果使用）： 選擇觸發(fā)轉(zhuǎn)換的外部事件（如定時(shí)器輸出、EXTI線）。

5. 配置規(guī)則組/注入組通道：

• 通道順序： 如果使用掃描模式，需要定義通道的轉(zhuǎn)換順序。

• 采樣周期： 為每個(gè)通道設(shè)置合適的采樣周期。

6. 使能ADC： 啟動(dòng)ADC模塊。

7. 進(jìn)行校準(zhǔn)： 在首次使用ADC或環(huán)境變化時(shí)，進(jìn)行ADC校準(zhǔn)可以提高轉(zhuǎn)換精度。

8. 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換： 可以通過(guò)軟件觸發(fā)或等待外部事件觸發(fā)轉(zhuǎn)換。

9. 讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果：

• 查詢模式： 輪詢ADC狀態(tài)寄存器中的EOC（End Of Conversion）標(biāo)志位，當(dāng)EOC置位時(shí)讀取結(jié)果。

• 中斷模式： 配置并使能ADC中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取結(jié)果。

• DMA模式： 配置DMA控制器，將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果自動(dòng)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器。

正確配置ADC對(duì)于獲取準(zhǔn)確的模擬數(shù)據(jù)至關(guān)重要，需要注意參考電壓、模擬地線、噪聲抑制等問(wèn)題。

第八章 串行通信接口（USART）

8.1 USART概述

STM32F405系列微控制器集成了多個(gè)通用同步/異步收發(fā)器（USART），支持全雙工、同步/異步串行通信。USART是與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換最常用的接口之一，廣泛應(yīng)用于與PC、傳感器、其他微控制器等進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。USART支持多種工作模式，包括異步模式（UART）、同步模式（SPI主/從）、LIN、IrDA和智能卡模式。

8.2 USART主要特性

• 全雙工通信： 可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

• 靈活的波特率生成： 支持從幾百bps到數(shù)Mbps的波特率。

• 可編程數(shù)據(jù)字長(zhǎng)： 支持7位、8位或9位數(shù)據(jù)字長(zhǎng)。

• 可編程停止位： 支持0.5、1、1.5或2個(gè)停止位。

• 奇偶校驗(yàn)控制： 支持偶校驗(yàn)或奇校驗(yàn)。

• 發(fā)送/接收緩沖區(qū)： 內(nèi)置發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器（TDR）和接收數(shù)據(jù)寄存器（RDR），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的暫存。

• 中斷管理： 提供多種中斷源，如發(fā)送完成中斷、接收完成中斷、空閑幀中斷、錯(cuò)誤中斷等。

• DMA支持： 可以通過(guò)DMA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)收發(fā)，減輕CPU負(fù)擔(dān)。

• 多處理器通信模式： 支持多機(jī)通信，可識(shí)別地址。

• 同步模式（SPI主/從）： 可用于簡(jiǎn)單的同步通信。

• LIN模式： 支持局部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）協(xié)議。

• IrDA模式： 支持紅外數(shù)據(jù)傳輸。

• 智能卡模式： 用于與智能卡通信。

8.3 異步模式（UART）工作原理

在異步模式下，USART通過(guò)兩個(gè)信號(hào)線進(jìn)行通信：

• TX（發(fā)送）： 數(shù)據(jù)輸出線。

• RX（接收）： 數(shù)據(jù)輸入線。

通信雙方需要預(yù)先約定好波特率、數(shù)據(jù)字長(zhǎng)、停止位和奇偶校驗(yàn)方式。數(shù)據(jù)以幀的形式傳輸，每幀數(shù)據(jù)通常包含一個(gè)起始位、數(shù)據(jù)位、可選的奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)或多個(gè)停止位。

• 發(fā)送過(guò)程： 當(dāng)CPU將數(shù)據(jù)寫入TDR時(shí)，USART會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)按位發(fā)送出去，并在發(fā)送完成后觸發(fā)發(fā)送完成中斷。

• 接收過(guò)程： 當(dāng)USART接收到數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RDR中，并可選地觸發(fā)接收完成中斷。接收過(guò)程中也會(huì)監(jiān)測(cè)各種錯(cuò)誤，如幀錯(cuò)誤、過(guò)載錯(cuò)誤、噪聲錯(cuò)誤等。

8.4 USART配置

配置USART通常涉及以下步驟：

1. 使能USART時(shí)鐘和GPIO時(shí)鐘： 通過(guò)RCC寄存器使能相應(yīng)USART模塊和TX/RX引腳所在端口的時(shí)鐘。

2. 配置GPIO引腳為復(fù)用功能模式： 將TX和RX引腳配置為USART的復(fù)用功能模式，并選擇正確的AF功能。

3. 復(fù)位USART： 軟件復(fù)位USART模塊。

4. 配置USART參數(shù)：

• 波特率： 根據(jù)通信需求計(jì)算并設(shè)置波特率。

• 字長(zhǎng)： 設(shè)置數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度（7、8或9位）。

• 停止位： 設(shè)置停止位數(shù)量。

• 奇偶校驗(yàn)： 選擇無(wú)校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或奇校驗(yàn)。

• 收發(fā)使能： 使能發(fā)送器和接收器。

5. 配置中斷（可選）： 如果需要中斷驅(qū)動(dòng)的收發(fā)，使能相應(yīng)的USART中斷（如接收非空中斷、發(fā)送完成中斷）并配置NVIC。

6. 配置DMA（可選）： 如果需要DMA傳輸，配置DMA控制器進(jìn)行發(fā)送和接收。

7. 使能USART： 啟動(dòng)USART模塊。

8. 數(shù)據(jù)收發(fā)：

• 發(fā)送： 將數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)SART_DR寄存器（或使用HAL庫(kù)的發(fā)送函數(shù)）。

• 接收： 從USART_DR寄存器讀取數(shù)據(jù)（或使用HAL庫(kù)的接收函數(shù)）。

在進(jìn)行USART通信時(shí)，應(yīng)注意波特率匹配、信號(hào)電平兼容性、以及對(duì)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的檢查和處理。

第九章 調(diào)試與ISP

9.1 調(diào)試接口

STM32F405提供了兩種主要的硬件調(diào)試接口：

• JTAG（Joint Test Action Group）： 是一種更通用、功能更強(qiáng)大的調(diào)試接口，需要多達(dá)5個(gè)引腳（TMS、TCK、TDI、TDO、TRST）。JTAG不僅可以用于程序調(diào)試，還可以用于邊界掃描測(cè)試和閃存編程。

• SWD（Serial Wire Debug）： 是一種簡(jiǎn)化的兩線調(diào)試接口，只需要2個(gè)引腳（SWDIO、SWCLK），且功能與JTAG相似，但占用引腳少，更適合引腳資源有限的封裝。

大多數(shù)現(xiàn)代STM32開發(fā)板都使用SWD接口。通過(guò)連接ST-Link、J-Link等調(diào)試器，開發(fā)者可以使用Keil MDK、STM32CubeIDE等集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行在線調(diào)試，包括：

• 單步執(zhí)行： 逐行執(zhí)行代碼。

• 斷點(diǎn)設(shè)置： 在特定代碼行設(shè)置斷點(diǎn)，當(dāng)程序執(zhí)行到斷點(diǎn)時(shí)暫停。

• 變量查看/修改： 實(shí)時(shí)查看和修改程序中的變量值。

• 寄存器查看： 查看CPU和外設(shè)寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。

• 內(nèi)存查看： 查看任意內(nèi)存地址的內(nèi)容。

• 實(shí)時(shí)追蹤： 某些高級(jí)調(diào)試器支持指令和數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)追蹤。

9.2 啟動(dòng)模式

STM32F405支持多種啟動(dòng)模式，通過(guò)BOOT0和BOOT1引腳（或內(nèi)部Flash選項(xiàng)字節(jié)）的配置來(lái)選擇：

• 主閃存啟動(dòng)模式（Main Flash memory）： 這是最常用的啟動(dòng)模式。芯片復(fù)位后，從主閃存的0x08000000地址開始執(zhí)行程序。用戶的應(yīng)用程序通常燒錄到這個(gè)區(qū)域。

• 系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)模式（System memory）： 芯片復(fù)位后，從內(nèi)置的系統(tǒng)存儲(chǔ)器（System Memory）開始執(zhí)行程序。系統(tǒng)存儲(chǔ)器中固化了ST公司提供的Bootloader程序，可以通過(guò)UART、USB等接口對(duì)主閃存進(jìn)行編程（ISP，In-System Programming）。這對(duì)于在產(chǎn)品生產(chǎn)線或現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行固件更新非常有用。

• SRAM啟動(dòng)模式（SRAM）： 芯片復(fù)位后，從片內(nèi)SRAM的起始地址開始執(zhí)行程序。這主要用于調(diào)試目的，可以將程序直接加載到SRAM中運(yùn)行，以提高下載速度或避免擦寫閃存的限制。

選擇正確的啟動(dòng)模式對(duì)于開發(fā)和部署應(yīng)用程序至關(guān)重要。

9.3 ISP（In-System Programming）

ISP允許用戶在產(chǎn)品系統(tǒng)中對(duì)微控制器的閃存進(jìn)行編程，而無(wú)需移除芯片。STM32的ISP功能通常通過(guò)系統(tǒng)存儲(chǔ)器中固化的Bootloader來(lái)實(shí)現(xiàn)。

• 工作流程：

1. 將BOOT0引腳拉高，BOOT1引腳拉低（對(duì)于某些型號(hào)可能不同），使芯片進(jìn)入系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)模式。

2. 通過(guò)UART、USB或其他支持的通信接口，PC端的編程工具（如STM32CubeProgrammer）與Bootloader建立通信。

3. PC端發(fā)送固件數(shù)據(jù)給Bootloader，Bootloader將數(shù)據(jù)寫入到主閃存中。

4. 編程完成后，將BOOT0引腳拉低，復(fù)位芯片，程序?qū)母潞蟮闹鏖W存啟動(dòng)。

ISP極大地簡(jiǎn)化了固件更新過(guò)程，特別適用于量產(chǎn)產(chǎn)品和遠(yuǎn)程維護(hù)。

9.4 IAP（In-Application Programming）

IAP是指在微控制器運(yùn)行應(yīng)用程序的同時(shí)，通過(guò)應(yīng)用程序自身來(lái)更新閃存中的另一部分程序（通常是應(yīng)用程序或數(shù)據(jù)）。

• 工作原理： IAP通常需要將閃存劃分為兩個(gè)或更多區(qū)域：一個(gè)區(qū)域存放Bootloader（或IAP程序本身），另一個(gè)區(qū)域存放用戶應(yīng)用程序。Bootloader負(fù)責(zé)接收新的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)，并將其寫入到應(yīng)用程序區(qū)域。

• 應(yīng)用場(chǎng)景： 允許產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)、Wi-Fi）、USB、或者其他通信接口接收新的固件包，然后由IAP程序?qū)崿F(xiàn)自更新。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級(jí)和產(chǎn)品功能擴(kuò)展非常關(guān)鍵。

IAP的實(shí)現(xiàn)需要仔細(xì)管理閃存擦寫操作，確保在更新過(guò)程中數(shù)據(jù)的完整性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通常會(huì)采用雙備份或校驗(yàn)和等機(jī)制來(lái)提高可靠性。

結(jié)語(yǔ)

本手冊(cè)詳細(xì)介紹了STM32F405系列微控制器的核心特性和主要外設(shè)，涵蓋了Cortex-M4內(nèi)核、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘系統(tǒng)、中斷、GPIO、定時(shí)器、ADC和USART等關(guān)鍵模塊。通過(guò)對(duì)這些內(nèi)容的深入解析，希望讀者能夠?qū)TM32F405有一個(gè)全面而深刻的理解。掌握這些基礎(chǔ)知識(shí)是高效開發(fā)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的基石。

STM32F405作為一款功能強(qiáng)大且資源豐富的微控制器，其應(yīng)用潛力是巨大的。除了本手冊(cè)中涉及的外設(shè)，STM32F405還集成了以太網(wǎng)MAC、CAN、USB OTG、SDIO等更高級(jí)的外設(shè)，它們能夠支持更復(fù)雜的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。深入學(xué)習(xí)這些外設(shè)，結(jié)合RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）和中間件，將能夠開發(fā)出功能更加完善、性能更加優(yōu)異的產(chǎn)品。

在實(shí)際開發(fā)中，除了理解硬件特性，高效的開發(fā)工具鏈（如STM32CubeIDE、Keil MDK）、成熟的開發(fā)庫(kù)（HAL庫(kù)、LL庫(kù)）以及社區(qū)資源也是不可或缺的。善用這些資源，將大大提高開發(fā)效率并降低開發(fā)難度。

希望本手冊(cè)能夠成為您在STM32F405開發(fā)旅程中的一份寶貴參考。在探索嵌入式世界的道路上，不斷學(xué)習(xí)和實(shí)踐，您將能夠創(chuàng)造出無(wú)限可能。