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type: source
source: "尚硅谷嵌入式技术之STM32单片机（基础篇）V1.0.2 — 第1~3章：STM32概述、开发工具、开发板与最小系统"
author: "尚硅谷研究院"
date: 2026-07-15
created: 2026-07-15
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# STM32概述与开发环境搭建

> **用生活理解**：如果把 STM32 比作一台微型电脑——ARM Cortex-M3 内核就像 CPU，Keil MDK 就是 Visual Studio，开发板就是一台迷你主机，最小系统相当于电脑能开机的最低配置（主板 + CPU + 内存 + 电源）。

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## STM32概述

### 关于ARM内核

ARM（Advanced RISC Machines）是一家英国芯片设计公司，只出售**知识产权（IP）授权**，不生产芯片。ST（意法半导体）购买了 ARM 的 IP 授权，在 Cortex-M3 内核基础上添加自己的外设（GPIO、USART、I2C、CAN 等），造出了 STM32 系列 MCU。

> **参考**：《Cortex-M3 权威指南》第2章 — Cortex-M3 内核架构

ARM Cortex-M3 核心特性：

- 32位 RISC 处理器（一次处理 32 位数据）
- 3级流水线（取指 → 译码 → 执行）
- Thumb-2 指令集（16/32位混合指令，兼顾代码密度和性能）
- 内置 NVIC（嵌套向量中断控制器），支持 240 个中断源
- 低功耗设计，适合嵌入式应用

### 什么是STM32

- **S**T — STMicroelectronics（意法半导体）
- **T** — 32位微控制器（实际是 ARM Cortex-M 系列内核）
- 基于 ARM Cortex-M 内核的 32 位 MCU 产品线

### STM32应用场景

- 工业自动化（PLC、电机控制）
- 物联网终端（传感器采集、无线通信）
- 消费电子（智能家电、无人机）
- 医疗设备（便携式监护仪）
- 汽车电子（CAN 总线、车窗控制）

### STM32系列MCU命名规则

STM32 系列命名反映了芯片的各个特性。以我们使用的 **STM32F103ZET6** 为例：

```
STM32  F   1   03   Z   E   T   6
 ①    ②   ③   ④   ⑤  ⑥   ⑦  ⑧
```

| 位置 | 含义      | 我们的值 | 说明                                                        |
| ---- | --------- | -------- | ----------------------------------------------------------- |
| ①    | 产品系列  | STM32    | 标准32位MCU                                                 |
| ②    | 类型      | F        | 通用型（F = 基础型，L = 低功耗，H = 高性能）                |
| ③    | 子系列    | 1        | Cortex-M3 内核                                              |
| ④    | 具体型号  | 03       | 增强型（03 = 增强型，01 = 基本型）                          |
| ⑤    | 引脚数    | Z        | Z = 144脚（L=48，C=48/49，R=64，M=80，V=100，Z=144，I=176） |
| ⑥    | Flash大小 | E        | E = 512KB（B=128，C=256，D=384，E=512）                     |
| ⑦    | 封装      | T        | T = LQFP（表贴封装）                                        |
| ⑧    | 温度      | 6        | 6 = -40~85°C（工业级）                                      |

> **参考**：STM32F103xCDE 数据手册 §1（器件概览与选型表）
> 数据手册命名规则从 ST 官网下载，不同系列命名有所差异。

**STM32 选型速查**：

- 访问 [ST 官网 MCU 选型器](https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32-32-bit-arm-cortex-mcus.html)

### STM32开发方式

目前 STM32 开发有三种方式：

| 方式                    | 特点                                     | 适用人群               |
| ----------------------- | ---------------------------------------- | ---------------------- |
| **寄存器**              | 直接操作内存地址，代码最小，最深理解硬件 | 学习硬件原理、裸机开发 |
| **标准库（StdPeriph）** | ST 官方封装寄存器操作，函数名规范        | 经典项目，教程最多     |
| **HAL库 + CubeMX**      | 图形化配置，移植性好，代码量大           | 快速原型、多平台移植   |

本教程以**寄存器 + HAL 库双版并行**教学，既能深入硬件底层，又能快速实际开发。

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## 开发环境搭建

### Keil MDK 介绍

KEIL 是 ARM 公司推出的基于 ARM 平台的 C/C++ IDE，支持代码编写、编译、下载、调试一体化。

### 下载与安装

**下载地址**：<https://www.keil.com/download/product/>

### 离线安装芯片支持包

Keil MDK 不内置 STM32 芯片支持，需要手动安装芯片支持包（Device Family Pack）：

**下载地址**：<https://www.keil.arm.com/devices/> 搜索 STM32F103ZE

**安装方式二选一**：

- 在线安装（速度慢，国内不推荐）
- 下载 `Keil.STM32F1xx_DFP.xxx.pack` 后双击离线安装（推荐）

### 编译器版本配置

最新 Keil MDK 默认使用 Compiler version 6，但与旧的 `core_cm3.c` 文件不兼容。

**解决方法**：安装 Compiler version 5

**下载地址**：<https://developer.arm.com/downloads/view/ACOMP5>
解压后放到 Keil MDK 安装目录下的 `ARM/ARMCC/` 文件夹。
然后在 Keil 项目配置中切换编译器版本为 V5。

### 注册

Keil MDK 需要注册（License），否则代码大小限制在 32KB 以内。

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## 开发板简介

### 开发板资源

![开发板实物图](assets/stm32f103zet6_开发板实物图.png)

我们使用的是一款 STM32F103ZET6 开发板，板载资源包括：

- 主芯片：**STM32F103ZET6**（Cortex-M3, 72MHz, 512KB Flash, 64KB SRAM）
- 4 个 LED（LED1~LED4，其中 LED4 为电源指示灯）
- 多个按键（KEY_UP、KEY_1~KEY_3）
- USB 转串口（CH340G）
- W25Q64 Flash 芯片（SPI 接口）
- 24C02 EEPROM（I2C 接口）
- 引出所有 GPIO 引脚

### STM32最小系统

STM32 正常工作的最小外围电路包括 5 个部分：

| 部件          | 功能                                | 原理图位置     |
| ------------- | ----------------------------------- | -------------- |
| **STM32芯片** | 主控制器 STM32F103ZET6              | 原理图第1页    |
| **电源**      | 3.3V 供电，USB Type-C → AMS1117-3.3 | 原理图电源部分 |
| **时钟**      | 8MHz HSE + 32.768KHz LSE 晶振       | 原理图晶振部分 |
| **复位**      | NRST + 按键 + RC 电路               | 原理图复位部分 |
| **下载调试**  | SWD 接口（SWDIO/SWCLK）             | 原理图调试部分 |

#### 1. STM32F103ZET6芯片

![STM32F103ZET6 引脚图](assets/stm32f103zet6_芯片引脚图.png)

STM32F103ZET6 采用 LQFP144 封装，共有 144 个引脚，包括：

- **I/O 引脚**：多达 112 个通用 I/O（GPIOA~GPIOG，每组 16 个）
- **电源引脚**：VDD/VSS（数字电源）、VDDA/VSSA（模拟电源）、VREF+/VREF-（ADC 参考电压）
- **特殊功能引脚**：BOOT0/BOOT1（启动模式选择）、NRST（复位）

> **参考**：STM32F103ZET6 数据手册 §3（引脚定义与功能表）

#### 2. 电源电路

采用双路供电方案：

**方案一**：USB Type-C（5V）→ AMS1117-3.3 稳压芯片 → 3.3V
**方案二**：ST-Link 直接提供 3.3V 供电

> **参考**：原理图电源部分，AMS1117 数据手册
> **注意**：AMS1117 最大输出电流 800mA，适合大多数应用。

#### 3. 时钟电路

STM32 提供两路外部时钟：

- **HSE（外部高速时钟）**：8MHz 晶振 → PLL 倍频 → 最高 72MHz 系统时钟
- **LSE（外部低速时钟）**：32.768KHz 晶振 → RTC 实时时钟

内部也集成了 RC 振荡器（HSI 8MHz、LSI 40KHz），精度较低但无需外部元件。

> **参考**：原理图晶振部分；参考手册 §7.2（时钟特性）

#### 4. 复位电路

NRST 引脚通过上拉电阻连接到 VCC，按下复位按键将 NRST 拉低使芯片复位。
RC 电路提供上电复位延时（确保电源稳定后再释放复位）。

> **参考**：原理图复位部分；参考手册 §7.1（复位与电源控制）

#### 5. 下载调试电路

支持两种下载方式：

| 方式            | 接口                             | 特点                 |
| --------------- | -------------------------------- | -------------------- |
| **ST-Link SWD** | SWDIO + SWCLK + VCC + GND（4线） | 可调试，速度快       |
| **串口 ISP**    | USART1（PA9/PA10）+ FlyMcu 软件  | 仅下载，无需专用工具 |

> **参考**：原理图调试部分；STM32 系统存储器启动模式文档

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## 项目工程结构

一个典型的 STM32 寄存器/标准库项目目录结构如下：

```
Project_Name/
├── Start/              # 启动文件 + 内核文件
│   ├── startup_stm32f10x_hd.s    # 启动文件（HD = 高密度）
│   ├── stm32f10x.h               # 外设寄存器结构体定义
│   ├── system_stm32f1xx.c       # 系统初始化(SystemInit)
│   └── core_cm3.h               # Cortex-M3 内核定义
├── User/               # 用户代码
│   └── main.c          # 主函数
├── Hardware/           # 外设驱动（逐步创建）
│   ├── LED/
│   └── KEY/
├── Library/            # 标准库文件（使用标准库时）
├── System/             # 系统配置文件
└── Objects/            # 编译输出（Keil 自动生成）
```

### 启动文件的选择

启动文件根据芯片 Flash 大小的不同，选择不同的版本：

| 启动文件                 | 适用芯片 | 对应 Flash 范围 |
| ------------------------ | -------- | --------------- |
| `startup_stm32f10x_ld.s` | 低密度   | 16~32KB         |
| `startup_stm32f10x_md.s` | 中密度   | 64~128KB        |
| `startup_stm32f10x_hd.s` | 高密度   | 256~512KB       |

> **注意**：STM32F103ZET6 的 Flash 是 512KB → 选择 `startup_stm32f10x_hd.s`

启动文件的作用：

1. 设置堆栈指针（SP）
2. 初始化中断向量表
3. 调用 `SystemInit()` 配置时钟
4. 跳转到 `main()` 函数

### 标准外设库下载地址

下载标准外设库用于提取启动文件、系统文件和头文件：

<https://www.st.com/zh/embedded-software/stm32-standard-peripheral-libraries/products.html>

### Keil 项目配置要点

1. **添加设备组（Group）**：Start（启动文件）、User（用户代码）
2. **添加源文件**：将启动文件和系统文件添加到对应组
3. **魔术棒（Options for Target）配置**：
   - Output：选择输出目录为 Objects
   - C/C++：Define 中添加 `USE_STDPERIPH_DRIVER`
   - Debug：选择 ST-Link Debugger，配置 SWD 接口
4. **编译器版本**：设置为 V5（与旧版 core_cm3.c 兼容）

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## 烧录方法

### ST-Link SWD 方式

1. 连接 4 根线：SWDIO、SWCLK、VCC、GND
2. Keil 中配置 Debug → ST-Link Debugger → SWD 接口
3. 点击 Download（快捷键 F8）下载程序

### ST-Link 驱动安装

Keil MDK 安装目录自带的 ST-LINK USB 驱动位置：
`Keil_v5\ARM\STLink\USBDriver\dpinst_amd64.exe`

### ST-Link 固件升级

如果 Keil 提示 ST-Link 固件版本过低，需要升级：
Keil → Flash → Configure Flash Tools → Debug → Settings → Firmware Upgrade

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## 核心概念速查表

| 概念          | 说明                                   | 参考                |
| ------------- | -------------------------------------- | ------------------- |
| ARM Cortex-M3 | 32位RISC内核，3级流水线，Thumb-2指令集 | Cortex-M3权威指南§2 |
| STM32F103ZET6 | 144脚，512KB Flash，72MHz              | 数据手册§1          |
| 最小系统      | 芯片+电源+时钟+复位+下载调试           | 原理图第1~3页       |
| Keil MDK      | ARM平台IDE，含编译/下载/调试           | —                   |
| startup_hd.s  | 高密度芯片的启动文件                   | —                   |
| ST-Link SWD   | 4线调试接口，支持烧录+调试             | —                   |

## 常见问题与避坑

1. **芯片支持包在线安装太慢** → 从官网下载 `.pack` 文件后双击离线安装
2. **Keil MDK 需要注册** → 使用注册机生成 License
3. **编译报错 core_cm3.c 不兼容** → 安装 Compiler V5 并切换编译器版本
4. **ST-Link 连接失败** → 检查驱动是否安装、SWD 接线是否正确、固件是否需要升级
5. **启动文件选择错误** → 检查芯片 Flash 容量，选择对应的 `ld/md/hd` 版本
6. **下载后程序不运行** → 检查 BOOT0/BOOT1 跳线（BOOT0=0 从 Flash 启动）