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本书介绍了意法半导体（STMicroelectronics，ST）公司的32位基于ARM CM3内核的STM32单片机原理与实践。本书以培养学生的动手能力和增强学生的工程素养为目的，按照项目驱动的思路展开教学与实践学习，以Nucleo开发板上的程序为实例，将STM32单片机的外围引脚特性、内部结构与原理、片上外设资源、开发设计方法和应用软件编程、FreeRTOS操作系统原理及应用等知识呈现给读者。

第1章  嵌入式系统概述
  1.1  计算思维
  1.2  嵌入式系统简介
    1.2.1  嵌入式系统的定义
    1.2.2  嵌入式系统的特点
    1.2.3  嵌入式系统的分类
    1.2.4  嵌入式系统的发展
  1.3  ARM体系结构及微处理器系列
    1.3.1  ARM公司简介
    1.3.2  ARM体系结构简介
  1.4  STM32系列微控制器简介
    1.4.1  STM32芯片
    1.4.2  ST的生态系统
第2章  CM3体系结构
  2.1  CM3内核结构
  2.2  CM3处理器的工作模式及状态
  2.3  CM3寄存器
  2.4  总线接口
  2.5  存储器的组织与映射
    2.5.1  存储器的格式
    2.5.2  存储器的层次结构
    2.5.3  CM3存储器
    2.5.4  STM32存储器
    2.5.5  位绑定操作
  2.6  指令集
    2.6.1  ARM指令集
    2.6.2  Thumb指令集
    2.6.3  Thumb-2指令集
  2.7  流水线
  2.8  异常和中断
  2.9  存储器保护单元
  2.10  STM32微控制器概述
  2.11  Nucleo-F103RB开发板
第3章  STM32最小系统
  3.1  电源电路
    3.1.1  供电方案
    3.1.2  电源管理器
    3.1.3  低功耗模式
  3.2  时钟电路
    3.2.1  HSE和HSI
    3.2.2  PLL
    3.2.3  LSE和LSI
    3.2.4  系统时钟SYSCLK
    3.2.5  解析SystemClock_Config()函数
    3.2.6  RCC寄存器
    3.2.7  STM32时钟常见问题
  3.3  复位电路
  3.4  STM32启动
  3.5  程序下载电路
  3.6  STM32最小系统
第4章  STM32程序设计
  4.1  嵌入式软件层次结构
  4.2  Cortex微控制器软件接口标准
  4.3  HAL库
    4.3.1  HAL库简介
    4.3.2  STM32CubeF1软件包主要文件夹
    4.3.3  STM32CubeF1软件包主要文件简介
    4.3.4  HAL库函数
  4.4  编译过程及MDK
    4.4.1  编译过程
    4.4.2  程序的组成、存储与运行
    4.4.3  CM3指令集案例
第5章  GPIO的原理及应用
  5.1  计算机接口概述
  5.2  GPIO的硬件结构和功能
    5.2.1  GPIO的硬件结构
    5.2.2  复用功能
    5.2.3  GPIO输入功能
    5.2.4  GPIO输出功能
    5.2.5  GPIO速度选择
    5.2.6  钳位功能
  5.3  GPIO寄存器映射
    5.3.1  GPIO寄存器
    5.3.2  用C语言对寄存器进行封装
  5.4  GPIO的HAL库函数
  5.5  HAL库函数与寄存器的关系
    5.5.1  解析HAL_Init()函数
    5.5.2  解析MX_GPIO_Init()函数
    5.5.3  解析HAL_GPIO_Init()函数
    5.5.4  解析__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()函数
  5.6  GPIO应用实例
    5.6.1  STM32CubeMX配置步骤
    5.6.2  新建例程1：直接数字地址
    5.6.3  新建例程2：ODR寄存器法
    5.6.4  新建例程3：Bit-band控制法
    5.6.5  新建例程4：位设置/清除寄存器法
    5.6.6  新建例程5：TogglePin库函数法
第6章  EXTI的原理及应用
  6.1  中断和子程序
  6.2  STM32中断通道
  6.3  STM32中断的过程
  6.4  NVIC硬件结构及软件配置
    6.4.1  NVIC硬件结构
    6.4.2  STM32中断优先级
    6.4.3  中断向量表
    6.4.4  NVIC寄存器和系统控制寄存器
    6.4.5  NVIC库结构
  6.5  EXTI硬件结构及软件配置
    6.5.1  EXTI硬件结构
    6.5.2  中断及事件
    6.5.3  EXTI中断通道和中断源
    6.5.4  EXTI寄存器
    6.5.5  EXTI库函数
  6.6  EXTI应用实例
    6.6.1  按键中断
    6.6.2  中断嵌套实例
第7章  USART的原理及应用
  7.1  接口重映射
  7.2  USART接口的功能和结构
    7.2.1  USART接口的功能
    7.2.2  USART接口的结构
  7.3  USART帧格式
  7.4  波特率设置
  7.5  硬件流控制
  7.6  USART中断请求
  7.7  USART寄存器
  7.8  USART初始化HAL库函数
  7.9  STM32串口新功能
  7.10  USART应用实例
    7.10.1  直接传送方式
    7.10.2  中断传送方式
    7.10.3  串口Echo回应程序
    7.10.4  利用printf()的串口编程
第8章  定时器的原理及应用
  8.1  STM32定时器概述
  8.2  STM32定时器功能模块
  8.3  通用定时器TIMx的功能
  8.4  通用定时器TIMx的结构
    8.4.1  时钟源选择
    8.4.2  时基单元
    8.4.3  捕获和比较通道
    8.4.4  计数器模式
    8.4.5  定时时间的计算
    8.4.6  定时器中断
  8.5  通用定时器TIMx的寄存器
  8.6  TIMx初始化HAL库函数
  8.7  TIM2应用实例
    8.7.1  秒表
    8.7.2  输出比较实例1
    8.7.3  输出比较实例2
    8.7.4  PWM输出
    8.7.5  PWM输入捕获
  8.8  系统时钟SysTick简介
  8.9  SysTick寄存器
    8.9.1  SYSTICKCSR
    8.9.2  SYSTICKRVR
    8.9.3  SYSTICKCVR
    8.9.4  SYSTICKCALVR
  8.10  SysTick库函数源代码
  8.11  SysTick应用实例
第9章  DMA的原理及应用 
  9.1  DMA简介
  9.2  DMA的功能及结构
    9.2.1  DMA的功能
    9.2.2  DMA的结构
  9.3  DMA相关寄存器
  9.4  DMA初始化HAL库函数
  9.5  DMA应用实例
第10章  ADC的原理及应用
  10.1  ADC的功能和结构
    10.1.1  ADC的基本概念
    10.1.2  ADC的功能
    10.1.3  ADC的结构
  10.2  ADC的工作模式
  10.3  数据对齐
  10.4  ADC中断
  10.5  ADC相关寄存器
  10.6  ADC初始化HAL库函数
  10.7  ADC应用实例
第11章  实时操作系统基础
  11.1  操作系统
    11.1.1  操作系统的层次
    11.1.2  操作系统的功能
    11.1.3  操作系统的服务
  11.2  进程和线程
    11.2.1  任务
    11.2.2  进程
    11.2.3  线程
  11.3  实时操作系统
    11.3.1  可剥夺型操作系统和不可剥夺型操作系统
    11.3.2  实时操作系统的定义
    11.3.3  实时操作系统的特点
    11.3.4  实时操作系统的几个评价指标
    11.3.5  通用操作系统与实时操作系统的比较
  11.4  嵌入式开发软件框架
    11.4.1  前后台执行结构
    11.4.2  时间片轮询结构
    11.4.3  操作系统结构
第12章  FreeRTOS任务应用实例
  12.1  CMSIS-RTOS中的FreeRTOS操作系统
  12.2  任务简介
    12.2.1  任务函数
    12.2.2  任务的状态
    12.2.3  任务控制块 
    12.2.4  任务优先级
    12.2.5  时钟节拍
    12.2.6  空闲任务的任务函数
  12.3  任务管理
    12.3.1  创建任务
    12.3.2  删除任务
    12.3.3  任务挂起和恢复函数
  12.4  任务调度
    12.4.1  任务调度简介
    12.4.2  FreeRTOS调度算法分类
    12.4.3  FreeRTOS抢占式调度
    12.4.4  抢占式调度案例说明
  12.5  时间管理
    12.5.1  相对延时
    12.5.2  绝对延时
  12.6  互斥信号量
  12.7  利用队列的任务间通信
  12.8  任务调度实例
    12.8.1  程序功能
    12.8.2  Cube主要设置
    12.8.3  程序源代码分析
第13章  LED和按键综合设计实例
  13.1  嵌入式系统产品开发简介
    13.1.1  产品设计流程
    13.1.2  优秀的产品设计及工程师的要求
    13.1.3  嵌入式系统设计流程
  13.2  LED驱动综合实例
    13.2.1  利用C语言实现面向对象程序设计
    13.2.2  LED多状态实例功能
    13.2.3  功能分析
    13.2.4  案例代码
    13.2.5  代码分析
  13.3  键盘驱动综合实例
    13.3.1  按键多状态实例功能
    13.3.2  实例代码
    13.3.3  代码分析
    13.3.4  代码改进
附录A  嵌入式系统常用缩写和关于端口读/写的缩写表示
附录B  CM3指令清单
附录C  Nucleo -F103RB开发板原理图
参考文献

前言
    习近平总书记在党的二十大报告中指出：“我们要坚持教育优先发展、科技自立自强、人才引领驱动，加快建设教育强国、科技强国、人才强国，坚持为党育人、为国育才，全面提高人才自主培养质量，着力造就拔尖创新人才，聚天下英才而用之。” “深化教育领域综合改革，加强教材建设和管理，完善学校管理和教育评价体系，健全学校家庭社会育人机制。”
    上述原则是本次修订秉持的重要指导原则。
    STM32单片机系列类型越来越多，资料卷帙浩繁。如何在高校课堂有限的学时内开展教学，如何给初学者编写入门参考书，为其指明学习方向和学习方法，使其熟练进行嵌入式系统开发，是值得我们深思的。
    编写本书的目的是在有限的学时内基于STM32单片机培养学生的计算思维。北京大学李晓明教授在2019中国计算机教育大会上发表了《对计算思维的理解与教育实践》报告，其中对“计算思维是指利用包括网络在内的计算系统进行问题求解的思维方式”的论述如下图所示。
    从李晓明教授的报告中可以看出，计算思维主要包含两点，即理解计算系统和应用解决问题，这两点也应该在STM32的教学中体现出来。这种计算思维与具体单片机无关。具体来说，本书以计算思维为导向，帮助读者把STM32作为一个工具来学习计算机学科的基础知识，充实实践内容。本书所有内容都是围绕“以STM32单片机为例来讲解微机原理”和“培养底层编程意识和思想”这两个核心目标进行的。本书对所有与这两个目标关系并不密切的内容进行了舍弃，使读者可以将注意力集中在那些具有普遍意义的计算机知识上。
    有了目标，如何导航？导航需要“地图”和“指南针”。
    “地图”可以使读者对嵌入式微控制器的知识体系有宏观的把握，居高临下，不会“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。STM32单片机的资源很丰富，工具很完善，这是其占领嵌入式市场的优势，但这也使得初学者不知从何入手。尽管ST公司写了厚厚的芯片手册，但并不适合初学者。如果把手册看作一幅真实的地图，那么初学者需要的是一幅“手绘地图”。大学课堂上的教材应是这样的“手绘地图”，它不必对所有细节都进行事无巨细的介绍（对于STM32的所有外设，不一定都进行介绍），但应给出学习的“导航路径”，提示读者需要重点关注的地方，用易于理解的方式进行解释；对于“比例尺”（详略），要根据读者的能力及应用来选择；知识体系要全面、完整。初学者学习完“手绘地图”，就有了初步的基础，更重要的是对单片机的全貌有了一定的认识。此时再看手册，就会形成良好的学习梯度，便于初学者拾级而上。
    这里的“地图”也指STM32的整体结构，读者学习每部分的内容时，要明确各部分内容在整体结构中的位置及相互之间的关系。
    “指南针”指示方向，使读者可以洞察重点，突破难点，注重典型性，避免随意性；注重迁移性，避免孤立性。
    本书的特点如下所述。
    （1）定位准确：为STM32初学者而写，做到有的放矢。
    （2）内容先进：对STM32最新发布的产品有关注，能反映计算机科学技术的新成果、新趋势；有坚实的学术研究基础，是教与学切磋相长的荟萃。
    （3）取舍合理：做到“该有的有，不该有的没有”，不包罗万象、贪多求全，不直接复制照抄手册；内容的基础性与先进性、经典与现代、理论与实践的关系处理得当；综合参考了多方面相关资料，包括STM32官方培训、STM32配套开发板、嵌入式开发工程师公众号及博客，集多家之长，取长补短，可以更好地满足STM32初学者的学习需求。针对上述资料，编者并没有直接使用，教研团队对资料及课堂学习需求进行了充分的对比分析，有针对性地进行了深度二次开发，使本书内容更适合STM32初学者学习。
    （4）体系得当：针对STM32初学者的学习需求，精心设计体系，符合科学发展规律和教育认知规律，在理论与实践、基础与新知、知识与技能等方面有恰当、合理的布局和设计，同时注意学科交叉和文理交融。这样，本书内容不仅体现了科学性和先进性，还做到了循序渐进、降低难度、分散难点，使读者易于理解。
    （5）风格鲜明：用通俗易懂的方法和语言叙述复杂的概念，善于运用形象思维，深入浅出，引人入胜。
    本书在第2版的基础上，主要将案例由标准外设库换成HAL库。本书由陈志旺任主编，庞双杰、史小华、侯英、吕宏诗任副主编。本书共13章和3个附录，其中：第1012章由秦皇岛职业技术学院庞双杰编写，第13章由燕山大学史小华编写，第1章由燕山大学侯英编写，第6章由燕山大学吕宏诗编写，其余章节由燕山大学陈志旺编写；全书由陈志旺统稿。书中引用了一些电子文献，无法一一注明其出处，在此向原作者表示感谢。
    由于编者水平有限，书中难免存在疏漏与不妥之处，欢迎广大读者朋友不吝赐教。来信发送至如下邮箱：czwaaron@ysu.edu.cn。
                                                                                                                                              编者

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STM32嵌入式微控制器快速上手（第3版）