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单片机的外设是指与单片机核心处理部分相连的附加硬件模块，它们能够扩展单片机的功能和能力。外设指的是单片机外部的外围功能模块，比如键盘控制芯片，液晶，A/D转换芯片，等等。外设可通过单片机的I/O，SPI，I2C等总线控制。

1. GPIO（通用输入输出接口）

1.1 GPIO 原理

GPIO 是 STM32 中最基础的外设，用于数字信号的输入和输出。每个 GPIO 引脚可以配置为不同的工作模式，根据应用需求来实现不同的功能。GPIO 可以设置为以下几种模式：

输入模式：用于读取外部设备的信号。例如，按键、传感器输出等。
输出模式：用于驱动外部设备，如点亮 LED、控制电机。
复用模式：当 GPIO 引脚作为其他外设的功能引脚（如 UART、SPI、I2C）的时，需将其配置为复用模式。
模拟模式：此模式下 GPIO 用于处理模拟信号输入/输出，比如 ADC 或 DAC 信号。

GPIO 的输入/输出电平可以是高电平或低电平，对应逻辑“1”和逻辑“0”。输入时，外部设备提供电平，MCU 读取这个电平。输出时，MCU 根据设置控制 GPIO 引脚电平的高低。

1.2 GPIO 配置步骤

主要步骤：

启用 GPIO 端口时钟：外设时钟必须被开启，才能访问外设寄存器。
配置 GPIO 工作模式：根据使用场景，配置为输入、输出、复用、模拟模式。
配置 GPIO 拉高/拉低电阻：根据输入设备信号特性选择是否启用内部上拉或下拉电阻。
配置 GPIO 引脚速度：根据外设需求设置引脚速度（低、中、高速）。
读取或写入 GPIO 引脚：在程序中读取输入状态或输出控制信号。

示例代码：下面展示了一个通过 GPIO 控制 LED 的程序，LED 连接在 GPIO_PIN_5 上。

c复制代码GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};// 1. 启用 GPIO 时钟
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();// 2. 配置 GPIO 引脚 PA5 为推挽输出模式
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;  // 推挽输出
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;          // 无上拉或下拉电阻
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; // 设置速度
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);// 3. 点亮 LED (输出高电平)
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);// 4. 熄灭 LED (输出低电平)
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);

1.3 GPIO 中断配置

GPIO 引脚可以配置为触发中断，常用于处理外部事件（如按键触发、外部传感器信号变化）。例如，配置 GPIO_PIN_0 为上升沿触发中断。

c复制代码// 配置 PA0 为输入中断模式
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;  // 上升沿触发中断
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;        // 下拉电阻
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);// 使能 EXTI0 的中断
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 2, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);// 中断回调函数
void EXTI0_IRQHandler(void)
{// 检查是否为 EXTI0 触发HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0);
}void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0){// 中断处理逻辑，例如切换 LED}
}

2. USART/UART（通用同步/异步收发器）

2.1 USART 原理

USART 提供了串行通信功能，可以支持全双工通信。常用于与传感器、电脑、调试工具等设备进行通信。在 UART 模式下，数据以一定波特率传输，通过开始位、数据位、校验位和停止位来完成通信过程。

USART 的主要配置参数包括：

波特率：决定了数据传输的速度，常见波特率有 9600, 115200。
数据位长度：通常为 8 位，也支持 9 位数据帧。
校验：支持奇偶校验，也可以不使用校验。
停止位：1 位或 2 位，用于标识帧的结束。

2.2 USART 配置步骤

启用时钟：启用 USART 外设和相关 GPIO 引脚的时钟。
配置 USART 参数：设置波特率、数据长度、停止位、校验等。
配置 GPIO 引脚：配置 TX（发送）和 RX（接收）引脚为复用模式。
使能 USART：启用 USART 外设。
发送/接收数据：使用 HAL 库函数进行数据的发送和接收。

示例代码：配置 USART2 进行 115200 波特率的通信。

c复制代码UART_HandleTypeDef huart2;// 1. 启用 USART2 时钟
__HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE();// 2. 配置 USART 参数
huart2.Instance = USART2;
huart2.Init.BaudRate = 115200;               // 设置波特率
huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; // 8 位数据长度
huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;      // 1 位停止位
huart2.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;       // 无校验
huart2.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;          // 使能发送和接收
HAL_UART_Init(&huart2);

2.3 USART 数据发送与接收

USART 通信中，常使用阻塞模式、非阻塞模式（中断）或 DMA 模式。以下展示如何发送和接收数据：

c复制代码// 发送数据
char msg[] = "Hello, USART!";
HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)msg, strlen(msg), HAL_MAX_DELAY);// 接收数据
uint8_t buffer[10];
HAL_UART_Receive(&huart2, buffer, sizeof(buffer), HAL_MAX_DELAY);

2.4 USART 中断模式

为了避免占用 CPU 进行数据轮询，可以使用中断方式来接收数据。当 USART 接收到数据时，会触发中断，并调用中断处理程序。

c复制代码// 启用中断接收
HAL_UART_Receive_IT(&huart2, buffer, 1);// 中断回调函数
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{if (huart->Instance == USART2){// 处理接收到的数据}
}

3. SPI（串行外设接口）

3.1 SPI 原理

SPI 是一种同步通信协议，数据在时钟的同步下在主从设备之间传输。SPI 通常用于传感器、显示器、存储设备等外设的通信，能够实现高速通信。SPI 包括四条主要信号线：

SCLK（时钟线）：由主设备产生，控制数据传输速率。
MOSI（主输出从输入）：主设备发送数据给从设备。
MISO（从输出主输入）：从设备发送数据给主设备。
SS（片选信号）：选择要通信的从设备。

3.2 SPI 工作模式

SPI 有四种模式，通过时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）配置。根据从设备的要求，配置不同的工作模式。

CPOL = 0, CPHA = 0：数据在时钟的第一个上升沿采样，时钟空闲时为低电平。
CPOL = 0, CPHA = 1：数据在时钟的第二个上升沿采样，时钟空闲时为低电平。
CPOL = 1, CPHA = 0：数据在时钟的第一个下降沿采样，时钟空闲时为高电平。
CPOL = 1, CPHA = 1：数据在时钟的第二个下降沿采样，时钟空闲时为高电平。

3.3 SPI 配置步骤

启用时钟：为 SPI 外设和相关 GPIO 引脚启用时钟。
配置 SPI 工作模式：设置 SPI 主从模式、时钟极性、时钟相位、数据大小等。
配置 GPIO：将相关引脚设置为复用模式。
使能 SPI 外设：启动 SPI 外设。
收发数据：使用 HAL 函数传输数据。

示例代码：配置 SPI1 进行主设备通信，CPOL = 0，CPHA = 0。

c复制代码SPI_HandleTypeDef hspi1;// 1. 启用 SPI 时钟
__HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE();// 2. 配置 SPI
hspi1.Instance = SPI1;
hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;           // 配置为主设备
hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; // 全双工通信
hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;     // 8 位数据帧
hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;   // 时钟空闲时为低电平
hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;       // 在第一个上升沿采样
hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;               // 软件控制片选信号
hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_16;
HAL_SPI_Init(&hspi1);

3.4 SPI 数据传输

SPI 支持阻塞、非阻塞（中断）和 DMA 模式的传输。以下展示如何使用 SPI 发送和接收数据：

c复制代码uint8_t txData[] = {0x01, 0x02, 0x03};
uint8_t rxData[3];// 发送数据
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, txData, sizeof(txData), HAL_MAX_DELAY);// 接收数据
HAL_SPI_Receive(&hspi1, rxData, sizeof(rxData), HAL_MAX_DELAY);

3.5 SPI 中断模式

使用中断模式可以更高效地传输数据。配置 SPI 中断接收：

c复制代码// 启用中断接收
HAL_SPI_Receive_IT(&hspi1, rxData, sizeof(rxData));// 中断回调函数
void HAL_SPI_RxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{if (hspi->Instance == SPI1){// 处理接收到的数据}
}

4. I2C（集成电路间通信）

4.1 I2C 原理

I2C 是一种常用的两线式通信协议，通常用于低速设备之间的通信。I2C 使用两根信号线：

SCL（时钟线）：控制数据传输速率。
SDA（数据线）：用于传输数据。

I2C 的特点是所有设备共享一条总线，主设备通过唯一的 7 位地址来选择要通信的从设备。I2C 支持半双工通信，数据由 SCL 同步进行传输。

4.2 I2C 配置步骤

启用时钟：为 I2C 外设和相关 GPIO 引脚启用时钟。
配置 I2C 参数：设置 I2C 工作频率、地址模式、从设备地址等。
配置 GPIO：将相关引脚设置为复用模式，并启用上拉电阻。
使能 I2C 外设：启动 I2C 外设。
发送/接收数据：使用 HAL 库函数进行数据传输。

示例代码：配置 I2C1 进行主设备通信，地址模式为 7 位。

c复制代码I2C_HandleTypeDef hi2c1;// 1. 启用 I2C 时钟
__HAL_RCC_I2C1_CLK_ENABLE();// 2. 配置 I2C
hi2c1.Instance = I2C1;
hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;              // 设置时钟频率为 100kHz
hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;      // 50% 占空比
hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0x32;               // 设置主设备地址
hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT; // 7 位地址模式
HAL_I2C_Init(&hi2c1);

4.3 I2C 数据传输

I2C 支持主从模式的数据传输，以下展示如何发送和接收数据：

c复制代码uint8_t txData[] = {0x01, 0x02, 0x03};
uint8_t rxData[3];
uint16_t deviceAddress = 0x50;  // 从设备地址// 发送数据到从设备
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, deviceAddress, txData, sizeof(txData), HAL_MAX_DELAY);// 从从设备接收数据
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, deviceAddress, rxData, sizeof(rxData), HAL_MAX_DELAY);

4.4 I2C 中断模式

可以使用中断模式来高效处理 I2C 数据通信：

c复制代码// 启用中断接收
HAL_I2C_Master_Receive_IT(&hi2c1, deviceAddress, rxData, sizeof(rxData));// 中断回调函数
void HAL_I2C_MasterRxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{if (hi2c->Instance == I2C1){// 处理接收到的数据}
}

5. ADC（模数转换器）

5.1 ADC 原理

STM32 的 ADC（Analog-to-Digital Converter）用于将模拟信号（如传感器信号）转换为数字信号。ADC 的主要参数包括：

分辨率：STM32 的 ADC 支持 12 位分辨率，也可以配置为 8 位、10 位。
参考电压：ADC 的转换结果是相对于参考电压的，典型的参考电压为 3.3V。
采样时间：ADC 在转换前需要对信号进行采样，不同的采样时间可以影响转换的速度和精度。

5.2 ADC 配置步骤

启用时钟：启用 ADC 时钟和相关 GPIO 时钟。
配置 ADC：设置 ADC 的分辨率、采样时间、数据对齐等参数。
配置 GPIO：将 ADC 的输入引脚配置为模拟模式。
启用 ADC：启动 ADC 并开始转换。
读取转换结果：通过 HAL 库函数获取转换后的数据。

示例代码：配置 ADC1 读取通道 0 上的模拟信号。

c复制代码ADC_HandleTypeDef hadc1;
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};// 1. 启用 ADC 和 GPIO 时钟
__HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();// 2. 配置 GPIO 引脚为模拟输入模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;          // PA0 引脚
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;   // 模拟模式
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);// 3. 配置 ADC 参数
hadc1.Instance = ADC1;
hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;  // 12 位分辨率
hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;  // 数据右对齐
hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE;           // 单通道模式
HAL_ADC_Init(&hadc1);// 4. 配置 ADC 通道
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;
sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;
HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);// 5. 启动 ADC 并开始转换
HAL_ADC_Start(&hadc1);
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);// 6. 获取 ADC 转换结果
uint32_t adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

5.3 多通道 ADC

STM32 的 ADC 可以配置为多通道模式，即通过多个输入引脚采集多个模拟信号。多通道 ADC 的使用步骤和单通道类似，只需启用扫描模式，配置多个通道即可。

6. DAC（数模转换器）

6.1 DAC 原理

STM32 的 DAC（Digital-to-Analog Converter）用于将数字信号转换为模拟信号，常用于音频输出、波形生成、LED 亮度控制等场景。DAC 输出的电压范围通常为 0 到参考电压（如 3.3V）。

6.2 DAC 配置步骤

启用时钟：启用 DAC 和相关 GPIO 的时钟。
配置 DAC：设置 DAC 的触发源、输出模式、波形生成等参数。
配置 GPIO：将 DAC 的输出引脚配置为模拟模式。
启用 DAC：启动 DAC 并开始转换。
输出模拟信号：通过 HAL 库函数输出模拟信号。

示例代码：配置 DAC1 输出一个固定电压。

c复制代码DAC_HandleTypeDef hdac1;// 1. 启用 DAC 和 GPIO 时钟
__HAL_RCC_DAC_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();// 2. 配置 GPIO 引脚为模拟模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_4;          // PA4 引脚
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;   // 模拟模式
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);// 3. 配置 DAC 参数
hdac1.Instance = DAC;
HAL_DAC_Init(&hdac1);// 4. 启用 DAC 并输出电压
HAL_DAC_Start(&hdac1, DAC_CHANNEL_1);// 5. 设置输出电压
HAL_DAC_SetValue(&hdac1, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, 2048);  // 输出 1.65V（参考电压为 3.3V）

6.3 DAC 波形生成

DAC 可以生成简单的波形，例如正弦波、三角波或噪声信号，常用于测试或信号模拟。STM32 的 DAC 支持通过 DMA 进行波形的自动更新，减少 CPU 的负担。

7. 定时器（TIM）

7.1 定时器原理

STM32 的定时器外设用于计时、生成 PWM 信号、测量输入脉冲宽度、编码器接口等。定时器分为基本定时器、通用定时器和高级定时器：

基本定时器：用于简单的定时功能，如延时。
通用定时器：可以配置为计时、输入捕获、输出比较、PWM 生成等多种功能。
高级定时器：功能更为强大，通常用于电机控制等复杂场景。

7.2 定时器配置步骤

启用时钟：启用定时器时钟。
配置定时器参数：设置计数模式、分频系数、自动重装载值等。
配置中断或输出模式：如果需要中断处理或 PWM 输出，则进行相应的配置。
启动定时器：使能定时器。

示例代码：配置通用定时器 TIM3 实现一个 1 秒的中断。

c复制代码TIM_HandleTypeDef htim3;// 1. 启用定时器时钟
__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();// 2. 配置定时器
htim3.Instance = TIM3;
htim3.Init.Prescaler = 7999;        // 预分频器
htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim3.Init.Period = 9999;           // 自动重装载值
htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_Base_Init(&htim3);// 3. 启用中断
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);// 中断回调函数
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{if (htim->Instance == TIM3){// 定时器中断处理逻辑，例如切换 LED 状态}
}

7.3 PWM 输出

PWM（脉冲宽度调制）常用于控制电机、LED 调光等应用。通过改变占空比，可以控制输出信号的平均电压。

PWM 输出示例代码：

c复制代码// 配置定时器用于 PWM 输出
htim3.Init.Period = 1000;  // PWM 频率
HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);// 配置 PWM 通道
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 500;    // 设置占空比 50%
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);// 启动 PWM 输出
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);