STM32F103简介

自从大学毕业之后，已经很久没有接触STM32控制器了，最近打算学习一下LVGL，控制芯片计划使用STM32，因此这里我们会简单介绍有关STM32的知识。

一、STM32F103RTC6介绍

1.1 命名规则

我从网上买了一块STM32F103RTC6开发板，STM32F103RCT6 各个字段的含义：

• STM32（芯片系列）：STM32代表ARM Cortex-M内核的32位微控制器；
• 103（芯片子系列）：101基本型，102USB基本型（USB2.0），103代表增强型系列，105或107互联型；
• F（产品类型）：F代表通用系列 ；
• R（引脚数量）：T=36, C=48, R=64, V=100 ,Z =144；
• C（闪存容量）：4=16K，6=32K，8=64K，B=128K，C=256K，D=384K，E=512K ；
• T（表封装）： H代表BGA封装、T代表LQFP封装 、U代表VFQFPN封装 、Y代表WLCSP64；
• 6（工作温度范围）：6代表-40~85℃，7代表-40~105℃；

更多细节可以参考下图：

1.2 原理图

接下来我们看一下这块开发板的完整电路原理图，后续我们会一一介绍各个组成部分；

STM32F103RCT6核心板丝印尺寸图：

1.2.1 MCU部分

MCU采用的STM32F103RTC6，一共64个引脚；

由于引脚比较多，我们不可能一一介绍，这里我们仅仅介绍比较重要的引脚；

• 电源引脚，包括：
  • VDD（13、19、32、48、64）：供电电源引脚，D=device表示器件的意思，即器件内部的工作电压，通常连接到3.3V电源；
  • VSS（12、18、31、47、63）：接地引脚，S=series表示公共连接的意思，通常指电路公共接地端电压；
  • VBAT（1）：RTC的电池供电引脚，当使用电池或其他电源连接到VBAT脚上时，当VDD断电时，可以保存备份寄存器的内容和维持RTC的功能。如果应用中没有使用外部电池，VBAT引脚应接到VDD引脚上；
• 复位与时钟引脚，包括：
  • NRST（7）：复位引脚，外部低电平触发复位。若外部复位被激活，MCU会重新启动；
  • BOOT0/1（28、60）：启动引脚，选择MCU启动方式，用于选择从闪存或外部设备启动；
• RTC引脚：
  • RTC（2）：RTC实时时钟的输出引脚，可以配置为1Hz信号输出，通常用于提供精确的时间基准；
• 通信引脚，STM32F103RTC6提供了多种通信接口，其中包括：
  • USART（通用同步异步收发器，42和43、16和17、29和30）：例如，TX（发送）和RX（接收）引脚；
  • SPI（串行外设接口，21、22、23）：例如，MOSI（主输出从输入）、MISO（主输入从输出）等引脚；
  • I2C（52和53）：SCL（时钟线）、SDA（数据线）引脚。
• GPIO引脚：STM32F103RTC6提供了多个通用输入输出引脚（GPIO），这些引脚可以用于多种不同的外设功能，如数字输入、输出、高低电平控制、外部中断等；
• 外部中断引脚：EXTI（外部中断）引脚，用于从外部设备（如按钮、传感器等）接收中断信号；
• 模拟引脚：ADC（模拟数字转换器）引脚，用于接收模拟信号并进行数字化处理。这些引脚通常与外部传感器连接；
• 调试引脚：SWDIO（46）和 SWCLK（49）：用于调试的串行线（Serial Wire Debug）接口引脚，用于与调试器连接；
• PWM输出引脚：
  • TIMx：定时器模块的输出引脚，用于生成脉宽调制（PWM）信号，通常用于电机控制、亮度调节等应用。

1.2.2 复位引脚NRST原理图

STM32的NRST是异步复位脚。 复位就是让单片机重启，使其恢复到一个缺省的状态。

• 当NRST输入低电平的时候，MCU处于复位状态，重设所有的内部寄存器，及片内几十KB的SRAM。；
• 当NRST从低电平变高时，PC指针从0开始。 但是复位的时候不会将STM32F片内RTC的寄存器以及后备存储器重置，因为它们是用电池通过专门的VBAT脚供电。

STM32中的NRST有施密特功能。大概在输入电压低于1.V的时候将芯片复位。

开发板上电的瞬间，电容C4两端电压可以认为是0，刚上电的时候电流会通过R1和C4到地，为C4充电，RESET会输出低电平，stm32处于复位状态，VCC3.3通过电阻R1给电容充电，当电容C4的电压升高到0.8V以上，stm32退出复位状态进入运行状态。

1.2.3 晶振引脚原理图

1.2.3.1 8MHz晶振

高速晶振8MHz作为系统时钟的来源，可以由芯片内部的HSI RC时钟源或芯片外部的独立时钟源提供。

在STM32最小系统板上，8M晶振是用于提供系统时钟的外部晶体振荡电路之一。

高速晶振8MHz作为系统时钟的来源，可以由芯片内部的HSI RC时钟源或芯片外部的独立时钟源提供。由于芯片内部的HSI RC时钟源不够精准，我们通常采用外部独立时钟源来来为芯片提供系统时钟。
具体计算方法如下：

\[晶振频率 = 8MHz \]

\[晶振周期 = 1 / 晶振频率 = 0.125us \]

如果需要一个1秒的周期，需要多少个晶振周期？

\[1s / 0.125us = 8000000个周期 \]

因此，如果使用8MHz晶振，系统需要运行8000000个晶振周期才能完成一个1秒的周期。

1.2.3.2 32.768k晶振

低速晶振32.768kHz连接LSE（low-speed external clock signal），最终到达RTC（real-time clock）。

RTC是一个独立的定时器 。从real-time clock（实时时钟）四字可以理解，RTC可以为系统实时记录当前系统时间和日期，不管芯片有没有掉电。如果想要使用RTC实时记录系统时间，芯片需要接入额外备用电源，通常为纽扣电池。这样以来，RTC在芯片掉电后，可以由电池供电继续运行。

对于掉电后不需要记录系统时间的电路板，我们将低速晶振32.768kHz舍去，节约板子空间，精简电路设计。　

2的15次方正好等于32768，反过来讲，如果要把32.768K的时钟频率经过15次分频的话，得到的频率正好是1Hz。

1.2.3.3 电容介绍

晶振旁的俩个电容到底有啥作用？

主要作用是平衡晶振引脚的电感的。因为晶振在高频工作时有寄生电感，为了平衡电感起到谐振的作用。所以要用两个小电容来平衡电感。一般电容的选20pf–30pf的就可以了。具体的大小请参看晶振厂家提供的数据手册。

芯片晶振引脚的内部通常是一个反相器，芯片晶振的两个引脚之间还需要连接一个电阻，使反相器在振荡初始时处与线性状态，但这个电阻一般集成在芯片的内部，反相器就好像一个有很大增益的放大器，为了方便起振，晶振连接在芯片晶振引脚的输入和输出之间，等效为一个并联谐振回路， 振荡的频率就是石英晶振的并联谐振频率。

晶振旁边的两个电容需要接地，其实就是电容三点式电路的分压电容，接地点就是分压点，以分压点为参考点，振荡引脚的输入和输出是反相的，但从晶振两端来看，形成一个正反馈来保证电路能够持续振荡。

芯片设计的时候，其实这两个电容就已经形成了，一般是两个的容量相等，但容量比较小，不一定适合很宽的振荡频率范围，所以需要外接两个负载电容。

为了让晶振能够可靠、稳定的起振，我们在布线时，需要让晶振和负载电容尽量的靠近芯片的晶振引脚。

1.3 电源转换电路

我们可以发现电源转换电路是由一个稳压芯片AMS1117-3.3V、两个电解电容（C21、C22）组成。实际上C21和C22两侧还应该各接一个104的贴片电容；比如这种：

设计原因：STM32芯片的工作电压为2.0~3.6V，我们一般取3.3V；而通过USB接口输出的电源为5V，为防止STM32芯片损坏，需要我们通过该电源转换电路，把5V的输入电压降低到3.3V工作电压。

电容作用：

• C4和C5是输出滤波电容，作用是抑制自激振荡，如果不接这两个电容，通常线性稳压器的输出会是个振荡波形；
• C6和C7是输入电容，对于交流电压整流输入，它们的第一个作用是把单向脉动电压转换成直流电压，在本图中输入已经是+5V直流电源了，它们的作用就是防止断电后出现电压倒置，因此通常输入电容的容量应该大于输出电容。

概括性地说，输出的电容的作用是把输出信号的干扰作为滤除。输入电容的作用就是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除。

1.4 调试接口

众所周知，SWD和JTAG是单片机下载程序与调试的常用接口。其共同之处：

• 供电电压范围: 1.2 V - 5.5 V；
• 时钟速率： 可配置高达10 MHz；
• SWO跟踪捕获： 数据速率高达50 Mbit/s（UART/NRZ模式）；
• 隔离电压: 1 kV；
• 热插拔：支持；

1.4.1 JTAG

JTAG，全名为Joint Test Action Group（联合测试行动小组）。截至本文最新的标准为IEEE Standard 1149.1-1990。其拓扑图如下：

JTAG 一般使用5个引脚：

• TDI（Test Data In）：串行输入引脚；
• TDO（Test Data Out）：串行输出引脚；
• TCK（Test Clock）：时钟引脚，一般附加100k下拉电阻；
• TMS（Test Mode Select）：模式选择（控制信号）引脚；
• TRST（Test Reset）：复位引脚；

JTAG的优势：

• 不限于ARM系列芯片；
• 具有更多用于编程，调试和生产测试的用途。

1.4.2 SWD

全称为Serial Wire Debug（串行线调试），是ARM专门设计的协议，仅支持ARM（所以在ARM系列单片机中性能表现较佳）。

SWD一般使用 2 个引脚：

• SWDIO（Serial Wire Data Input Output）：串行数据输入输出引脚；
• SWCLK（Serial Wire Clock）：串行线时钟引脚；

SWD的优势：

• 使用引脚更少，只需SWDIO和SWCLK两个引脚；
• SWD具有特殊功能，例如打印调试信息；
• 与JTAG相比，SWD在速度上具有更好的整体性能；

我们使用的开发板就使用了SWD接口，电路原理图如下：

SWDIO：在芯片内部已经有上拉，但在电路板上必须再一次上拉（100k或者10k电阻）；不过我们这个开发板原理图并没有接上拉电阻，如果我们设计原理图，最好接上上拉电阻；

SWCLK，在芯片内部已经有下拉，在电路板上没有特殊要求进一步下拉。

1.4.3 JTAG与SWD的兼容性

一般来说，单片机板子上会有以下这些烧录座，可同时兼容JTAG与SWD：

其中：

• TCK兼容SWCLK；
• TMS兼容SWDIO；
• TDO兼容SWO;

选用SWD而非JTAG的理由：

• 电路原理图设计需要足够简单，且可以在没有JTAG功能的情况下进行测试；
• PCB在尺寸方面有限制，SWD可以节省空间；
• MCU已经没有多余的引脚给 JTAG用了。

1.5 BOOT0/1

BOOT决定的模式：

BOOT1	BOOT0	启动方式	说明
X	0	主闪存存储器	主闪存存储器被选为启动区域
0	1	系统存储器	系统存储器被选为启动区域
1	1	内置SRAM	内置SRAM被选为启动区域

1.5.1 主闪存存储器

是STM32内置的Flash，一般我们使用JTAG或者SWD模式下载程序时，就是下载到这个里面，重启后也直接从这启动程序。

1.5.2 系统存储器

从系统存储器启动，这种模式启动的程序功能是由厂家设置的。一般来说，这种启动方式用的比较少。

系统存储器是芯片内部一块特定的区域，STM32在出厂时，由ST在这个区域内部预置了一段BootLoader，也就是我们常说的ISP程序，这是一块ROM，出厂后无法修改。

一般来说，我们选用这种启动模式时，是为了从串口下载程序，因为在厂家提供的BootLoader中，提供了串口下载程序的固件，可以通过这个BootLoader将程序下载到系统的Flash中。但是这个下载方式需要以下步骤：

• 将BOOT0设置为1，BOOT1设置为0，然后按下复位键，这样才能从系统存储器启动BootLoader；
• 最后在BootLoader的帮助下，通过串口下载程序到Flash中；
• 程序下载完成后，又有需要将BOOT0设置为0，手动复位，这样，STM32才可以从Flash中启动。

1.5.3 内置SRAM

内置SRAM，既然是SRAM，自然也就没有程序存储的能力了，这个模式一般用于程序调试。

假如我只修改了代码中一个小小的地方，然后就需要重新擦除整个Flash，比较的费时，可以考虑从这个模式启动代码（也就是STM32的内存中），用于快速的程序调试，等程序调试完成后，再将程序下载到Flash中。

1.6 LCD外围电路

开发板支持外接一块I2C通信的OLED的屏幕，比如可以连接与开发板配套的128*128 TFT_LCD液晶屏；

1.7 串口一键下载电路（CH340）

参考文章

[1] 对stm32F103RCT6原理图解析