《嵌入式技术入门与实战（基于STM32）》（尹静）思考与练习题及答案

《嵌入式技术入门与实战（基于STM32）》思考与联系题答案（仅理论部分）第1章ARMCortex-M4处理器有哪些优点？答案：具体优点有：具有丰富的指令集：包括了单指令多数据的指令集（SIMD）、扩展的单周期32位的乘法累加器（MAC）、饱和运算指令以及单精度浮点运算指令具有浮点运算能力：Cortex-M4处理器内核中有独立的浮点单元（FPU），支持单精度浮点数的运算：加、减、乘、除、乘加、平方根…。具有较大的存储空间：片上闪存高达1M字节，内嵌SRAM高达196K字节，还具有灵活的静态存储控制器（FSMC）。运行速度快。以高速系统时钟频率168MHz运行时，可达到210DMIPS的处理能力。更高级的外设。Cortex-M4新增了照相机接口、加密处理器，USB高速OTG接口等外设功能，还具有更快的通信接口、更高采样率以及带FIFO的DMA控制器。具有嵌入式中断向量控制器NVIC，同样支持咬尾中断和晚到中断机制，因为多了对浮点运算的支持，在中断响应和退出时增加了对FPU扩展寄存器的保护。超低功耗。具有深睡眠模式以及多达240个唤醒中断的唤醒中断控制器，可关闭FPU降低功耗。具有高度可配置性：多达240个中断及其可编程的优先级、存储器保护单元（MPU）、JTAG和SWD调试接口是可选的，由芯片制造商决定是否使用；兼容性强，不仅兼容Cortex-M3，和其他的ARM处理器也具有很强的兼容性。ARMCortex-M4处理器由哪些部分组成？答案：Cortex-M4处理器包含处理器内核、嵌套向量中断控制器（NVIC）、SysTick定时器以及可选的浮点单元（FPU）。除了这些以外，处理器中还有一些内部总线系统、可选的存储器保护单元（MPU）以及支持软件调试操作的一组部件。STM32MCU系列产品有哪些分类？其中STM32F407属于哪一类？答案：SMT32MCU是我们常说的STM32器件，基于Cortex-M内核设计，可以分为：无线系列MCU、超低功耗系列MCU、主流MCU以及高性能MCU。高性能MCU高性能MCU。根据STM32芯片的命名规则说明STM32F407ZGT6包含了哪些芯片信息？答案：F表示基础型，407表示高性能，带DSP和FPU，Z表示该芯片引脚数为144个，G表示内存容量为1024Kb，T表示封装为QFP，6表示温度范围-40~85摄氏度，从STM32F407内部功能结构看，APB1和APB2下分别挂接哪些片上外设？答案：需要学会查看内部结构图，或者了解查看芯片手册对应知识点，可以了解到，APB1下挂接外设有：TIM2、TIM3、TIM4、TIM5、TIM12、TIM13、TIM14，USART2、USART3、UART4、UART5等，具体如图所示：STM32F4有哪些时钟源信号？时钟频率分别是多少？答案：STM32F4有5个时钟源:HSI、HSE、PLL、LSI、LSE，HSI、HSE以及PLL是高速时钟源，LSI和LSE是低速时钟源。时钟频率：HSI是高速内部时钟，由内部16MHzRC振荡器生成HSE是高速外部时钟，频率范围为4MHz~26MHzPLL为锁相环倍频输出，STM32F4具有两个PLL：主PLL和专用PLL，主PLL（MainPLL）由HSE或HSI振荡器提供时钟信号，并具有两个不同的输出时钟：第一个用于生成高速系统时钟（最高达168MHz），第二个用于生成USBOTGFS的时钟(48MHz)、随机数发生器的时钟(48MHz)和SDIO时钟(48MHz)。LSI是低速内部时钟，时钟频率在32kHz左右。LSE是低速外部时钟，接频率为32.768kHz的晶振或陶瓷谐振器。STM32F4的系统时钟的时钟源有哪些？答案：系统时钟的时钟源有：HSI、HSE、PLLCLK，可以从图1-9中看到，SYSCLK是通过RTCClockMux多选器选择的，因此主要是这三个来源，其中PLLCLK又可以来源于HIS和HSE。请设计实现STM32F4的系统时钟为84MHz。答案：选择HSE为PLL时钟源，HSE时钟频率为8MHz，经过4分频->168倍频->4分频，PLL可输出84MHz。请说明STM32F4能输出哪些时钟给外围电路？答案：用户可通过可配置的预分配器（从1到5）向MCO1引脚(PA8)输出四个不同的时钟源：HSI、LSE、HSE、PLL。也可以通过可配置的预分配器（从1到5）向MCO2引脚(PC9)输出四个不同的时钟源：HSE、PLL、系统时钟(SYSCLK)、PLLI2SCLK。请分别说明STM32F4的各总线时钟最大频率是多少？答案：STM32F4的AHB最大时钟为168MHz，APB2高速时钟最大频率为84MHz,而APB1低速时钟最大频率为42MHz。设计STM32F4的电源电路需考虑哪些问题？答案：在设计STM32F4的电源电路时，需要考虑以下几个问题：1.输入电压范围：确定输入电压的范围，以确保电源电路能够正常工作。STM32F4的输入电压范围通常为2.0至3.6V。2.输出电压稳定性：确保电源电路能够提供稳定的输出电压，以满足STM32F4的电源需求。可以使用线性稳压器或开关稳压器来实现稳定的输出电压。3.功耗和效率：考虑电源电路的功耗和效率，以优化系统的整体性能。低功耗和高效率的电源电路可以减少能量消耗并延长电池寿命。4.噪声和干扰：考虑电源电路中的噪声和干扰，以确保STM32F4能够正常工作。可以使用滤波器、屏蔽和布局优化等方法来减少噪声和干扰。5.保护电路：考虑电源电路的保护功能，以防止过流、过压和短路等情况对STM32F4造成损坏。可以使用熔断器、过流保护器件和过压保护器件等来实现保护功能。6.电源管理：考虑电源管理功能，以实现电源的自动开启和关闭，以及电源状态的监测和管理。可以使用电源管理IC或微控制器内置的电源管理功能来实现电源管理。7.PCB布局和布线：考虑电源电路的PCB布局和布线，以确保电源电路的稳定性和可靠性。合理的布局和布线可以减少噪声和干扰，并提高电源电路的性能。8.温度和散热：考虑电源电路的温度和散热问题，以确保电源电路在正常工作温度范围内运行。可以使用散热器、散热片和热敏电阻等来实现温度控制和散热。以上是在设计STM32F4的电源电路时需要考虑的问题，根据具体的应用需求和系统要求，可以进一步细化和优化电源电路设计。第2章STM32CubeIDE有哪些特点可以让你选择其进行STM32的开发？答案：通过学习CubeIDE的使用，可谈谈自身的体会，比如：集成了CubeMX，可图形化进行配置，快速构建工程，采用HAL库函数开发，能够跟进官网更新最新的HAL库等特点。如何理解HAL库的作用？答案：STM32CubeHAL是一款STM32抽象层嵌入式软件，和标准库对比起来，HAL库更加的抽象，HAL库将每个外设封装为一个对象，简单来说，对于芯片底层硬件的开发不需要开发者对寄存器进行一一配置，仅需要掌握其封装的HAL库函数的使用方法，就能够快速的开展开发，也大大降低了初学者开发的难度。同时HAL库提供了一整套一致的中间件组件，如RTOS、USB、TCP/IP、图形等等。STM32代码下载方式有哪几种，各有有什么优缺点？答案：程序下载有多种方法：USB、串口、JTAG、SWD等USB、串口下载：优点：硬件上不需要下载器，下载方便，目前很多笔记本电脑都不支持串行接口，因此目前市面上大部分STM32开发板提供了串口转USB接口电路，缺点：只能下载代码，不能实时跟踪调试代码。JTAG、SWD：，通过仿真器连接电脑端下载，优点：支持在线调试，能够通过实时调试定位代码问题。缺点：需要额外使用仿真器。串口下载时什么情况下需要安装CH340驱动？答案：如果电脑端没有串行接口，可通过USB接口进行下载，这个时候就需要下载安装CH340驱动，CH340G芯片将串口转USB接口。STM32有哪些调试接口，引脚数目分别是多少？答案：STM32支持两种调试接口：串行接口（SW）和JTAG调试接口，串行线调试端口(SW-DP)提供2引脚（时钟+数据）接口，JTAG调试端口(JTAG-DP)提供5引脚标准JTAG接口STM32F407芯片的调试接口的引脚封装是如何的？答案：可以查看芯片手册，了解到其调试接口引脚封装如下：STM32CubeIDE开发平台如何检查仿真器固件版本是否合适？答案：首先连接好硬件设备，ST-LINK仿真器通过USB线连接到电脑USB口；然后在STM32CubeIDE菜单栏选择Help->ST-LINK更新第3章简述GPIO有哪几种工作模式。答案：根据数据手册中列出的每个I/O端口的特性，可通过软件将通用I/O(GPIO)端口的各个端口位分别配置为多种模式：输入模式：浮空、输入上拉、输入下拉、模拟功能输出：开漏输出、推挽输出、复用功能推挽、复用功能开漏分析推挽输出和开漏输出的区别。答案：推挽模式下，输出寄存器上的0激活N-MOS，而输出寄存器上的1将激活P-MOS。因此，推挽模式可以输出高,低电平,连接数字器件。开漏输出模式下，输出寄存器上的0激活N-MOS，输出低电平，而输出寄存器上的1将端口置于高阻状态（P-MOS从不被激活）。一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平，如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平，比如输出5V。对于任务1，修改流水灯功能为全亮和全灭，调用HAL_GPIO_TogglePin函数实现。答案：见工程练习3-3分析几种输入模式的区别，分别适合哪些应用场景？答案：GPIO被配置为上拉、下拉和浮空输入时，主要区别是：上拉输入：上拉电阻开关闭合接VDD，下拉电阻开关打开，在引脚没有外部输入时，引脚被上拉至高电平，且保持高电平状态。下拉输入：下拉电阻开关闭合接GND，下拉电阻开关打开，在引脚没有外部输入时，引脚被下拉至低电平，且保持低电平状态。浮空输入：输入引脚即不接高电平，也不接低电平。通俗讲就是让管脚什么都不接，浮空着。由外部输入决定引脚的状态。当然，一般实际运用时，引脚不建议悬空，易受干扰。最后还有一种输入模式是模拟输入，在模拟输入模式中，输出缓冲器被禁止，禁止施密特触发输入，实现了每个模拟I/O引脚上的零消耗。如传送给ADC模块，由ADC采集电压信号。所以使用ADC外设时，必须设置为模拟输入模式。对于任务2的功能，完善按键检测函数，添加函数输入变量mode，输入变量mode为2时支持长按检测。当按键时长超过两秒时返回键值5~8。按键时长超过五秒时返回键值9~12。并能够控制对应LED灯的状态。答案：见工程练习3-5请采用位带操作的方法，实现按键的位带读取代码。答案：见工程练习3-6

第4章请问STM32F407xx系列芯片中哪些异常是编号为负的内核异常，其优先级如何？答案：复位（Reset）、不可屏蔽中断（NMI）、硬件错误（Hardfault），优先级分别为-3、-2、-1，这些异常的优先级最高，且优先级别固定不可更改。STM32F407xx中EXTI线总共有几条，其与GPIO如何映射？答案：STM32F407xx共有23条EXTI，其中：EXTI0~15映射到GPIOx_Pin0～GPIOx_Pin15，映射关系可参见图4-2；本章任务中，假设4个按键同时被按下，按照任务中的配置，如何响应中断？答案：任务，4个按键KEY1~4分别对应中断线EXTI4、EXTI3、EXTI2、EXTI0，根据优先级代码分析：/*EXTIinterruptinit*/HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn,0,2);HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);HAL_NVIC_SetPriority(EXTI2_IRQn,0,3);HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI2_IRQn);HAL_NVIC_SetPriority(EXTI3_IRQn,0,4);HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI3_IRQn);HAL_NVIC_SetPriority(EXTI4_IRQn,0,5);HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI4_IRQn);其中抢占优先级都为0，响应优先级KEY1~4依次为5、4、3、2，KEY4优先级最高，因此优先响应KEY4。4、使用外部中断实现跑马灯，并且体现高优先级中断打断低优先级中断操作。答案：见工程练习4-4第5章串口波特率是由哪个寄存器决定的？请详细说明寄存器的配置值跟波特率的关系。答案：串口波特率是由波特率寄存器(USART_BRR)来进行配置的，该寄存器分为两个部分：位15:4DIV_Mantissa[11:0]：USARTDIV的尾数，这12个位用于定义USART除数(USARTDIV)的尾数；位3:0DIV_Fraction[3:0]：USARTDIV的小数，这4个位用于定义USART除数(USARTDIV)的小数。这两部分参数用于计算波特率分频系数USARTDIV=DIV_Mantissa+(DIVFraction/16)；因此波特率寄存器(USART_BRR)可以计算出USARTDIV，由此可以计算出波特率：Tx/Rxbaud=两个MCU通过USART串口互联，请说明如何连接两个串行通信的设备？答案：RXD是数据输入端口，用于数据接收；TXD是数据发送端口，用于数据发送。对于两个芯片之间的连接需要共地，同时TXD和RXD交叉连接。的交叉连接是：芯片1的RxD连接芯片2的TXD，芯片2的RXD连接芯片1的TXD。这样，两个芯片之间就可以进行正常的TTL电平通信了。微控制器和PC端USB口的串口硬件连接是如何实现的？答案：如图所示：微控制器串口引脚与CH340转接芯片连接，通过CH340将普通的串口设备直接升级到USB总线，从而可以与PC端的USB接口连接，进行串口通信。具体引脚连接如图5-4所示。结合按键的功能，请设计实现通过按键启动和关闭串口收发数功能。答案：见工程练习5-4通过串口实现两块STM32实验板的通信。答案：见工程练习5-5第6章1、任务1中，修改相关参数，实现定时器周期为200ms。答案：首先，根据周期为200ms可以计算一下频系数PSC和自动装载值ARR的取值，任务中，定时器输入时钟源选择内部时钟源，时钟频率为84MHz，可以设置PSC==840-1，自动装载值ARR=20000-1，那么根据周期计算公式:TCNT=(ARR+1)*TCK_CNT=(ARR+1)(PSC+1)/FCK_PSC=20000*840/84MHz=200ms然后，修改代码中涉及的PSC和ARR的取值：函数MX_TIM3_Init(void)中，修改：htim3.Init.Prescaler=840-1;htim3.Init.Period=20000-1;这样就可以实现200ms周期的定时，可运行代码查看是否符合预期。2、任务2中，修改有效极性参数OCPolarity，会有什么样的实验效果？答案：OCPolarity为有效电平，任务2中配置为“TIM_OCPOLARITY_LOW”表示低电平有效，在PWM模式1下，如果计数方式为向上计数，计数值CNT<比较值CCR1时，输出有效电平为低电平，否则输出高电平，如果修改该参数为高电平有效，那么输出的PWM高低电平和原来的反一反，如图6-18所示3、任务2中配置的PWM信号周期为多少，如果要输出50%占空比，那么比较值CCRx需配置为多少？修改其占空比的代码如何实现？答案：任务2中，配置ARR=500-1，PSC=84-1，时钟频率为84MHz（挂接在APB1下，并为其2倍频）因此周期为500*84/84MHz=2ms。如果要输出占空比为50%，CCRx可设置为250，即ARR的一半。具体修改代码如下：PWMValue=250；__HAL_TIM_SetCompare(&htim14,TIM_CHANNEL_1,PWMValue);//更改PWM的CCR比较值4、任务3中，检测按键S4脉宽测量可以通过TIM5CH1输入捕获实现？是否可以用同样的方法测量按键S1、S2、S3的脉宽，请说明原因。答案：S4按键对应引脚PA0，可通过查看芯片数据手册datasheet可以找到PA0复用功能可作为TIM5CH1的输入，如图6-26所示，因此可以采用TIM5CH1输入捕获的功能实现S4按键的脉宽测量。而任务中使用的按键S1、S2、S3的引脚分别对应PE4、PE3、PE2，查看芯片数据手册如下图所示：图中，三个引脚的复用功能都没有对应定时器输入捕获的通道，因此，不可以直接采用输入捕获功能区测量其脉冲宽度。5、采用定时器测量输出的PWM信号的周期和占空比的实现方法？答案：将任务2和任务3的功能结合起来，任务2输出的PWM可以作为任务3的输入，通过输入捕获进行PWM信号高低电平持续时间的测量，并最终计算出周期和占空比。第7章1、STM32F4xx系列芯片内总共有多少个ADC和DAC，其时钟总线分别是哪个总线，其时钟如何计算？答案：STM32F4xx系列芯片上有3个ADC模块，2个DAC转换器。3个ADC模块挂接在APB2总线，其时钟是对APB2时钟频率进行预分频得到，预分频值由ADC通用控制寄存器ADC_CCR中的ADCPRE位决定，取值有：2/4/6/8分频。例如，ADC任务中，APB2设置为最大时钟频率84MHz，分频值为4分频，因此，ADC的时钟频率为21MHz。2个DAC模块挂接在APB1总线上，DAC的工作时钟信号就是APB1总线时钟。2、ADC单通道转换方式有哪些？这些转换方式的区别在哪里？答案：ADC单个通道的转换支持单次转换和连续转换。在单次转换模式下，ADC只执行一次转换。完成所选通道的转换之后，如果转换了规则通道，转换数据存储在16位ADC_DR寄存器中，如果转换了注入通道，转换数据存储在16位ADC_JDR1寄存器中，如果开启中断，则产生中断，然后ADC停止。在连续转换模式中，当前面ADC转换一结束马上就启动另一次转换。每一次转换完成数据存储方式和中断同单次转换。3、如图7-12的串口打印结果，ADC的转换结果为4041时，如何计算验证其模拟输入结果就是3.2551V?答案：满量程为12位（最大值4095），参考电压为3.3v，因此有：数字最大值/参考电压=当前转换结果/模拟输入电压4095/3.3=4041/模拟输入电压,可计算得模拟电压为3.2565V，和实际的电压3.2551V基本接近。4、任务1中ADC的转换式通过软件设置启动的，请实现通过定时器触发ADC的转换。答案：结合第六章内容，代码中开启定时器中断，周期性的进入中断触发ADC，注意定时器周期一定要大于ADC转换的总时间，预留足够的转换时间。5、DAC转换的启动触发方式有有些？任务2中采用何种方式启动DAC转换？答案：DAC转换触发方式有：软件触发，外部事件触发，其中外部事件触发有：定时器触发、外部中断线触发，具体可查看图7-14，对于不同的芯片可查看各自的芯片手册中DAC通道的框图中关于触发部分的输入源。任务2中，采用软件触发启动DAC转换。6、请分析图7-23中串口打印的结果，并给出DAC转换的数字值和模拟值的关系。答案，以第三行打印信息2800为例，2800为代码中设置的DAC数字值，DAC的模拟输出引脚连接到了ADC模块的模拟输入，并经过ADC后打印数字值为第四行的“ADC转换输出：2738”，这两个值基本接近，符合预期，将2738换算成模拟值打印到串口第五行“模拟电压值:2205.9mv”,根据DAC的转换关系，我们可以验证一下这个模拟值是否符合预期：DAC可见两个值也是基本一致的。7、参考任务2的实现，请实现采用定时器触发的方式启动DAC转换。答案：见工程练习7-7第8章1、使用RS485总线通信模块与Modbus通讯协议搭建一款简易的物联网系统。2、在本章任务中，使用了串口调试助手打印接收到的数据。请编