基于STM32的智能天气时钟
1. GPIO
定义初始化结构体
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
作用：定义一个名为
GPIO_InitStruct的结构体变量，用于存储GPIO的配置参数。说明：
GPIO_InitTypeDef是库中定义的结构体类型，包含GPIO的所有可配置项。
2. 结构体默认初始化
GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);
作用：用默认值填充结构体，避免未初始化的随机值。
各参数详细含义：
| 参数 | 值 | 说明 |
|---|---|---|
| GPIO_Mode | GPIO_Mode_AF | 复用功能模式，引脚用于UART、SPI、I2C等外设 |
| GPIO_PuPd | GPIO_PuPd_UP | 内部上拉电阻，引脚默认电平被拉高 |
| GPIO_OType | GPIO_OType_PP | 推挽输出，可输出高电平和低电平，驱动能力强 |
| GPIO_Speed | GPIO_Speed_50MHz | 高速模式，适合高频信号传输 |
无论是使用标准库还是HAL库，其本质上都是进行读写寄存器的操作：
标准库 (SPL)：寄存器视角的抽象
设计哲学：“让我来帮你操作寄存器，但你仍然需要知道你在操作哪个外设的哪个功能。”
示例：
USART_SendData(USART1, data);分析：这个函数很清晰，它帮你完成了向USART1的数据寄存器（DR）写入数据的操作。但你仍然需要知道是USART1，并且在此之后，你可能还需要手动检查状态寄存器（SR）的“发送完成”标志（TC）来判断数据是否发完。它抽象了“写寄存器”这个动作，但没有抽象“发送一帧数据”这个完整业务流程。
HAL库：业务逻辑视角的抽象
设计哲学：“告诉我你想做什么（What），别管我怎么做（How）。我会管理整个流程和状态。”
示例：
HAL_UART_Transmit(&huart1, &data, 1, 1000);分析：这个函数接受一个句柄（Handle），它封装了UART的所有状态和配置。你告诉它：“用huart1这个串口，发送1个字节的数据data，我给你1000ms的超时时间。” 在函数内部，它可能做了以下一系列寄存器操作：
检查状态寄存器（SR）判断串口是否就绪。
向数据寄存器（DR）写入数据。
等待状态寄存器（SR）的TC标志置位，或者等待超时。
如果超时，会设置错误代码。
关键：HAL为你管理了状态机、超时机制和错误处理。这是它比标准库抽象层次更高的根本体现。
2. 串行通信原理与应用
通过逻辑分析仪分析串口发送数据时的特征：
channel1（TX）为电脑向单片机的串口发送数据，channl0（RX）为单片机接收电脑端发送的数据。这里向单片机发送字符“A”，其ASCII码为65，转换为二进制为1000 0001。
上面传输时，没有设置校验位，如果设置校验位，会在停止位（Stop bit）之前增加一个bit的奇偶校验位（计算传输的二进制数据中1的个数）。
常用模式：
1152000bps:表示每秒传输1152000比特位，那么在没有奇偶校验位的情况下，每秒最多可以传输 1152000%（1+8+1）=115200个字节数据，注意这里需要加上起始位和停止位。
8N1：表示8位传输数据，没有校验位，1位停止位。
3. 如何编程
3.1 串口编程时遇到的问题
使用for（）循环由电脑向单片机串口发送字符“hello world”，
代码如下：
这里的str[]=“hello world”。
a. USART_ClearFlag(USART1, USART_FLAG_TC);
* 这是确保发送可靠的关键一步。
* USART_FLAG_TC 是 "Transmission Complete"（发送完成） 标志位。
* 这个标志位的含义是：发送移位寄存器中的数据已经全部移位发出了，并且数据寄存器（TDR）也是空的（即整个发送流程彻底完成）。
* 在发送新一个字节之前，先清除这个标志位，是为了避免之前可能遗留的已完成状态影响本次发送的等待判断。
b. USART_SendData(USART1, str[i]);
* 这是启动发送的命令。
* 函数将你要发送的字符（str[i]）写入到USART1的发送数据寄存器（TDR）。
* 一旦数据被写入TDR，USART外设就会自动开始发送过程（加入起始位、停止位等，并通过TX引脚一位一位地发送出去）。此时，TC标志位会被硬件自动清零。
c. while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);
* 这是一个阻塞等待循环，直到当前字节发送完成。
* USART_GetFlagStatus 函数用于检查 TC 标志位的状态。
* RESET 通常等于0，表示标志位未被设置。
* 只要 TC 标志位为 RESET（即发送未完成），CPU就会一直在这里空循环等待。
如果不加上while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);那么单片机的串口可能只会接收到最后一个字符“d”。
这是因为CPU执行速度（纳秒级）远远快于串口发送速度（毫秒级）。
例如，在115200波特率下，发送1个字节（8位数据+1起始位+1停止位=10位）需要的时间大约是：
10 bits / 115200 bits-per-second ≈ 87 μs
而CPU执行一条指令可能只需要几十纳秒（0.000087 ms）。没有等待的话，CPU可以在87μs内执行成百上千条指令。
同时，上面的代码看起来是没有什么问题，但是如果使用逻辑分析仪观察时，就会发现两个字符发送的时间是有时间间隔的：
原因：在for（）循环中每次都需要判断：i < strlen(str)，而strlen(str)是一个函数，每次调用这个函数都需要一定的时间，这就造成了发送的相邻的两份字符之间存在时间间隔。
解决方法：
3.2 串口编程的方法
4. 按键
4.1按键代码编写
5. 中断
EXTI为外部\事件中断控制器，可以连接GPIO引脚;
外部中断是指当某一模块发生作用时（比如说按键按下），其响应是发送至CPU进行处理的；事件中断是指当某一模块发生作用时，其响应是由其他模块进行处理的。
NVIC为嵌套向量中断控制器，用于设置中断的优先级，因为会存在很多中断，如外部\事件中断（EXTI）、串口中断（UART）和定时器中断。
对于不同的中断源需要进行不同的设置（初始化），例如对于外部\事件（EXTI），可能需要设置GPIO口的哪一个引脚连接到外部中断控制器的引脚上；对串口中断，可能需要设置是发送数据之前发生中断，还是接收到数据之后产生中断；对于定时器中断，可能需要设置每隔一定的时间的时间产生中断。
| 特性 | Modbus协议 | 串口通信 (UART) | I2C协议 | SPI协议 |
|---|---|---|---|---|
| 本质 | 应用层协议 | 物理层/数据链路层协议 | 硬件通信协议 | 硬件通信协议 |
| 通信架构 | 主从架构 (1主多从) | 对等架构 (点对点) | 主从架构 (1主多从) | 主从架构 (1主多从) |
| 信号线 | 依赖底层硬件 (如RS-485) | TX (发送), RX (接收), GND | SDA (数据), SCL (时钟) | SCLK (时钟), MOSI (主出从入), MISO (主入从出), SS/CS (片选) |
| 通信方式 | 半双工 (RS-485) | 全双工 | 半双工 | 全双工 |
| 同步方式 | 异步 | 异步 | 同步 (由主设备提供SCL时钟) | 同步 (由主设备提供SCLK时钟) |
| 拓扑结构 | 总线型 (可挂载多个设备) | 点对点 (通常1对1) | 总线型 (可挂载多个设备) | 点对点或星型 (每个从设备独立片选) |
| 寻址方式 | 软件地址 (从站地址) | 无地址 | 硬件地址 (7位/10位地址) | 硬件片选 (通过CS引脚选择从设备) |
| 速度 | 慢 (依赖底层硬件，常用9600-115200bps) | 慢 (常用9600-115200bps) | 中速 (标准模式100kbps，快速模式400kbps) | 高速 (通常10+Mbps，甚至更高) |
| 软件复杂度 | 高 (需实现协议栈) | 低 (配置好参数即可收发) | 中 (需实现字节级收发和协议) | 低 (主要是硬件移位寄存器操作) |
| 硬件复杂度 | 低 (依赖现有硬件接口) | 低 (MCU基本都自带) | 非常低 (2根线，无需片选) | 高 (线多，每个从设备需独立片选) |
| 主要应用场景 | 工业控制、物联网 (PLC、传感器、电表) | 调试日志、GPS模块、老旧设备 | 板内通信 (传感器、EEPROM、RTC) | 高速板内通信 (Flash、SD卡、显示屏、ADC) |
5.1如何使用此驱动
要将I/O引脚用作外部中断源，请按以下步骤操作：
(#) 使用GPIO_Init()将I/O配置为输入模式
(#) 使用SYSCFG_EXTILineConfig()选择EXTI线路的输入源引脚
(#) 使用EXTI_Init()选择模式（中断/事件）并配置触发方式（上升沿/下降沿/双边沿）
(#) 使用NVIC_Init()配置映射到EXTI线路的NVIC中断请求通道
[..]
(@) 必须启用SYSCFG APB时钟才能通过RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SYSCFG, ENABLE)获得对SYSCFG_EXTICRx寄存器的写访问权限
下面分步写代码：
1.初始化外设时钟：
2. 中断优先级组配置：
3.配置GPIO--初始化设置：
4.使用SYSCFG_EXTILineConfig()选择EXTI线路的输入源引脚：将GPIOC口的引脚4和5设置为中断模式
5.使用EXTI_Init()选择模式为中断，并配置触发方式上升沿：
6.使用NVIC_Init()配置映射到EXTI线路的NVIC中断请求通道：
5.2 中断服务函数
中断服务函数，也叫中断处理器，是一段特殊的、预先写好的函数。当微控制器的中断发生时，CPU会自动暂停当前正在执行的主程序，跳转到这个函数来运行。运行完毕后，CPU再返回主程序继续执行。
中断服务函数的特点
特殊的函数名：编译器通过固定的函数名来识别ISR。
例如：
SysTick定时器中断服务函数：
按键中断服务函数：
6. 回调函数
函数本身是一个地址，我们可以把函数的地址赋值给另外一个变量，那么这个变量存放的就是函数的地址，所以这个变量就是指针变量，也就是函数指针。通过调用函数指针，实现对函数的间接访问。
定义了一个函数指针类型keyfunc，然后声明了三个该类型的静态全局函数指针变量（keyl_func_t、key2_func_t和key3_func_t）。
执行完上面的代码后：
key1_func = led1_toggle;
7. 定时器
定时器分为高级定时器、通用定时器和基本定时器。
定时器最基本的功能就是计数器，基本定时器结构如下：
系统时钟RCC通过预分频器PSC可以将系统时钟频率进行分频，计数器CNT进行累加。
通用定时器的结构如下：
通用定时器除了可以接受来自系统的时钟，还可以接收来自外部时钟TIMx_CH1，当接收来自外部时钟TIMx_CH1时，可以捕获引脚的波形。
捕获（Capture）功能是单片机定时器的一个硬件特性，它能够在外部引脚发生特定电平跳变时，自动记录下定时器的当前值。
核心目的：精确测量外部信号的时间参数（脉宽、周期、频率）。
核心优势：硬件自动完成，速度快，精度高，不占用CPU资源，只有在需要读数时才通过中断通知CPU。
核心流程：设置触发条件（边沿）→ 硬件自动抓拍时间戳并存入CCRx → 产生中断 → CPU读取并处理。
7.1 如何编程
8. I2C协议
上面是I2C协议的硬件实现，对应的是GPIO口的开漏输出，即P-MOS断开只有N-MOS可以使用，设备1和设备2均可以使SCL为高电平或低电平。
8.1程序编写
8.2 I2C时序
I2C有两根线，一根数据线SDA和一根时钟线SCL。
起始条件 (Start Condition) 和停止条件 (Stop Condition)
起始条件 (S)：当 SCL为高电平 时，SDA发生一个从高到低 的电平跳变。这个状态是唯一的，表示一次传输的开始。
停止条件 (P)：当 SCL为高电平 时，SDA发生一个从低到高 的电平跳变。这个状态表示一次传输的结束。
一个典型的I²C数据传输帧由以下部分组成：
起始条件 (S)
从机地址 (Slave Address)：7位或10位地址，用于选择总线上的哪个从机。
读写位 (R/W#)：1位，表示主机是想写数据到从机（0）还是从从机读数据（1）。
应答位 (ACK)：从机回应地址匹配信号。
数据字节 (Data Byte)：8位的数据，可以是命令、寄存器地址或实际数据。
应答位 (ACK)：在每一个数据字节后都有，当有从机与从机地址匹配的上时，SDA会变成低电平，否则为高电平。
...（重复步骤5和6以传输更多数据）
停止条件 (P) 或 重复起始条件 (Sr)。重复起始条件在不释放总线的情况下开始一个新的通信序列。
传输数据时，数据线SDA和时钟线SCL的高低电平变化：
SCL为高电平期间，SDA线上的数据必须保持稳定（不变）。此时的数据位有效，接收方（主机或从机）会在这个时刻采样（读取）SDA的值。
SCL为低电平期间，SDA线上的电平才允许发生变化，为传输下一位数据做准备。
9 SPI协议
SPI vs. I2C 核心特性对比表
| 特性 | SPI (Serial Peripheral Interface) | I2C (Inter-Integrated Circuit) |
|---|---|---|
| 全称 | 串行外设接口 | 内部集成电路 |
| 线路数量 | 4线制（SCLK, MOSI, MISO, SS） （每增加一个从机，需增加一条SS线） | 2线制（SDA, SCL） （支持大量从机而无需增加线路） |
| 通信方式 | 全双工 (Full-Duplex) （数据可同时收发） | 半双工 (Half-Duplex) （数据分时收发，同一时刻只能向一个方向传输） |
| 拓扑结构 | 主从式，点对点或菊花链 | 主从式，多主多从（所有设备都挂载到总线上） |
| 从机选择方式 | 硬件片选 (SS/CS) 主机通过专用引脚拉低来选中从机 | 软件地址寻址 主机在数据传输开始时发送一个从机地址来选中它 |
| 数据传输速率 | 非常高（通常可达几十甚至上百MHz） | 中低速（标准模式100kHz，快速模式400kHz，高速模式3.4MHz） |
| 协议复杂度 | 非常简单 只有移位时钟，无格式要求。数据就是数据。 | 相对复杂 有起始位、停止位、应答位(ACK/NACK) 等固定格式。 |
| 有无时钟 | 同步（有独立的时钟线SCLK） | 同步（有独立的时钟线SCL） |
| 流控与应答 | 无硬件应答机制 主机无法知道从机是否成功接收数据。 | 有硬件应答机制 每个字节后，接收方必须发送一个ACK位，确保数据被确认接收。 |
| 方向控制 | 通过独立的信号线（MOSI和MISO）实现 | 通过协议和地址中的读写位控制方向 |
| 功耗 | 相对较高（线路多，速度通常更快） | 相对较低（线路少，上拉电阻阻值可以很大） |
| 专利与版权 | 无版权，事实标准 | 由NXP（原飞利浦）管理，但无需授权费 |
| 典型应用场景 | 需要高速数据传输的场合： • 存储器（Flash, EEPROM） • SD卡 • 传感器（高精度ADC） • 显示屏（OLED, TFT） | 需要连接大量设备且速度要求不高的场合： • 传感器（温度、湿度） • 实时时钟(RTC) • I/O端口扩展器 • EEPROM |
如何选择？
选择 SPI 当：
你需要非常高的速度。
你连接的从设备不多，且主机的IO口引脚足够。
你的从设备只支持SPI（如很多ADC和显示屏）。
你不需要硬件确认数据是否接收。
选择 I2C 当：
你的速度要求不高。
你需要连接很多设备（超过3-4个），但想节省主机的IO引脚。
你的电路板空间紧张，希望布线简单（只有2根线）。
数据可靠性很重要，你需要硬件应答机制。
简单总结：SPI追求速度和简单，I2C追求引脚效率和可靠性。