STM32Cube高效开发教程（高级篇）

本书介绍 STM32 开发的一些高级内容。第一部分详细介绍嵌入式操作系统 FreeRTOS 的使用；第二部分介绍使用 FatFS 管理 SPI-Flash 芯片、SD 卡和 U 盘上的文件系统；第三部分介绍 BMP 和 JPG 图片的获取与显示，触摸屏的使用，DCMI 接口和数字摄像头等。全书使用 STM32CubeMX 和 STM32CubeIDE软件开发例程，讲解 FreeRTOS、FatFS、LibJPEG、USB_Host、USB_Device 等中间件以及 SDIO、USB-OTG、
DCMI 等外设的原理和使用方法，并针对一个 STM32F407 开发板编写了完整示例项目。通过阅读本书，读者可以掌握 STM32 开发中的嵌入式操作系统、文件系统、触摸屏等高级软硬件的开发方法。
本书适合已经掌握 STM32CubeMX 和 STM32CubeIDE 软件的使用以及 STM32 常用外设的 STM32Cube开发等相关基础内容的读者阅读，可以作为高等院校电子、自动化、计算机类专业的教学用书，也可作为STM32 嵌入式系统开发的参考书。

王维波，博士、中国石油大学（华东）控制科学与工程学院教师。从事测控与仪器开发领域的教学和研究工作，主要研究方向是地球物理探测仪器开发、数据处理方法和软件开发。参与完成国家自然科学基金、山东省重点研发计划等多个科研项目，发表论文 20 余篇。著有《Qt 5.9 C++ 开发指南》和《Python Qt GUI 与数据可视化编程》。

鄢志丹，博士、中国石油大学（华东）控制科学与工程学院教师。从事随钻测控技术、自抗扰控制方法、井下仪器开发、微弱信号处理等方面的研究工作。主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金、山东省自然科学基金等 10 余个科研项目，获授权发明专利 10 余项，发表论文 30 余篇。

王钊，博士、中国石油大学（华东）控制科学与工程学院教师。从事自动化相关的教学和研究工作，主要研究方向是非线性系统的非光滑控制研究、故障诊断、工业过程控制等。主持山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目 1 项，发表论文 20 余篇，作为副主编编写教材1 部。

1. 使用ST官方的STM32Cube全套工具链软件。STM32CubeMX进行MCU图形化配置然后导出初始化代码的开发方式简单便捷，程序结构统一，开发效率高，是广大初学者***掌握的方式。
2. 使用ST官方免费的IDE软件TrueSTUDIO和STM32CubeIDE，没有软件版权风险。
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第 一部分　嵌入式操作系统FreeRTOS
第 1章　FreeRTOS基础 2
1．1　FreeRTOS概述 2
1．1．1　FreeRTOS的发展历史 2
1．1．2　FreeRTOS的特点和许可方式 2
1．1．3　FreeRTOS的一些概念和术语 3
1．1．4　为什么要使用RTOS 4
1．2　FreeRTOS入门示例 4
1．2．1　CubeMX项目配置 5
1．2．2　含FreeRTOS的项目的文件组成 8
1．2．3　程序分析和功能实现 9
1．3　FreeRTOS的文件组成和基本原理 15
1．3．1　FreeRTOS的文件组成 15
1．3．2　FreeRTOS的编码规则 20
1．3．3　FreeRTOS的配置和功能裁剪 21
第 2章　FreeRTOS的任务管理 29
2．1　任务相关的一些概念 29
2．1．1　多任务运行基本机制 29
2．1．2　任务的状态 30
2．1．3　任务的优先级 31
2．1．4　空闲任务 32
2．1．5　基础时钟与嘀嗒信号 32
2．2　FreeRTOS的任务调度 32
2．2．1　任务调度方法概述 32
2．2．2　使用时间片的抢占式调度方法 33
2．2．3　不使用时间片的抢占式调度方法 34
2．2．4　合作式任务调度方法 35
2．3　任务管理相关函数 36
2．3．1　相关函数概述 36
2．3．2　主要函数功能说明 38
2．4　多任务编程示例一 40
2．4．1　示例功能与CubeMX项目设置 40
2．4．2　初始程序分析 42
2．4．3　编写用户功能代码 44
2．5　任务管理工具函数 49
2．5．1　相关函数概述 49
2．5．2　获取任务句柄 50
2．5．3　单个任务的操作 51
2．5．4　内核信息统计 53
2．6　多任务编程示例二 55
2．6．1　示例功能与CubeMX项目设置 55
2．6．2　程序功能实现 56
第3章　FreeRTOS的中断管理 62
3．1　FreeRTOS与中断 62
3．2　任务与中断服务例程 64
3．2．1　任务与中断服务例程的关系 64
3．2．2　中断屏蔽和临界代码段 65
3．2．3　在ISR中使用FreeRTOS API函数 66
3．2．4　中断及其ISR设计原则 67
3．3　任务和中断程序设计示例 67
3．3．1　示例功能和CubeMX项目设置 67
3．3．2　基本功能代码 69
3．3．3　各种特性的测试 71
第4章　进程间通信与消息队列 74
4．1　进程间通信 74
4．2　队列的特点和基本操作 75
4．2．1　队列的创建和存储 75
4．2．2　向队列写入数据 76
4．2．3　从队列读取数据 77
4．2．4　队列操作相关函数 78
4．3　队列使用示例 79
4．3．1　示例功能和CubeMX项目设置 79
4．3．2　初始代码分析 80
4．3．3　实现用户功能 82
第5章　信号量 86
5．1　信号量和互斥量概述 86
5．1．1　二值信号量 86
5．1．2　计数信号量 87
5．1．3　互斥量 87
5．1．4　递归互斥量 88
5．1．5　相关函数概述 88
5．2　二值信号量使用示例 90
5．2．1　二值信号量操作相关函数详解 90
5．2．2　示例功能和CubeMX项目设置 92
5．2．3　程序功能实现 94
5．3　计数信号量使用示例 98
5．3．1　计数信号量操作相关函数详解 98
5．3．2　示例功能和CubeMX项目设置 99
5．3．3　程序功能实现 100
第6章　互斥量 104
6．1　优先级翻转问题 104
6．2　互斥量的工作原理 105
6．2．1　优先级继承 105
6．2．2　互斥量相关函数详解 105
6．3　优先级翻转示例 106
6．3．1　示例功能和CubeMX项目设置 106
6．3．2　程序功能实现 107
6．4　互斥量使用示例 111
6．4．1　示例功能和CubeMX项目设置 111
6．4．2　程序功能实现 111
第7章　事件组 115
7．1　事件组的原理和功能 115
7．1．1　事件组的功能特点 115
7．1．2　事件组的工作原理 115
7．2　事件组相关函数 116
7．2．1　相关函数概述 116
7．2．2　部分函数详解 117
7．3　事件组使用示例 120
7．3．1　示例功能和CubeMX项目设置 120
7．3．2　程序功能实现 120
7．4　通过事件组进行多任务同步 125
7．4．1　多任务同步原理 125
7．4．2　示例功能和CubeMX项目设置 126
7．4．3　程序功能实现 127
第8章　任务通知 132
8．1　任务通知的原理和功能 132
8．2　任务通知的相关函数 133
8．2．1　相关函数概述 133
8．2．2　函数详解 134
8．3　示例一：使用任务通知传递数据 137
8．3．1　示例功能与CubeMX项目设置 137
8．3．2　程序功能实现 138
8．4　示例二：将任务通知用作计数信号量 141
8．4．1　示例功能 141
8．4．2　CubeMX项目设置 141
8．4．3　程序功能实现 142
第9章　流缓冲区和消息缓冲区 145
9．1　流缓冲区功能概述 145
9．2　流缓冲区操作的相关函数 146
9．2．1　相关函数概述 146
9．2．2　部分函数详解 146
9．2．3　表示发送完成和接收完成的宏 149
9．3　流缓冲区使用示例 149
9．3．1　示例功能与CubeMX项目设置 149
9．3．2　程序功能实现 151
9．4　消息缓冲区功能概述 154
9．5　消息缓冲区操作相关函数 154
9．5．1　相关函数概述 154
9．5．2　部分函数详解 155
9．6　消息缓冲区使用示例 157
9．6．1　示例功能与CubeMX项目设置 157
9．6．2　程序功能实现 158
第 10章　软件定时器 162
10．1　软件定时器概述 162
10．1．1　软件定时器的特性 162
10．1．2　软件定时器的相关配置 163
10．1．3　定时器服务任务的优先级 163
10．2　软件定时器的相关函数 164
10．2．1　相关函数概述 164
10．2．2　部分函数详解 165
10．3　软件定时器使用示例 169
10．3．1　示例功能和CubeMX项目设置 169
10．3．2　程序功能实现 170
第 11章　空闲任务与低功耗 174
11．1　HAL和FreeRTOS的基础时钟 174
11．1．1　使用SysTick作为HAL的基础时钟 174
11．1．2　使用其他定时器作为HAL的基础时钟 177
11．1．3　FreeRTOS的基础时钟 179
11．2　空闲任务与低功耗处理 182
11．2．1　实现原理 182
11．2．2　设计示例 183
11．3　Tickless低功耗模式 186
11．3．1　Tickless模式的原理和功能 186
11．3．2　Tickless模式的使用示例 187
第二部分　FatFS管理文件系统
第 12章　FatFS和文件系统 192
12．1　FatFS概述 192
12．1．1　FatFS的作用 192
12．1．2　文件系统的一些基本概念 193
12．1．3　FatFS的功能特点和参数 194
12．1．4　FatFS的文件组成 195
12．1．5　FatFS的基本数据类型定义 196
12．2　FatFS的应用程序接口函数 197
12．2．1　卷管理和系统配置相关函数 197
12．2．2　文件和目录管理相关函数 200
12．2．3　目录访问相关函数 203
12．2．4　文件访问相关函数 204
12．3　FatFS的存储介质访问函数 208
12．4　针对SPI-Flash芯片移植FatFS 209
12．4．1　SPI-Flash芯片硬件电路 209
12．4．2　CubeMX项目基础设置 210
12．4．3　在CubeMX中设置FatFS 210
12．4．4　项目中FatFS的文件组成 216
12．4．5　FatFS初始化过程 218
12．4．6　针对SPI-Flash芯片的Disk IO函数实现 226
12．5　在SPI-Flash芯片上使用文件系统 231
12．5．1　主程序功能 231
12．5．2　磁盘格式化 234
12．5．3　获取FAT磁盘信息 234
12．5．4　扫描根目录下的文件和子目录 236
12．5．5　创建文件和目录 237
12．5．6　读取文本文件 239
12．5．7　读取二进制文件 239
12．5．8　获取文件信息 241
12．5．9　文件file_opera．h的完整定义 242
第 13章　直接访问SD卡 245
13．1　SD卡简介 245
13．1．1　SD卡的分类 245
13．1．2　常规SD卡的接口 246
13．2　SDIO接口硬件电路 247
13．2．1　STM32F407的SDIO接口 247
13．2．2　开发板上的microSD卡连接电路 248
13．3　SDIO接口和SD卡的HAL驱动程序 249
13．3．1　SD驱动程序概述 250
13．3．2　初始化和配置函数 251
13．3．3　读取SD卡的参数信息 251
13．3．4　获取SD卡的当前状态 255
13．3．5　以轮询方式读写SD卡 255
13．3．6　以中断方式读写SD卡 256
13．3．7　以DMA方式读写SD卡 256
13．4　示例一：以轮询方式读写SD卡 257
13．4．1　示例功能与CubeMX项目设置 257
13．4．2　主程序与SDIO接口/SD卡初始化 259
13．4．3　程序功能实现 260
13．5　示例二：以DMA方式读写SD卡 264
13．5．1　示例功能与CubeMX项目设置 264
13．5．2　主程序与外设初始化 265
13．5．3　程序功能实现 268
第 14章　用FatFS管理SD卡文件系统 272
14．1　SD卡文件系统概述 272
14．2　示例一：阻塞式访问SD卡 272
14．2．1　示例功能与CubeMX项目设置 272
14．2．2　项目文件组成和初始代码分析 274
14．2．3　SD卡的Disk IO函数实现 278
14．2．4　SD卡文件管理功能的实现 284
14．3　示例二：以DMA方式访问SD卡 288
14．3．1　示例功能和CubeMX项目设置 288
14．3．2　Disk IO函数实现代码分析 289
14．3．3　SD卡文件管理功能的实现 291
第 15章　用FatFS管理U盘文件系统 295
15．1　USB概述 295
15．1．1　USB协议 295
15．1．2　USB设备类型 296
15．1．3　USB接口类型 296
15．2　STM32F407的USB-OTG接口 298
15．2．1　USB-OTG概述 298
15．2．2　USB-OTG FS 299
15．2．3　开发板上的USB接口电路 302
15．3　作为USB Host读写U盘 303
15．3．1　示例功能和CubeMX项目设置 303
15．3．2　项目文件组成和初始代码分析 307
15．3．3　USBH状态变化测试 316
15．3．4　U盘文件管理功能实现 318
第 16章　USB-OTG用作USB MSC外设 324
16．1　开发板作为USB MSC外设的原理 324
16．2　示例一：SD卡读卡器 326
16．2．1　示例功能和CubeMX项目设置 326
16．2．2　项目文件组成和初始代码分析 328
16．2．3　程序功能实现 333
16．3　示例二：增加FatFS管理本机文件功能 336
16．3．1　示例功能和CubeMX项目设置 336
16．3．2　程序功能实现 337
16．3．3　运行测试 340
第 17章　在FreeRTOS中使用FatFS 341
17．1　在RTOS中使用FatFS需考虑的问题 341
17．1．1　可重入性问题 341
17．1．2　FatFS的可重入性 341
17．2　FreeRTOS中使用FatFS的示例 343
17．2．1　示例功能和CubeMX项目设置 343
17．2．2　项目文件组成和初始代码分析 346
17．2．3　FatFS API函数的重入性实现原理 350
17．2．4　添加用户功能代码 354
第三部分　图片的获取与显示
第 18章　BMP图片 360
18．1　LCD显示图片的原理 360
18．1．1　像素颜色的表示 360
18．1．2　根据图片的RGB565数据显示图片 360
18．2　图片显示示例 362
18．2．1　示例功能与CubeMX项目配置 362
18．2．2　程序功能实现 363
18．3　BMP图片文件的格式 368
18．3．1　BMP图片文件的数据分段 368
18．3．2　位图文件头 368
18．3．3　位图信息头 369
18．3．4　位图数据 370
18．4　BMP图片文件的读写操作示例 370
18．4．1　示例功能和CubeMX项目设置 370
18．4．2　程序功能实现 372
18．4．3　BMP文件操作驱动程序 377
第 19章　JPG图片 387
19．1　JPEG和LIBJPEG 387
19．2　JPG图片文件的读写操作示例 388
19．2．1　示例功能和CubeMX项目设置 388
19．2．2　程序功能实现 389
19．2．3　JPG文件操作驱动程序 395
第 20章　电阻式触摸屏 405
20．1　电阻式触摸屏的工作原理 405
20．2　电阻式触摸屏的软硬件接口 406
20．3　示例一：轮询方式检测触摸屏输出 407
20．3．1　示例功能 407
20．3．2　CubeMX项目设置 407
20．3．3　主程序功能实现 409
20．3．4　GUI界面的创建与交互操作 413
20．3．5　电阻式触摸屏驱动程序 420
20．4　示例二：中断方式获取触摸屏输出 426
20．4．1　示例功能和CubeMX项目设置 426
20．4．2　程序功能实现 427
第 21章　电容式触摸屏 431
21．1　电容式触摸屏的工作原理 431
21．2　电容式触摸屏的软硬件接口 431
21．2．1　电容式触摸屏接口 431
21．2．2　电容式触摸屏控制芯片功能 433
21．3　电容触摸屏的使用示例 437
21．3．1　示例功能和CubeMX项目设置 437
21．3．2　程序功能实现 438
21．3．3　电容触摸屏驱动程序 443
第 22章　DCMI接口和数字摄像头 455
22．1　数字摄像头 455
22．1．1　数字摄像头概述 455
22．1．2　OV7670图像传感器的功能和接口 456
22．1．3　OV7670数据输出时序和格式 457
22．1．4　SCCB通信 458
22．1．5　OV7670的寄存器 460
22．2　DCMI接口 461
22．2．1　DCMI接口概述 461
22．2．2　DCMI接口传输时序 462
22．2．3　DCMI数据存储格式 463
22．2．4　DCMI图像采集方式 464
22．2．5　DCMI的中断 465
22．3　DCMI的HAL驱动 465
22．3．1　主要驱动函数概述 465
22．3．2　DCMI接口初始化 466
22．3．3　DCMI的采集控制 467
22．4　DCMI和摄像头使用示例 467
22．4．1　摄像头模块 467
22．4．2　开发板与摄像头模块的连接 468
22．4．3　示例功能与CubeMX项目设置 470
22．4．4　程序功能实现 474
附录A　CubeMX模板项目和公共驱动程序的使用 487
A．1　公共驱动程序的目录组成 487
A．2　CubeMX模板项目 488
A．3　新建CubeMX项目后导入模板项目的配置 488
A．4　复制模板项目以新建CubeMX项目 490
A．5　在CubeIDE中设置驱动程序搜索路径 490
附录B　复制一个项目 493
附录C　开发板功能模块 494
附录D　本书示例列表 498
附录E　缩略词 501
参考文献 503