單片機(jī)最小系統(tǒng)是指用最少的電路組成單片機(jī)可以工作的系統(tǒng),，通常最小系統(tǒng)包含：電源電路,、時鐘電路,、復(fù)位電路,、調(diào)試/下載電路，對于STM32還需要啟動選擇電路,。

電源電路

不同的MCU的工作電壓可能是不一樣的，比如51單片機(jī)通常為5V,，而STM32單片機(jī)通常為3.3V。因此,，通常需要查閱該MCU的數(shù)據(jù)手冊才能確定工作電壓和規(guī)范。

打開“2_官方資料”的《1_STM32F103xE數(shù)據(jù)手冊【重要】.pdf》（后簡稱,，《數(shù)據(jù)手冊》）,，找到“5.1.6Power supply scheme”電源方案小結(jié)，可以看到如圖 5.2.1 框圖,。

結(jié)合《數(shù)據(jù)手冊》“5.3.1 General operating conditions”的表 5.2.1 ,，可得知上圖中的各電壓值大小。

1. VDD-VSS：標(biāo)準(zhǔn)工作電壓,；電壓范圍：2V~3.6V；從VDD1 ~ VDD11,，VSS1 ~VSS11共有11組,；需要11個100nF 和1個4.7uF去耦電容,；經(jīng)過MCU內(nèi)部Regulator電源管理,，為CPU,、存儲器等供電,；
2. VDDA-VSSA：模擬工作電壓；電壓范圍：2V~3.6V(未使用ADC) 2.4V~3.6V(使用ADC),；需要1個10nF和1個1uF去耦電容；由VDDA輸入,，為ADC、DAC等供電,；
3. VREF±VREF-：基準(zhǔn)參考電壓,；電壓范圍：2.4V~ VDDA；可以使用獨立參考電壓VREF(需10nF+1uF高頻濾波電容),，也可使用VDDA輸入,，為ADC,、DAC等作基準(zhǔn)參考電壓,；
4. VBAT：RTC備用電源,；電壓范圍：1.8V~ 3.6V,；通常使用紐扣電池外部供電，當(dāng)主電源VDD掉電后,，VBAT為實時時鐘（Real-Time Clock,，RTC）和備份寄存器供電（此時功耗超低）；

從數(shù)據(jù)手冊了解到以上知識后,，再來看看原理圖第三頁的MCU電源部分,。左邊的U1B（U1A和U1B共同組成U1，即MCU）是MCU所有電源相關(guān)引腳,，可以看到VDDA ,、VDD1 ~ VDD11、 VREF+都直接接在了VDD_3V3上（3.3V）,，VSSA ,、VSS1 ~ VSS11、 VREF-都接在了GND上,，VBAT接在了VDD_BAT上,。右邊是一系列退耦電容，這些電容在Layout（PCB布局走線）時,，需要均勻分布在每組電源引腳附近,。此時，MCU電源部分符合數(shù)據(jù)手冊的要求,。

前面VDD_3V3需要外部提供給MCU，也就是通過電源適配器提供,，而一般的電源適配器通常為5V或 12V,，因此還需要電源轉(zhuǎn)換電路，將外部輸入的12V或5V轉(zhuǎn)換為3.3V,。下圖 5.2.3,、圖 5.2.4、圖 5.2.5分別為12V電源輸入電路,、12V轉(zhuǎn)5V電路,、5V轉(zhuǎn)3.3V電路，在5V轉(zhuǎn)3.3V電路中有一個紅色LED燈,，用于提示用戶整個系統(tǒng)電源正常工作,，該部分電路讀者僅作了解即可。

最后再看看RTC電源電路,，在外部12V輸入時,，VDD_3V3為3.3V,，而J5的紐扣電池約為3V，D5為肖特基二極管,，此時VDD_3V3大于紐扣電池電壓,，因此由VDD_3V3供電。當(dāng)外部12V無輸入時,，VDD_3V3為0V,， 而J5的紐扣電池約為3V，此時VDD_3V3小于紐扣電池電壓,，由紐扣電池供電,，保證RTC繼續(xù)運行，電路如圖 5.2.6 所示,。

時鐘電路

MCU是一個集成芯片,，由非常復(fù)雜的數(shù)字電路和其它電路組成，需要穩(wěn)定的時鐘脈沖信號才能保證正常工作,。時鐘如同人體內(nèi)部的心臟一樣,，心臟跳動一下，推動血液流動一下,。時鐘產(chǎn)生一次,，就推動處理器執(zhí)行一下指令。除了CPU,，芯片上所有的外設(shè)(GPIO,、I2C、SPI等)都需要時鐘,，由此可見時鐘的重要性,。

芯片運行的時鐘頻率越高，芯片處理的速度越快,，但同時功耗也越高,。為了功耗和性能兼顧，微處理器一般有多個時鐘源,，同時還將時鐘分頻為多個大小,，適配不同需求的外設(shè)。

由《數(shù)據(jù)手冊》可得到如圖 5.2.7 所示的時鐘樹,，這里只關(guān)心時鐘源,，時鐘的分配使用放在后面講解。

可以看到一共有四個時鐘源：

①HSI(High Speed Internal clock signal)：

HSI是內(nèi)部的高速時鐘信號,，頻率8MHz,。因為是內(nèi)部提供，可以降低成本,，缺點是精度較差,。

②HSE(High Speed External clock signal):

HSE是外部的高速時鐘信號,，需要外部電路晶振，輸入頻率范圍要求為4-16MHz,。因為需要外部電路提供,，成本會增加，但精度較好,。

③LSE(Low Speed External clock signal):

LSE是外部的低速時鐘信號,，需要外部電路晶振，輸入頻率范圍要求為32.768KHz,。一般用于RTC實時時鐘,。

④LSI(Low Speed Internal clock signal)：

LSI是內(nèi)部的低速RC振蕩器，頻率40KHz,。一般用于看門狗,、RTC實時時鐘等。

對于STM32F103系列的MCU,，都需要一個高速時鐘和一個低速時鐘,，而這兩個時鐘可以選擇使用內(nèi)部時鐘源節(jié)約成本，也可以選擇外部時鐘源輸入提高精度,。如果使用內(nèi)部時鐘源,，則無需設(shè)計外部電路，反之,，則需要時鐘電路,。

繼續(xù)查看《數(shù)據(jù)手冊》，可以看到如圖 5.2.8 和圖 5.2.9 所示的外部時鐘輸入?yún)⒖茧娐?。手冊上提到對于HSE,，當(dāng)晶振為8MHz時，CL1和CL2的容值范圍為5pF~25pF。REXT用于產(chǎn)生負(fù)反饋，保證放大器工作在高增益的線性區(qū),，同時也起到限流作用，通常在兆歐級,，具體由晶振決定,。

對于LSE,，當(dāng)晶振為32.768KHz時，CL1和CL2的容值范圍為5pF~15pF,。之所以選擇32.768KHz,，是因為32768=215，分頻設(shè)置寄存器通常為2n的形式,，這樣經(jīng)過15次分頻就很容易得到1Hz的頻率,。

從數(shù)據(jù)手冊了解到以上知識后,，再來看看原理圖第三頁的時鐘電路部分，如圖 5.2.10 所示,。高速時鐘和低速時鐘都可由外部提供,，且電路設(shè)計與數(shù)據(jù)手冊一致。

晶振旁的負(fù)載電容,，應(yīng)選擇高質(zhì)量陶瓷電容（NPO),，以滿足高頻率場合。在Layout（PCB布局走線）時,，晶振和負(fù)載電容,，應(yīng)盡可能的靠近MCU，以減少輸出失真和啟動時的穩(wěn)定時間,，保證振蕩器可靠工作,。

復(fù)位電路

嵌入式系統(tǒng)中，由于外界環(huán)境干擾,，難免出現(xiàn)程序跑飛或死機(jī),，這時就需要復(fù)位讓MCU重新運行。查看《參考手冊》,，可見如圖 5.2.11 所示復(fù)位電路,。該電路將一個按鍵接在了NRST引腳，一旦按鍵按下,，NRST就會接地,，拉低NRST，實現(xiàn)復(fù)位,。

再來看看原理圖上的復(fù)位電路,，如圖 5.2.12 所示。當(dāng)開發(fā)板正常工作時,，VDD_3V3上拉NRST,， POWER_EN為前面12V轉(zhuǎn)5V電源芯片的使能引腳，此時被電源芯片鉗位在6.5V,。當(dāng)SW1被按下,，D1為肖特基二極管，NRST和POWER_EN都會導(dǎo)通接地,，拉低NRST和POWER_EN,，使MCU復(fù)位，同時斷開系統(tǒng)供電,。

調(diào)試/下載電路

不同的MCU,，調(diào)試/下載的方式可能不一樣。比如51系列單片機(jī),，使用串口下載程序,，同時也使用仿真調(diào)試,。對于STM32，可以使用串口下載程序,，也能使用串口打印進(jìn)行簡單調(diào)試,，但STM32支持更高效的JTAG（Joint Test Action Group）調(diào)試接口和SWD（Serial Wire Debug）調(diào)試接口。

該電路比較簡單,，所涉及的引腳參考表 3.4.1,，原理圖如圖 5.2.13 所示。

啟動選擇電路

不同的MCU,，啟動的方式的種類可能不一樣,。比如51系列單片機(jī)，只能從內(nèi)置存儲器讀取數(shù)據(jù)啟動,，因此沒有啟動選擇的必要,。對于STM32，可以從內(nèi)置存儲器啟動（默認(rèn)）,，可以從系統(tǒng)存儲器（用于從USART1下載程序）,，可以從內(nèi)部SRAM啟動（調(diào)電消失，可用于調(diào)試）,，出現(xiàn)多個啟動方式,，就需要啟動選擇。

STM32通過BOOT1和BOOT2引腳的電平組合進(jìn)行啟動選擇,，組合方式和電路設(shè)計如圖 5.2.14 所示,。

當(dāng)J1撥碼開關(guān)的1、4腳斷開（對應(yīng)開發(fā)板紅色撥碼開關(guān)的1號撥碼朝下）,，2,、3腳任意（對應(yīng)開發(fā)板紅色撥碼開關(guān)的2號撥碼任意）。此時BOO1為0,，BOOT1任意,，開發(fā)板上電，MCU將從內(nèi)部主存儲器讀取數(shù)據(jù)啟動,，是最常用的啟動方式,。

當(dāng)J1撥碼開關(guān)的1、4腳連接（對應(yīng)開發(fā)板紅色撥碼開關(guān)的1號撥碼朝上）,，2,、3腳斷開（對應(yīng)開發(fā)板紅色撥碼開關(guān)的2號撥碼朝下）。此時BOO1為1,，BOOT1為0,，開發(fā)板上電,，MCU將從系統(tǒng)存儲器讀取數(shù)據(jù)啟動,，在系統(tǒng)存儲器里面廠家燒寫的串口下載程序,，此時可以通過USART1燒寫新程序到主存儲器。

當(dāng)J1撥碼開關(guān)的1,、4腳連接（對應(yīng)開發(fā)板紅色撥碼開關(guān)的1號撥碼朝上）,，2、3腳連接（對應(yīng)開發(fā)板紅色撥碼開關(guān)的2號撥碼朝上）,。此時BOO1為1,，BOOT1為1，開發(fā)板上電,，MCU將直接從內(nèi)部SRAM啟動,，SRAM的燒寫次數(shù)壽命比Flash更多，可用于調(diào)試,。

各啟動模式的啟動示意圖如圖 5.2.15 所示,。通常，我們只使用主存儲器啟動即可,。從系統(tǒng)存儲器啟動,，實現(xiàn)從串口下載程序也逐漸被淘汰，STM32的高端MCU已經(jīng)不支持該方式下載,。從SRAM啟動也沒什么必要,，目前Flash的燒寫壽命次數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過用戶實際燒寫次數(shù)。

【總結(jié)】

本小結(jié)帶領(lǐng)讀者學(xué)習(xí)了如何讀原理圖,，也對STM32的最小系統(tǒng)有了一些了解,。后面的電路眾多，在分析某個電路時,，結(jié)合相關(guān)手冊的參考電路和說明,， 加上不斷積累，相信讀者也能靈活分析原理圖,。