单片机最小系统是指用最少的电路组成单片机可以工作的系统，通常最小系统包含：电源电路、时钟电路、复位电路、调试/下载电路，对于STM32还需要启动选择电路。

电源电路

不同的MCU的工作电压可能是不一样的，比如51单片机通常为5V，而STM32单片机通常为3.3V。因此，通常需要查阅该MCU的数据手册才能确定工作电压和规范。

打开“2_官方资料”的《1_STM32F103xE数据手册【重要】.pdf》（后简称，《数据手册》），找到“5.1.6Power supply scheme”电源方案小结，可以看到如图 5.2.1 框图。

结合《数据手册》“5.3.1 General operating conditions”的表 5.2.1 ，可得知上图中的各电压值大小。

VDD-VSS：标准工作电压；电压范围：2V~3.6V；从VDD1 ~ VDD11，VSS1 ~VSS11共有11组；需要11个100nF 和1个4.7uF去耦电容；经过MCU内部Regulator电源管理，为CPU、存储器等供电；
VDDA-VSSA：模拟工作电压；电压范围：2V~3.6V(未使用ADC) 2.4V~3.6V(使用ADC)；需要1个10nF和1个1uF去耦电容；由VDDA输入，为ADC、DAC等供电；
VREF±VREF-：基准参考电压；电压范围：2.4V~ VDDA；可以使用独立参考电压VREF(需10nF+1uF高频滤波电容)，也可使用VDDA输入，为ADC、DAC等作基准参考电压；
VBAT：RTC备用电源；电压范围：1.8V~ 3.6V；通常使用纽扣电池外部供电，当主电源VDD掉电后，VBAT为实时时钟（Real-Time Clock，RTC）和备份寄存器供电（此时功耗超低）；

从数据手册了解到以上知识后，再来看看原理图第三页的MCU电源部分。左边的U1B（U1A和U1B共同组成U1，即MCU）是MCU所有电源相关引脚，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。右边是一系列退耦电容，这些电容在Layout（PCB布局走线）时，需要均匀分布在每组电源引脚附近。此时，MCU电源部分符合数据手册的要求。

前面VDD_3V3需要外部提供给MCU，也就是通过电源适配器提供，而一般的电源适配器通常为5V或 12V，因此还需要电源转换电路，将外部输入的12V或5V转换为3.3V。下图 5.2.3、图 5.2.4、图 5.2.5分别为12V电源输入电路、12V转5V电路、5V转3.3V电路，在5V转3.3V电路中有一个红色LED灯，用于提示用户整个系统电源正常工作，该部分电路读者仅作了解即可。

最后再看看RTC电源电路，在外部12V输入时，VDD_3V3为3.3V，而J5的纽扣电池约为3V，D5为肖特基二极管，此时VDD_3V3大于纽扣电池电压，因此由VDD_3V3供电。当外部12V无输入时，VDD_3V3为0V，而J5的纽扣电池约为3V，此时VDD_3V3小于纽扣电池电压，由纽扣电池供电，保证RTC继续运行，电路如图 5.2.6 所示。

时钟电路

MCU是一个集成芯片，由非常复杂的数字电路和其它电路组成，需要稳定的时钟脉冲信号才能保证正常工作。时钟如同人体内部的心脏一样，心脏跳动一下，推动血液流动一下。时钟产生一次，就推动处理器执行一下指令。除了CPU，芯片上所有的外设(GPIO、I2C、SPI等)都需要时钟，由此可见时钟的重要性。

芯片运行的时钟频率越高，芯片处理的速度越快，但同时功耗也越高。为了功耗和性能兼顾，微处理器一般有多个时钟源，同时还将时钟分频为多个大小，适配不同需求的外设。

由《数据手册》可得到如图 5.2.7 所示的时钟树，这里只关心时钟源，时钟的分配使用放在后面讲解。

可以看到一共有四个时钟源：

①HSI(High Speed Internal clock signal)：

HSI是内部的高速时钟信号，频率8MHz。因为是内部提供，可以降低成本，缺点是精度较差。

②HSE(High Speed External clock signal):

HSE是外部的高速时钟信号，需要外部电路晶振，输入频率范围要求为4-16MHz。因为需要外部电路提供，成本会增加，但精度较好。

③LSE(Low Speed External clock signal):

LSE是外部的低速时钟信号，需要外部电路晶振，输入频率范围要求为32.768KHz。一般用于RTC实时时钟。

④LSI(Low Speed Internal clock signal)：

LSI是内部的低速RC振荡器，频率40KHz。一般用于看门狗、RTC实时时钟等。

对于STM32F103系列的MCU，都需要一个高速时钟和一个低速时钟，而这两个时钟可以选择使用内部时钟源节约成本，也可以选择外部时钟源输入提高精度。如果使用内部时钟源，则无需设计外部电路，反之，则需要时钟电路。

继续查看《数据手册》，可以看到如图 5.2.8 和图 5.2.9 所示的外部时钟输入参考电路。手册上提到对于HSE，当晶振为8MHz时，CL1和CL2的容值范围为5pF~25pF。REXT用于产生负反馈，保证放大器工作在高增益的线性区，同时也起到限流作用，通常在兆欧级，具体由晶振决定。

对于LSE，当晶振为32.768KHz时，CL1和CL2的容值范围为5pF~15pF。之所以选择32.768KHz，是因为32768=215，分频设置寄存器通常为2n的形式，这样经过15次分频就很容易得到1Hz的频率。

从数据手册了解到以上知识后，再来看看原理图第三页的时钟电路部分，如图 5.2.10 所示。高速时钟和低速时钟都可由外部提供，且电路设计与数据手册一致。

晶振旁的负载电容，应选择高质量陶瓷电容（NPO)，以满足高频率场合。在Layout（PCB布局走线）时，晶振和负载电容，应尽可能的靠近MCU，以减少输出失真和启动时的稳定时间，保证振荡器可靠工作。

复位电路

嵌入式系统中，由于外界环境干扰，难免出现程序跑飞或死机，这时就需要复位让MCU重新运行。查看《参考手册》，可见如图 5.2.11 所示复位电路。该电路将一个按键接在了NRST引脚，一旦按键按下，NRST就会接地，拉低NRST，实现复位。

再来看看原理图上的复位电路，如图 5.2.12 所示。当开发板正常工作时，VDD_3V3上拉NRST， POWER_EN为前面12V转5V电源芯片的使能引脚，此时被电源芯片钳位在6.5V。当SW1被按下，D1为肖特基二极管，NRST和POWER_EN都会导通接地，拉低NRST和POWER_EN，使MCU复位，同时断开系统供电。

调试/下载电路

不同的MCU，调试/下载的方式可能不一样。比如51系列单片机，使用串口下载程序，同时也使用仿真调试。对于STM32，可以使用串口下载程序，也能使用串口打印进行简单调试，但STM32支持更高效的JTAG（Joint Test Action Group）调试接口和SWD（Serial Wire Debug）调试接口。

该电路比较简单，所涉及的引脚参考表 3.4.1，原理图如图 5.2.13 所示。

启动选择电路

不同的MCU，启动的方式的种类可能不一样。比如51系列单片机，只能从内置存储器读取数据启动，因此没有启动选择的必要。对于STM32，可以从内置存储器启动（默认），可以从系统存储器（用于从USART1下载程序），可以从内部SRAM启动（调电消失，可用于调试），出现多个启动方式，就需要启动选择。

STM32通过BOOT1和BOOT2引脚的电平组合进行启动选择，组合方式和电路设计如图 5.2.14 所示。

当J1拨码开关的1、4脚断开（对应开发板红色拨码开关的1号拨码朝下），2、3脚任意（对应开发板红色拨码开关的2号拨码任意）。此时BOO1为0，BOOT1任意，开发板上电，MCU将从内部主存储器读取数据启动，是最常用的启动方式。

当J1拨码开关的1、4脚连接（对应开发板红色拨码开关的1号拨码朝上），2、3脚断开（对应开发板红色拨码开关的2号拨码朝下）。此时BOO1为1，BOOT1为0，开发板上电，MCU将从系统存储器读取数据启动，在系统存储器里面厂家烧写的串口下载程序，此时可以通过USART1烧写新程序到主存储器。

当J1拨码开关的1、4脚连接（对应开发板红色拨码开关的1号拨码朝上），2、3脚连接（对应开发板红色拨码开关的2号拨码朝上）。此时BOO1为1，BOOT1为1，开发板上电，MCU将直接从内部SRAM启动，SRAM的烧写次数寿命比Flash更多，可用于调试。

各启动模式的启动示意图如图 5.2.15 所示。通常，我们只使用主存储器启动即可。从系统存储器启动，实现从串口下载程序也逐渐被淘汰，STM32的高端MCU已经不支持该方式下载。从SRAM启动也没什么必要，目前Flash的烧写寿命次数也远远超过用户实际烧写次数。

【总结】

本小结带领读者学习了如何读原理图，也对STM32的最小系统有了一些了解。后面的电路众多，在分析某个电路时，结合相关手册的参考电路和说明，加上不断积累，相信读者也能灵活分析原理图。

STM32 最小系统