实验三实验报告

实验三 HAL 库 + 按键外部中断控制流水灯暂停 / 恢复

一、实验目的

1. 掌握 STM32CubeMX 图形化工具创建 HAL 库工程的方法，理解 HAL 库工程的目录结构与初始化流程。
2. 掌握 STM32 GPIO 的 HAL 库配置方法（推挽输出、上拉 / 下拉输入）。
3. 理解并掌握EXTI 外部中断 / 事件控制器的工作原理，学会使用外部中断方式响应按键。
4. 理解 NVIC 中断优先级管理，掌握中断服务函数与 HAL 库中断回调函数（HAL_GPIO_EXTI_Callback）的编写方法。
5. 学会使用全局标志位与非阻塞计时（HAL_GetTick）实现流水灯"暂停 / 恢复"的状态控制。
6. 掌握机械按键的软件消抖方法。

二、实验器材

说明：本次实验未使用独立轻触按键，而是用一根杜邦线将按键引脚与 GND 手动短接 / 断开来模拟按键的按下与松开，原理与轻触按键完全相同（详见第六节）。

三、实验原理

3.1 引脚分配

核心板出厂已焊接一个板载用户 LED（接PC13，本板为蓝色，低电平点亮）；面包板上外接红、绿、蓝 3 个 LED；PA0 作为按键输入引脚。

流水顺序：PC13（板载蓝）→ PA4（红）→ PB5（绿）→ PC14（外接蓝），循环往复，每个灯点亮 1 s，严格不重叠。

补充：核心板上还有一个红色电源指示灯（PWR），通电后常亮，它由硬件直接接 3.3 V，不参与程序控制。所以在实验视频中会看到一个红色小灯始终亮着，属于正常现象。

3.2 GPIO 输出原理

GPIO（通用输入输出端口）每个引脚可由程序独立配置为输入或输出。本实验 LED 引脚配置为通用推挽输出（GPIO_MODE_OUTPUT_PP）：输出寄存器写 0 时引脚输出低电平（0 V），写 1 时输出高电平（3.3 V）。LED 负极（经限流电阻）接引脚、正极接 3.3 V 时为"低电平点亮"，故输出 0 点亮、输出 1 熄灭。

3.3 EXTI 外部中断原理

STM32F103 的 EXTI（外部中断 / 事件控制器）共有 20 条外部中断 / 事件线，其中 EXTI0 ~ EXTI15 供 GPIO 使用。所有端口的同一编号引脚共用一条 EXTI 线，例如 PA0、PB0、PC0……共用 EXTI0，具体由复用功能 I/O 配置寄存器AFIO_EXTICR选择（本实验使用 PA0，对应 EXTI0）。

外部中断的完整信号通路如下：

按键动作（PA0 高电平 → 低电平） │ ▼ GPIO PA0 引脚 │ ▼ AFIO_EXTICR1 选择 EXTI0 来自 GPIOA（PA0） │ ▼ EXTI 触发方式寄存器（FTSR 下降沿选择）＋ EXTI_IMR 中断不屏蔽 │ ▼ EXTI_PR 置位中断挂起标志（Pending） │ ▼ NVIC（嵌套向量中断控制器）的 EXTI0_IRQn 通道 │ ▼ 中断向量表 → EXTI0_IRQHandler() │ ▼ HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0) // 判断并清除挂起标志 │ ▼ HAL_GPIO_EXTI_Callback(GPIO_PIN_0) // 用户回调：翻转暂停标志

PA0 配置为内部上拉 + 下降沿触发：不按键时上拉电阻把引脚拉为高电平；按键（短接 GND）时变为低电平，这个"高 → 低"的跳变（下降沿）即触发一次外部中断。

3.4 中断优先级（NVIC）

Cortex-M3 的 NVIC 支持中断优先级分组，每个中断可设置"抢占优先级"和"子优先级"。HAL 库在HAL_Init()中默认使用优先级分组 4（4 位全部为抢占优先级）。本实验通过

HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn,0,0);// 抢占优先级 0，子优先级 0HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);// 在 NVIC 中使能 EXTI0 通道

使能 EXTI0 中断。注意：仅在 EXTI 外设中配置还不够，必须在 NVIC 中使能对应通道，中断才能进入 CPU。

3.5 暂停 / 恢复的程序设计（状态标志 + 非阻塞计时）

程序用一个全局标志位记录运行状态：

volatileuint8_tpause_flag=0;// 0 = 运行，1 = 暂停

• 每来一次有效按键中断，回调函数把pause_flag翻转一次：0 → 1（暂停）、1 → 0（恢复）。
• 主循环中判断该标志：
  • 运行态：用HAL_GetTick()获取系统毫秒数，采用非阻塞方式计时，每满 1000 ms 切换到下一个 LED；
  • 暂停态：不切换 LED，当前灯保持常亮（冻结），同时不断刷新计时基准，保证恢复后当前灯重新亮满 1 s 再切换。

为什么不用HAL_Delay(1000)阻塞延时？
HAL_Delay()是死等函数，在它等待的 1 s 内主循环无法执行其他逻辑，虽然中断仍能触发并翻转标志，但"暂停"动作要等当前这次延时结束后才会生效，存在最多 1 s 的滞后。改用HAL_GetTick()轮询比较时间，主循环始终在运行，按键一按下立即冻结，响应实时。

3.6 按键软件消抖

机械按键的金属触点在闭合 / 断开瞬间会发生数毫秒的机械抖动，导致一次按下被芯片识别为多个下降沿，引起标志位误翻转。本实验在中断回调中记录上一次有效按键的时刻，只有距上一次超过200 ms才认定为一次新按键：

if((now_tick-key_last_tick)>KEY_DEBOUNCE_MS){...}

从而滤除抖动干扰。

四、实验内容与步骤

4.1 使用 STM32CubeMX 创建 HAL 工程

（1）新建工程，选择芯片
打开 STM32CubeMX →File → New Project→ 在 MCU 选择器中输入并选择STM32F103C8Tx→ 点击 Start。

（2）配置调试接口（重要）
左侧System Core → SYS，将Debug设置为Serial Wire。这样 PA13（SWDIO）、PA14（SWCLK）保留为下载调试口；若不设置，程序下载后可能无法再次连接芯片。

（3）配置外部高速时钟
System Core → RCC，将High Speed Clock (HSE)选择为Crystal/Ceramic Resonator（使用板载 8 MHz 外部晶振）。此时引脚图中 PD0 / PD1 自动变为 RCC_OSC_IN / RCC_OSC_OUT。

（4）配置引脚
在右侧芯片引脚图上依次点击：

• PA4、PB5、PC13、PC14 → 选择GPIO_Output；
• PA0 → 选择GPIO_EXTI0。

（5）配置 GPIO 详细参数
进入System Core → GPIO：

• 选中 PA0：GPIO mode 选择External Interrupt Mode with Falling edge trigger detection（下降沿触发）；GPIO pull-up / pull-down 选择Pull-up（内部上拉）。
• 切换到NVIC Settings标签页，勾选EXTI line0 interrupt → Enabled。
• 分别选中 4 个输出引脚：GPIO output type 选Push Pull，PA4 / PB5 速度选 Low（10 MHz），PC13 / PC14 速度选 Medium（2 MHz），并将GPIO output level 设为 High（保证上电即熄灭）。

（6）配置时钟树
切换到Clock Configuration标签页，在HCLK输入框直接填入72并回车，软件自动配置：HSE 8 MHz → PLL × 9 → SYSCLK = 72 MHz；AHB = 72 MHz，APB1 = 36 MHz，APB2 = 72 MHz。

（7）设置工程并生成代码
进入Project Manager：

• Project Name 填写FlowLED_HAL；Project Location 自行选择；Toolchain / IDE 选择MDK-ARM V5；
• 左侧Code Generator中勾选Copy only the necessary library files，并选择Generate peripheral initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per peripheral；
• 点击右上角GENERATE CODE，生成工程。

生成后的工程主要结构：

FlowLED_HAL/ ├── Core/ │ ├── Inc/ (main.h, gpio.h, stm32f1xx_hal_conf.h, stm32f1xx_it.h) │ └── Src/ (main.c, gpio.c, stm32f1xx_it.c, stm32f1xx_hal_msp.c, system_stm32f1xx.c) ├── Drivers/ (CMSIS 与 STM32F1xx_HAL_Driver 库文件) └── MDK-ARM/ (FlowLED_HAL.uvprojx Keil 工程)

4.2 硬件连接

1. 将核心板插入面包板，用 ST-Link 的 SWDIO、SWCLK、GND、3.3 V 与核心板对应引脚连接，ST-Link 经 USB 接计算机。
2. 外接 LED 接线（低电平点亮方式）：LED 正极 → 3.3 V；负极 → 220 Ω 限流电阻 → 对应 GPIO 引脚：
   • 红灯负极 → PA4；绿灯负极 → PB5；蓝灯负极 → PC14。
3. 将核心板 GND 与面包板接地排（"−"排）连通。
4. 取一根杜邦线：一端（母头）接PA0，另一端悬空，用于点插面包板 GND 排模拟按键。

4.3 编写应用代码

在 Keil 中打开工程，将 LED 控制函数、中断回调及主循环逻辑写入main.c对应的USER CODE区域（完整代码见第五节）。

4.4 编译与下载

1. 点击Build（F7）编译工程，结果为0 Error(s)。
2. 点击魔术棒Options for Target → Debug，右侧选择ST-Link Debugger→ Settings，确认 SW 模式下能读到芯片 ID；在Flash Download中勾选Reset and Run。
3. 点击Download（F8）下载程序，复位后观察现象。

五、核心程序代码（HAL 库）

5.1 main.c

/* USER CODE BEGIN Header *//** * @file main.c * @brief 实验三 HAL库 + 按键外部中断(EXTI) 控制流水灯暂停/恢复 * LED : 板载PC13(蓝)、红PA4、绿PB5、蓝PC14，均为低电平点亮 * 按键 : PA0，内部上拉，短接GND产生下降沿 -> EXTI0 *//* USER CODE END Header */#include"main.h"#include"gpio.h"/* USER CODE BEGIN PD *//* ---------- LED 引脚定义 ---------- */#defineLED_ONBOARD_PINGPIO_PIN_13/* 板载 LED */#defineLED_ONBOARD_PORTGPIOC#defineLED_RED_PINGPIO_PIN_4/* 红灯 */#defineLED_RED_PORTGPIOA#defineLED_GREEN_PINGPIO_PIN_5/* 绿灯 */#defineLED_GREEN_PORTGPIOB#defineLED_BLUE_PINGPIO_PIN_14/* 蓝灯 */#defineLED_BLUE_PORTGPIOC/* ---------- 按键引脚 ---------- */#defineKEY_PINGPIO_PIN_0/* PA0 -> EXTI0 */#defineKEY_PORTGPIOA/* ---------- 时序参数 ---------- */#defineLED_STEP_MS1000U/* 每灯亮 1 s */#defineKEY_DEBOUNCE_MS200U/* 消抖 200 ms */#defineLED_NUM4U/* USER CODE END PD *//* USER CODE BEGIN PV *//* * pause_flag：0=运行，1=暂停。 * 中断中改写、主循环中读取，必须加 volatile。 */volatileuint8_tpause_flag=0;staticuint8_tled_index=0;/* 当前点亮的灯序号 0~3 *//* USER CODE END PV *//* USER CODE BEGIN PFP */staticvoidLED_All_Off(void);staticvoidLED_Show(uint8_tindex);/* USER CODE END PFP *//* USER CODE BEGIN 0 *//* 全部熄灭：低电平点亮，写高电平熄灭 */staticvoidLED_All_Off(void){HAL_GPIO_WritePin(LED_ONBOARD_PORT,LED_ONBOARD_PIN,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(LED_RED_PORT,LED_RED_PIN,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(LED_GREEN_PORT,LED_GREEN_PIN,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(LED_BLUE_PORT,LED_BLUE_PIN,GPIO_PIN_SET);}/* 只点亮序号为 index 的灯，其余熄灭，保证不重叠 */staticvoidLED_Show(uint8_tindex){LED_All_Off();switch(index){case0:/* 板载 PC13 */HAL_GPIO_WritePin(LED_ONBOARD_PORT,LED_ONBOARD_PIN,GPIO_PIN_RESET);break;case1:/* 红 PA4 */HAL_GPIO_WritePin(LED_RED_PORT,LED_RED_PIN,GPIO_PIN_RESET);break;case2:/* 绿 PB5 */HAL_GPIO_WritePin(LED_GREEN_PORT,LED_GREEN_PIN,GPIO_PIN_RESET);break;case3:/* 蓝 PC14 */HAL_GPIO_WritePin(LED_BLUE_PORT,LED_BLUE_PIN,GPIO_PIN_RESET);break;default:break;}}/* * EXTI 中断回调函数（重写 HAL 弱定义函数）。 * 调用链：EXTI0_IRQHandler -> HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler -> 本回调 */voidHAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_tGPIO_Pin){staticuint32_tkey_last_tick=0;uint32_tnow_tick;if(GPIO_Pin==KEY_PIN){now_tick=HAL_GetTick();if((now_tick-key_last_tick)>KEY_DEBOUNCE_MS)/* 消抖 */{key_last_tick=now_tick;pause_flag=!pause_flag;/* 暂停/恢复翻转 */}}}/* USER CODE END 0 */intmain(void){/* USER CODE BEGIN 1 */uint32_tstep_tick;/* USER CODE END 1 */HAL_Init();/* 初始化 HAL、Flash、SysTick(1ms) */SystemClock_Config();/* 配置系统时钟 72 MHz */MX_GPIO_Init();/* 初始化 GPIO（在 gpio.c 中） *//* USER CODE BEGIN 2 */LED_All_Off();/* 上电全灭 */LED_Show(led_index);/* 先亮第 0 个：板载 PC13 */step_tick=HAL_GetTick();/* USER CODE END 2 */while(1){/* USER CODE BEGIN 3 */if(pause_flag==0)/* 运行态 */{/* 非阻塞计时：满 1 s 切换下一个灯 */if((HAL_GetTick()-step_tick)>=LED_STEP_MS){step_tick=HAL_GetTick();led_index++;if(led_index>=LED_NUM){led_index=0;}LED_Show(led_index);}}else/* 暂停态 */{/* 冻结当前灯；刷新基准，恢复后重新计满 1 s */step_tick=HAL_GetTick();}/* USER CODE END 3 */}}

5.2 gpio.c 中的初始化要点

MX_GPIO_Init()由 CubeMX 生成，关键内容如下（注意初始输出电平必须为高，否则上电灯全亮）：

voidMX_GPIO_Init(void){GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct={0};/* 使能 GPIOC / GPIOA / GPIOB 等端口时钟 */__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();/* LED 初始输出高电平(SET)：低电平点亮，保证上电全灭 */HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_13|GPIO_PIN_14,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_4,GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);/* PC13 / PC14：推挽输出 */GPIO_InitStruct.Pin=GPIO_PIN_13|GPIO_PIN_14;GPIO_InitStruct.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP;GPIO_InitStruct.Pull=GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_LOW;HAL_GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStruct);/* PA0：内部上拉，下降沿外部中断 */GPIO_InitStruct.Pin=GPIO_PIN_0;GPIO_InitStruct.Mode=GPIO_MODE_IT_FALLING;GPIO_InitStruct.Pull=GPIO_PULLUP;HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);/* PA4、PB5：推挽输出 *//* ...（结构同上，略）... *//* NVIC：设置并使能 EXTI0 中断通道 */HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn,0,0);HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);}

5.3 stm32f1xx_it.c 中的中断入口

/* EXTI0 中断服务函数，由 CubeMX 自动生成 */voidEXTI0_IRQHandler(void){HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0);/* 清挂起标志并调用回调函数 */}

六、实验现象

程序下载运行后，面包板上的红、绿、蓝 LED 与板载蓝色 LED（PC13）按PC13 → PA4 → PB5 → PC14的顺序轮流点亮，每个灯亮约 1 s，同一时刻只有一个灯亮。用杜邦线将 PA0 与面包板 GND 排短接一次：

• 第一次短接：流水灯立即停止，当前点亮的 LED 保持常亮（冻结），进入暂停状态；
• 第二次短接：流水灯从被冻结的灯开始，重新按原顺序继续流动，恢复运行。

实验全过程录像已转换为 GIF 动图（如下）。图中可清楚看到：核心板上红色电源灯始终常亮；板载蓝灯（PC13）与面包板红、绿、蓝灯轮流点亮；

七、实验中遇到的问题及解决方法

八、实验总结

1. 本次实验基于STM32CubeMX + HAL 库完成了 GPIO 输出与外部中断的配置，相比寄存器直接编程，HAL 库通过标准化的句柄、结构体和 API（如HAL_GPIO_Init、HAL_GPIO_WritePin、HAL_NVIC_EnableIRQ）大大简化了开发，CubeMX 图形化配置还能自动完成时钟树和初始化代码生成。
2. 掌握了EXTI 外部中断的完整工作流程：GPIO 引脚 → AFIO 选择 → EXTI 边沿检测与挂起 → NVIC 使能 → 中断服务函数 → HAL 回调。明确了"外设中断使能"和"NVIC 通道使能"缺一不可。
3. 学会了用volatile全局标志位在中断与主循环之间传递状态，用HAL_GetTick()非阻塞计时实现了流水灯的暂停与恢复，理解了阻塞式与非阻塞式程序结构在实时响应上的区别。
4. 掌握了机械按键（含手动短接）的软件消抖方法。
5. 在没有实体按键的条件下，通过分析"按键即引脚与 GND 的通断"这一本质，用杜邦线短接的方式完成了中断触发，加深了对外部中断电气原理的理解。
6. 实验结果与设计完全一致：流水灯正常轮流点亮，短接 PA0 可实时暂停、再次短接可恢复，达到了实验预期目的。

附：本报告完整源代码工程位于G:\stm32project\project2\led2\，实验录像源文件为IMG_1356.MP4。