news 2026/9/30 10:59:24

STM32F103 GPIO标准外设库四灯流水灯实验报告（任务二·Keil5版）

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
STM32F103 GPIO标准外设库四灯流水灯实验报告（任务二·Keil5版）

一、实验目的

1. 在实验一（HAL库四灯流水灯）的基础上，掌握使用STM32标准外设库（Standard Peripheral Library，SPL）控制GPIO端口实现LED流水灯的方法。

2. 掌握在Keil5（MDK-ARM）中手动建立工程、添加STM32标准外设库文件（.c、.h）的完整过程。

3. 理解软件循环延时实现LED亮灭周期的原理，并分析其准确周期。

4. 对比标准外设库与HAL库两种开发方式的异同。

二、实验器材

器材说明
STM32F103最小系统板Cortex-M3内核，72MHz主频，自带PC13板载LED
ST-Link下载器程序烧录与调试
LED发光二极管 × 3红、绿、蓝各一只（外部LED）
面包板及杜邦线电路连接
220Ω限流电阻 × 3保护外部LED和GPIO引脚
PC电脑 + Keil5（MDK-ARM）+ 标准外设库开发环境

三、实验原理

3.1 标准外设库概述

STM32标准外设库（SPL）是ST官方提供的一套底层固件库，将寄存器操作封装成函数，例如GPIO_Init()配置引脚、RCC_APB2PeriphClockCmd()使能时钟。相比HAL库，标准外设库更贴近寄存器、代码简洁，是Keil5下经典的STM32开发方式。

3.2 GPIO控制原理

标准外设库中，引脚配置通过GPIO_InitTypeDef结构体与GPIO_Init()完成；电平控制通过GPIO_SetBits()（高电平）和GPIO_ResetBits()（低电平）实现。本实验沿用实验一的四个LED及电平逻辑：PC13板载LED低电平点亮，PC14、PA4、PB1三个外部LED高电平点亮。

四、实验步骤

（一）在Keil5中创建工程并添加标准外设库文件

1. 下载STM32F10x标准外设库（如STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0），解压后记录Libraries目录位置，其中包含CMSIS与STM32F10x_StdPeriph_Driver两个子目录。

2. 启动Keil5（μVision），点击菜单 Project → New μVision Project，选择工程保存路径并命名（如LEDflow_SPL），保存。

3. 在弹窗中选择芯片型号：ARM → STMicroelectronics → STM32F1xx → STM32F103 → 选择STM32F103RCT6（或C8T6），点击OK。

4. 系统提示"Copy STM32 Startup Code to Project Folder?（是否拷贝启动文件）“，选择"是”，工程自动添加启动文件startup_stm32f10x_hd.s。

5. 在左侧Project窗口右键Target1，选择Manage Project Items，建立如下分组并添加库文件：

LEDflow_SPL（工程） ├─ User/# main.c、stm32f10x_it.c ├─ StdPeriph_Driver/│ ├─ stm32f10x_gpio.c │ ├─ stm32f10x_rcc.c │ └─ stm32f10x_flash.c ├─ Startup/# startup_stm32f10x_hd.s └─ CMSIS/├─ core_cm3.c └─ system_stm32f10x.c

6. 添加头文件路径：点击工程按钮 Options for Target（或Alt+F7），切换到 C/C++ 选项卡，在 Include Paths 中依次添加：

CMSIS STM32F10x_StdPeriph_Driver/inc User

7. 在 C/C++ 选项卡的 Define 框填入宏定义：USE_STDPERIPH_DRIVER, STM32F10X_HD（大容量芯片用HD，中容量用MD）。

8. 配置下载调试器：切换到 Debug 选项卡，选择 ST-Link Debugger，再进入 Flash Download 勾选 Reset and Run，便于下载后自动运行。

9. 将编写好的main.c放入User分组，点击编译（F7），无误后点击下载（F8）烧录到开发板。

（二）编写主程序

main.c中使用标准外设库函数完成时钟使能、GPIO配置与四灯流水控制，代码如下：

#include"stm32f10x.h"voidRCC_Configuration(void);voidGPIO_Configuration(void);voidDelay(__IOuint32_tnCount);intmain(void){RCC_Configuration();GPIO_Configuration();while(1){// 1. PC13板载LED亮，其余灭GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13);GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_14);GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_1);Delay(0x00100000);// 2. PC14蓝灯亮，其余灭GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13);GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_14);GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_1);Delay(0x00100000);// 3. PA4红灯亮，其余灭GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13);GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_14);GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_1);Delay(0x00100000);// 4. PB1绿灯亮，其余灭GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13);GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_14);GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_1);Delay(0x00100000);}}voidRCC_Configuration(void){RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);}voidGPIO_Configuration(void){GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_13;GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_14;GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1;GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);// 上电全部熄灭GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13);GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_14);GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_1);}voidDelay(__IOuint32_tnCount){for(;nCount!=0;nCount--);}

五、软件循环延时周期分析

LED的亮灭周期通过软件空循环Delay()实现：

voidDelay(__IOuint32_tnCount){for(;nCount!=0;nCount--);}

该函数的核心是一条空for循环，每一轮循环执行的耗时取决于以下三个因素：

因素说明
系统主频本实验为72MHz，一个CPU时钟周期约1/72MHz ≈ 13.9ns
编译优化等级Keil中默认-O0不优化时循环完整保留；优化等级高时可能被优化掉导致延时失效
汇编指令数-O0下每轮约3～4条指令（加载、减法、比较、跳转），共约4个CPU周期

因此在72MHz、Keil默认-O0条件下，每一轮循环耗时的近似值为：

单轮耗时 ≈4×13.9ns ≈55ns

由此可估算延时：延时 ≈ nCount × 55ns。例如Delay(0x00100000)（1048576次）约延时57ms；要接近1秒，nCount应约为18×10^6（约0x1100000）。

结论：软件循环延时周期的准确值不是固定常数，它依赖主频、编译优化等级和编译器版本，只能给出量级估算。若要获得精确、稳定的1秒延时，应改用SysTick定时器（调用SysTick_Config()）或硬件定时器实现。

六、实验现象

上电后，四个LED按照以下顺序循环点亮，每一盏灯点亮约0.8～1秒（由Delay()循环次数决定）：

PC13板载LED亮 → PC14蓝灯亮 → PA4红灯亮 → PB1绿灯亮 → 循环。

任意时刻只有一个LED点亮，实现亮灯依次流动的流水灯效果。

使用逻辑分析仪观测DBG_PA0、DBG_PA1、DBG_PA2三个LED引脚，得到如图1所示的时序波形：三个通道输出周期性方波，波形之间存在固定的时序偏移，印证了四灯按顺序依次点亮的流水灯时序。

七、实验中遇到的问题及解决方法

问题原因解决方法
编译报错找不到头文件未在Include Paths中添加头文件路径在Options for Target的C/C++中配置Include Paths
GPIO无效或时钟异常未使能GPIO端口时钟调用RCC_APB2PeriphClockCmd()使能对应端口时钟
条件编译报错缺少宏定义在C/C++的Define中添加USE_STDPERIPH_DRIVER与STM32F10X_HD
延时周期不准空循环延时依赖主频与优化等级改用SysTick或硬件定时器实现精确延时

八、实验总结

本次实验在实验一的基础上，改用STM32标准外设库，通过Keil5完成了四灯流水灯实验。通过手动添加标准外设库文件，掌握了Keil5工程的建立、分组管理、头文件路径配置与宏定义设置方法；理解了标准外设库与HAL库在GPIO配置和电平控制上的差异。同时通过软件循环延时实验，认识到空循环延时周期的估算方法及其不精确、依赖编译环境的特性，为后续使用定时器实现精确延时的学习打下基础。

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