零基础嵌入式学习第三周

嵌入式基础作业三：STM32F103C8T6 三种方式实现流水灯

课程作业范围：实验1（寄存器方式）、实验2（标准外设库方式及 Keil 逻辑分析仪）、实验3（HAL 库 + 按键外部中断暂停/恢复）。

目标器件：STM32F103C8T6，Cortex-M3，72 MHz 系统时钟，64 KB Flash，20 KB SRAM。

文档用途：本文可直接作为博客正文。图片和视频均按本文第一次出现的顺序编号，文件与本文位于同一目录。

摘要

本次作业围绕 STM32F103C8T6 的 GPIO、RCC、SysTick、EXTI 和 NVIC 展开，分别采用三种抽象层级完成流水灯：第一部分绕过库函数，直接访问外设寄存器；第二部分使用 STM32F10x 标准外设库（SPL）封装 GPIO/RCC 操作，并用 Keil 的 Logic Analyzer 观察软件逻辑波形；第三部分迁移到 STM32F1 HAL 库，用 PA0 按键产生下降沿外部中断控制流水灯运行状态。

实验1建立了“地址—寄存器位—引脚电平”的底层认识；实验2将配置过程封装为库函数，并增加逻辑分析仪变量，便于测量每一路 LED 的亮、灭时间和周期；实验3进一步把中断服务函数、HAL 回调、消抖和主循环状态机组合起来，实现按键暂停、再次按键恢复，并在暂停期间保持当前 LED 状态。

1. 作业要求与资料边界

1.1 附件中真正需要完成的内容

附件作业要求分为三项：

1. 实验任务1：用 STM32 最小系统板和若干红/绿/蓝 LED，使用 GPIOA/GPIOB/GPIOC 控制流水灯，间隔约 1 s；要求说明 GPIO 端口寄存器地址和参数，并用 C 语言寄存器方式实现。
2. 实验任务2：在实验1基础上改用标准外设库，通过软件循环延时实现流水灯；使用 Keil Logic Analyzer 观察 GPIO 或逻辑变量，分析高低电平和流水灯周期。
3. 实验任务3：在前两项基础上改用 HAL 库和按键中断，实现流水灯的暂停、恢复和继续运行。

附件中给出的博客链接、标准外设库下载链接和参考资料属于学习线索，不替代上述三个任务。本文中的“实验现象”分为代码可推出的理论结果、工程已有 Build 结果和需要用户在板上/仿真器上填写的实测结果三类，避免把理论计算误写成测量值。

1.2 本文使用的本地工程

2. 器件、接线与安全约定

2.1 STM32F103C8T6 基本信息

STM32F103C8T6的命名可以拆解为：STM32 表示 ARM 32 位微控制器，F103 表示增强型 F1 子系列，C 表示 48 引脚封装，8 表示 64 KB Flash，T 表示 LQFP 封装，6 表示工业级温度范围。参考手册第 3 页给出了命名规则；本文截图图2与芯片时钟相关的参考手册页用于说明芯片资料来源。

2.2 三个实验采用的 LED 映射

实验1和实验2来自已有工程，使用的 LED 引脚不同；实验3是本次 HAL 工程的独立接线约定，不能把三个实验的引脚表混接。

外接 LED 必须串联限流电阻，建议 220 Ω～1 kΩ。PC13、PC15 的输出驱动能力较弱，不应直接带大电流负载；必要时使用三极管或 MOSFET。按键 PA0 采用内部上拉，按下时将引脚接地，形成下降沿。

2.3 参考手册截图

图1说明：参考手册指出，GPIO 输出可以通过GPIOx_ODR改变，也可以通过置位/复位寄存器GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR单独改变某一位，且不需要为一次 APB2 写操作额外禁止中断。实验1使用 BSRR/BRR，实验3由 HAL 的HAL_GPIO_WritePin()封装了相同的输出思想。

图2说明：RCC 将 HSE/HSI 送入 PLL，并通过 AHB、APB1、APB2 分频得到各总线时钟；SysTick 可以使用处理器时钟或分频后的外部时钟。实验1假设SYSCLK_HZ=72 MHz，实验3在 HAL 初始化后把 HCLK 配置为 72 MHz。

图3说明：EXTI 的每条线具有独立触发和屏蔽状态。实验3把 PA0 映射到 EXTI0，配置为下降沿触发，再由EXTI0_IRQHandler()进入 HAL 中断分发函数。

3. 实验1：寄存器方式控制四路流水灯

3.1 实验目的

1. 认识 STM32F1 GPIO 和 RCC 的外设基地址及寄存器偏移。
2. 直接配置 GPIOx_CRL/CRH 的 MODE、CNF 位，理解推挽输出的底层编码。
3. 使用 SysTick 控制与状态寄存器实现毫秒级轮询延时。
4. 通过 BSRR/BRR 的写入实现“先全灭、再点亮一路”的单灯流水效果。

3.2 寄存器地址和关键位

GPIO 配置寄存器每个引脚占 4 bit。低 8 个引脚使用CRL，高 8 个引脚使用CRH；MODE=10b表示 2 MHz 输出，CNF=00b表示通用推挽输出，所以实验1的配置半字节为0x2。例如 PA0 的字段位于GPIOA_CRL[3:0]，PC13 的字段位于GPIOC_CRH[(13-8)*4+3 : (13-8)*4]。

3.3 程序设计思路

程序启动后依次完成：

1. 向RCC_APB2ENR的 GPIOA/GPIOB/GPIOC 使能位写 1。
2. 清除目标引脚原有 4 bit 配置，再写入0x2，得到 2 MHz 推挽输出。
3. 配置 SysTick：若系统时钟为 72 MHz，则LOAD=72000000/1000-1=71999；若工程实际仍为复位后的 8 MHz，则应使用 7999，否则 1 s 会严重偏差。
4. LED_All_Off()先关闭全部 LED；LED_On(n)根据编号点亮一路。
5. 主循环按照 PA0 → PB0 → PC0 → PC13 顺序，每路保持约 1 s。

3.4 关键代码

#defineRCC_APB2ENR(*(volatileuint32_t*)0x40021018UL)#defineGPIOA_CRL(*(volatileuint32_t*)0x40010800UL)#defineGPIOA_BSRR(*(volatileuint32_t*)0x40010810UL)#defineGPIOA_BRR(*(volatileuint32_t*)0x40010814UL)#defineSYSTICK_CTRL(*(volatileuint32_t*)0xE000E010UL)#defineSYSTICK_LOAD(*(volatileuint32_t*)0xE000E014UL)#defineSYSTICK_VAL(*(volatileuint32_t*)0xE000E018UL)#defineSYSCLK_HZ72000000ULstaticvoidGPIO_Clock_Enable(void){RCC_APB2ENR|=(1UL<<2);/* IOPAEN */RCC_APB2ENR|=(1UL<<3);/* IOPBEN */RCC_APB2ENR|=(1UL<<4);/* IOPCEN */}

引脚配置函数按照pin<8选择 CRL，否则选择 CRH：

shift=(pin<8U)?(uint32_t)pin*4UL:(uint32_t)(pin-8U)*4UL;*cr&=~(0xFUL<<shift);*cr|=(0x2UL<<shift);/* CNF=00, MODE=10 */

SysTick 轮询延时的核心是清零VAL，再等待CTRL的COUNTFLAG(bit16)置位：

staticvoidDelay_ms(uint32_tms){while(ms-->0UL){SYSTICK_VAL=0UL;while((SYSTICK_CTRL&(1UL<<16))==0UL){}}}

3.5 运行结果与工程检查

理论上，四路 LED 每路点亮约 1 s，完整一轮约 4 s。PA0/PB0/PC0 是高有效外接 LED，PC13 板载 LED 是低有效，因此关闭全部 LED 时要分别写低电平和高电平。程序的LED_All_Off()正是按这种有效电平差异实现的。

已有D:\Keil files\text\1\Objects\text1.build_log.htm显示：Program Size: Code=1044 RO-data=252 RW-data=0 ZI-data=1632，并且0 Error(s), 0 Warning(s)，同时生成了text1.hex。但是源码注释同时提醒SYSCLK_HZ必须与system_stm32f10x.c的实际时钟一致，下载到不同板卡前应再次确认 HSE/PLL 配置。

4. 实验2：标准外设库 + Keil 逻辑分析仪

4.1 实验目的和接线

实验2把寄存器直写替换为 STM32F10x Standard Peripheral Library（SPL）调用：RCC_APB2PeriphClockCmd()打开时钟，GPIO_Init()配置推挽输出，GPIO_WriteBit()改变 LED 电平。流水顺序为：PC13 板载灯 → PA0 红灯 → PB0 绿灯 → PC15 蓝灯。

工程将四个逻辑变量定义为：

volatileuint8_tLA_PC13;volatileuint8_tLA_PA0;volatileuint8_tLA_PB0;volatileuint8_tLA_PC15;

这些变量采用1=对应 LED 点亮，0=对应 LED 熄灭的逻辑状态，不一定等于 GPIO 物理电平。当前工程把四路 LED 都按低有效处理：GPIO 输出低电平时 LED 点亮。若外接 LED 是 GPIO→电阻→LED→GND 的高有效接法，应对调EXT_ACTIVE_LEVEL和EXT_INACTIVE_LEVEL。

4.2 Keil 工程建立过程

以下截图是本目录中保留的完整操作证据，按本文出现顺序编号。截图中的界面文字可能因 Keil 版本不同略有差异，但对应的配置目标相同：建立 STM32F103C8 工程、添加 CMSIS/SPL 文件、配置包含路径、设置仿真器和下载算法。

图4说明：这是实验2最重要的观测截图。波形用于检查LA_PC13、LA_PA0、LA_PB0、LA_PC15是否按 one-hot 顺序变化，以及每一路的亮、灭时间和重复周期。由于截图中游标和缩放比例属于当前一次仿真记录，最终报告中的“实测数值”仍应以用户自己的游标读数填写。

4.3 源码结构

工程目录中的关键文件如下：

text\2 ├─Project │ ├─STM32F103C8_Experiment2.uvprojx │ └─User\main.c └─Libraries\STM32F10x_SPL_Source\Libraries ├─CMSIS\CM3\... └─STM32F10x_StdPeriph_Driver\inc、src

主循环先调用SystemInit()和GPIO_Config()，然后反复执行四颗 LED 的 one-hot 序列。切换时采用“全部熄灭 → 20 ms 黑场 → 点亮当前 LED → 延时 1000 ms”的 break-before-make 策略，避免两路 LED 在切换瞬间同时点亮。

staticvoidLED_Write(LED_TypeDef*led,uint8_ton){BitAction level;if(on!=0U)level=led->active_level;elselevel=(led->active_level==Bit_SET)?Bit_RESET:Bit_SET;GPIO_WriteBit(led->port,led->pin,level);*(led->logic_level)=on;}while(1){for(i=0U;i<led_count;++i){LED_AllOff();DelayMs(20U);LED_Write(&leds[i],1U);DelayMs(1000U);LED_AllOff();}}

4.4 Logic Analyzer 观察步骤

1. 打开Project\STM32F103C8_Experiment2.uvprojx，确认宏包含USE_STDPERIPH_DRIVER和STM32F10X_MD。
2. Build，确认Project\Objects\Experiment2.hex生成。
3. 进入 Debug，选择Use Simulator，运行程序。
4. 打开View → Analysis Windows → Logic Analyzer。
5. 添加LA_PC13、LA_PA0、LA_PB0、LA_PC15四个变量。
6. 用游标测量单路高电平/逻辑点亮时间、单路重复周期以及相邻 LED 之间的时间间隔。

已有 Build Log 显示工程使用 ARMCC V5.06，程序大小为Code=1304、RO-data=268、RW-data=52、ZI-data=1636，并以0 Error(s), 0 Warning(s)生成Experiment2.hex。

4.5 理论波形计算

设软件延时D=1 s，黑场切换间隔G=20 ms，四颗 LED 依次点亮。对某一路 LED 来说：

• 点亮时间：约1.000 s；
• 其余三路点亮时间：约3.000 s；
• 三次切换黑场：约3×0.020=0.060 s；
• 单路重复周期：约1+3+0.060=4.060 s；
• 逻辑点亮占空比：约1/4.060≈24.6%。

实际DelayMs()是软件空循环，编译器版本、优化等级、仿真器速度和系统时钟都会改变 D。因此应把D、3D+3G和周期从 Logic Analyzer 中实测后写入实验记录。图4可以作为波形证据，表格可按下列格式补充：

5. 实验3：HAL 库 + 按键外部中断暂停/恢复

5.1 实验目标

实验3要求把流水灯的控制方式改为 HAL 库，并通过按键中断控制运行状态：按键第一次按下后暂停，当前 LED 保持；再次按下后恢复，从当前序号继续。工程位于D:\Keil files\text\3\Experiment3_HAL_EXTI_LED。

5.2 引脚和 HAL 参数

PA0 与实验1的 LED1 不同：在实验3中 PA0 专门用作按键，LED1 改为 PA8。若实际开发板使用其他按键或 LED 引脚，应同步修改Core\Inc\main.h的宏、gpio.c的初始化和中断入口。

5.3 初始化流程

HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();Led_AllOff();Led_Show(g_led_index);last_step_tick=HAL_GetTick();

SystemClock_Config()打开 8 MHz HSE，PLL×9 得到 72 MHz；AHB 不分频，APB1 为 HCLK/2，APB2 为 HCLK。MX_GPIO_Init()打开 GPIOA/B/C 和 AFIO 时钟，将三路 LED 配成推挽输出，再将 PA0 配成下降沿 EXTI 输入，最后调用HAL_NVIC_SetPriority()和HAL_NVIC_EnableIRQ()。

5.4 中断、消抖和状态机

中断入口保持短小：

voidEXTI0_IRQHandler(void){HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(KEY1_Pin);}voidHAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_tGPIO_Pin){if(GPIO_Pin==KEY1_Pin)g_key_event=1U;}

回调只记录事件，不在中断中HAL_Delay()。主循环检测g_key_event后，等待 50 ms 消抖，并再次读取 PA0：确认仍为低电平才翻转g_run。暂停和恢复的核心代码为：

if((HAL_GetTick()-last_key_tick)>=KEY_DEBOUNCE_MS&&HAL_GPIO_ReadPin(KEY1_GPIO_Port,KEY1_Pin)==GPIO_PIN_RESET){g_run=(uint8_t)!g_run;last_key_tick=HAL_GetTick();last_step_tick=last_key_tick;}if(g_run!=0U&&(HAL_GetTick()-last_step_tick)>=LED_INTERVAL_MS){last_step_tick=HAL_GetTick();g_led_index=(uint8_t)((g_led_index+1U)%LED_COUNT);Led_Show(g_led_index);}

这种写法有三个特点：

1. 暂停保持状态：暂停时不调用Led_AllOff()，所以当前 LED 的 GPIO 电平保持不变。
2. 恢复从当前位置继续：g_led_index不清零，再次运行时继续加一。
3. 消抖不阻塞 ISR：中断只置位标志，消抖放在主循环中完成，避免按键抖动导致多次翻转。

5.5 HAL 工程代码窗口与运行视频

图22说明：代码窗口用于核对HAL_Init()、HAL_GetTick()、HAL_GPIO_EXTI_Callback()和g_run状态切换。工程中的Core\Src\gpio.c负责硬件初始化，Core\Src\stm32f1xx_it.c负责EXTI0_IRQHandler()和SysTick_Handler()。

下面的视频文件是本次素材目录中的流水灯运行记录。Markdown 博客可直接播放；PDF 不能可靠内嵌本地 MP4，因此 PDF 中保留视频文件名和相对链接，提交时应将23.mp4与文档一起上传。

视频23：HAL + 按键中断流水灯运行记录（请使用支持 HTML5 video 的博客编辑器预览）。

视频23：HAL + 按键中断流水灯运行记录

5.6 验收现象

1. 上电后 LED1、LED2、LED3 依次点亮，默认每 1 s 移动一次。
2. 按下 KEY1，当前点亮的 LED 保持，流水灯暂停。
3. 再次按下 KEY1，流水灯从原位置继续，不跳回 LED1。
4. 若出现一次按键跳过两个状态，优先检查按键是否悬空、是否启用上拉、消抖时间是否足够。
5. 若 PC13 亮灭相反，检查板载 LED 的低有效特性，不要简单把所有 LED 的有效电平统一处理。

6. 三种实现方式对比

从实验1到实验3，代码抽象层逐步提高，但硬件规律没有改变：打开 GPIO 时钟、配置端口模式、输出正确的有效电平、用可靠的时间基准切换状态。理解第一种方式后，再使用 SPL/HAL 才不会把库函数当成“黑盒”。

7. 常见问题与排查

7.1 LED 完全不亮

• 检查 LED 是否串联电阻、是否接反；
• 检查目标端口时钟是否打开；
• 检查板载 PC13 是否低有效；
• 检查 PA0/PB0/PC0/PC15 是否被其他外设复用；
• 检查下载器的 SWDIO/SWCLK 是否误被重映射关闭。

7. LED 顺序正确但速度不对

• 实验1检查SYSCLK_HZ与SystemCoreClock是否一致；
• 实验2调整DelayMs()的空循环常数，并记录优化等级；
• 实验3优先检查 HSE 晶振是否存在，确认 PLL×9 后为 72 MHz；
• 逻辑分析仪显示的是软件变量时，应说明它代表逻辑状态，不一定是物理引脚电压。

7.3 按键一次按下触发多次

• PA0 必须设置GPIO_PULLUP，按键另一端接 GND；
• EXTI 选择下降沿，不能在按下和释放两个边沿同时触发；
• ISR 中不要使用长延时；
• 主循环采用至少 20～50 ms 消抖，并确认按键仍为低电平后再翻转状态。

7.4 PC15 无法作为实验2 LED

PC15 与 LSE 低速外部晶振功能复用。如果工程启用了 LSE/RTC，PC15 不能同时可靠地当普通 LED GPIO；应关闭 LSE、换用其他空闲引脚，或用外部测试点替代。

8. 结论

实验1验证了寄存器地址和位域配置可以直接驱动 GPIO；实验2验证了 SPL 可以降低工程配置难度，并通过 Logic Analyzer 观察到流水逻辑；实验3在此基础上引入 HAL 和 EXTI，把按键事件与流水灯状态机解耦，实现了暂停、恢复、保持当前位置和软件消抖。

本次实现最需要注意的不是 LED 亮灭语句本身，而是三个一致性问题：系统时钟必须与延时计算一致、LED 有效电平必须与接线一致、逻辑分析变量必须与物理引脚含义区分。这些问题也是从寄存器级代码迁移到库函数和 HAL 工程时最容易出现的错误来源。

9. 提交文件与素材清单

9.1 文档

• 嵌入式基础作业三_三实验综合报告.md：本文 Markdown 博客稿。
• 嵌入式基础作业三_三实验综合报告.pdf：由本文生成的 PDF 版本。

9.2 图片和视频

• 1.png～3.png：STM32 参考手册 GPIO、RCC/SysTick、EXTI 截图；
• 4.png～22.png：原作业目录中的 19 张实验截图，按本文出现顺序编号；
• 23.mp4：流水灯运行视频，Markdown 中用<video>和普通链接各保留一次；
• 原始素材备份：保留原始中文文件名，便于追溯数字编号来源。

9.3 参考资料

1. D:\cxdownload\STM32中文参考手册_V10.pdf.pdf，RM0008 中文参考手册第 10 版译文；
2. D:\Keil files\text\1中的寄存器流水灯工程及 Build Log；
3. D:\Keil files\text\2中的 STM32F10x SPL 工程、Logic Analyzer 说明和 Build Log；
4. D:\Keil files\text\3\Experiment3_HAL_EXTI_LED中的 HAL + EXTI 工程。