课时01 嵌入式技术应用设计实训 | GPIO 输出：跑马灯与蜂鸣器

嵌入式技术应用设计实训 | GPIO 输出：跑马灯与蜂鸣器

本课程开源地址（Gitee）：https://gitee.com/fujianxinxi/qianrushishixundianzi.git
课件、示例代码与验收脚本都在该仓库，可直接git clone或下载 ZIP 使用。

开发板资料A盘（百度网盘）：https://pan.baidu.com/s/1_EXrjRUewwmGMgcy38zEZg（提取码：zbri）
正点原子官方资料下载：http://www.openedv.com/docs/boards/stm32/zdyz_stm32f103_nano.html

模块一 基础外设开发 · 2 学时 · 环境：Keil MDK5 + VS Code + 正点原子 STM32F103 Nano V1.3

一句话概述：从 GPIO 的“开时钟 → 配推挽 → 写电平”三步入手，把 PC0~PC7（板载 DS0~DS7）配成推挽输出点亮 8 个 LED；同一份main.c里用DEMO_MODE宏切换五种现象——全亮、间隔亮、跑马灯、全亮全灭交替四种灯效，外加一种只响蜂鸣器，蜂鸣器只在第 5 种现象里响，其余现象全程静音；节奏全靠软件延时排出来，不涉及定时器与中断。

本节目标

1. 能说出点亮一个 LED 要按“开时钟 → 配推挽 → 写电平”三步走，并说清顺序反了为什么既不报错也不亮
2. 会改main.c里的DEMO_MODE宏（改成 1、2、3、4），把板载 8 个 LED 跑出全亮、间隔亮、跑马灯三种现象
3. 会用同一套写法驱动 PB8 上的蜂鸣器（把DEMO_MODE改成 5 单独试），并说清“有源蜂鸣器给对电平就响，要调音才用 PWM”

一、原理说明

GPIO 输出要按固定顺序做三步：先给引脚所在的端口开时钟，再把引脚配成推挽输出，最后才是写电平——顺序不能反，时钟没开的时候写寄存器等于没写，可编译器一声不响，这是新手最容易踩的坑。板载 8 个 LED（DS0~DS7）的阳极已经通过限流电阻接在 3.3V 上，阴极分别连到 PC0~PC7，所以 IO 输出低电平灯才亮、输出高电平灯灭；蜂鸣器接在 PB8 上，也是“写个电平就能响”的器件，只不过响不响还取决于板子上的接法极性。“跑马灯”说到底就是“点亮一个 → 等一会儿 → 灭掉它、点亮下一个”的循环，等待用软件延时delay_ms()排出来，本课不碰定时器和中断。把这五种现象写进同一个main.c、用一个宏切换，是为了让你改一个数字就能对比不同写法，而不是每换一种现象就要重敲一遍代码。

二、讲解内容

2.1 知识讲解

先认清三个词：端口、引脚、位。STM32 的 IO 是按端口分组的，GPIOA、GPIOB、GPIOC各是一个端口，每个端口管 16 个引脚，引脚名叫PA0_{`PA15`、`PB0`}PB15、PC0~PC15。在 HAL 库里，“位”就是一个 16 位整数里的一个 bit：GPIO_PIN_0等于0x0001，GPIO_PIN_1等于0x0002，……GPIO_PIN_7等于0x0080。所以想一次操作 8 个灯，把它们的位“或”起来就行——0x00FF就是 PC0~PC7 全部。

本课程用的引脚（正点原子 STM32F103 Nano V1.3 板载，不用额外接线）：

三步走，一步都不能少：

推挽输出（GPIO_MODE_OUTPUT_PP）到底输出了什么：推挽的意思是引脚内部上下两个管子轮流导通，芯片能主动把引脚拉到 3.3V（高）或 0V（低），带得动 LED 这种小负载。另一种常见模式是开漏输出，它只能主动拉低，要输出高电平必须外面接上拉电阻——本课点灯、驱蜂鸣器都用推挽，最省事。

为什么要先全灭、再点亮当前这一个：如果只写“点亮下一个”，却不把上一个灭掉，灯的位会一直累加（第一次一个灯、第二次两个灯……），看起来就不是跑马灯而是一串“点亮进度条”。所以每一轮循环里第一句永远是LED_ALL_OFF()，或者像LED_ON(x)之前先清掉旧位——这是本课最容易写错的地方，写错时现象很好认：灯只增不减。

延时是怎么来的（本课与定时器的分界线）：delay_ms()、delay_us()在SYSTEM/delay/里，是拿 Cortex-M3 内核自带的 SysTick 做忙等延时：CPU 原地数够时间再往下走，简单、直观、不占用任何外设定时器。所以本课只靠它就能排出“每 200ms 移一位”的节奏；等到课时04 再用真正的定时器中断来做“到点自动干活、CPU 不用死等”，你会立刻体会到两者的差别。

条件编译：一份工程，五种现象。#define DEMO_MODE 3写在文件开头，下面用#if / #elif / #else分成五段：编译时只保留DEMO_MODE对应的那一段，其余几段被预处理器直接删掉，既不占程序空间，也不会互相干扰。所以“改现象”在本课就等于“改一个数字 + 重新编译下载”，你甚至可以在同一份代码里来回切换、对比五种现象。

蜂鸣器为什么要留一个极性开关：板载蜂鸣器是有源蜂鸣器（内部自带振荡电路），只要给它对的那个电平就一直响，不需要 PWM、也不需要频率；但“高电平响”还是“低电平响”取决于板子上的驱动接法——本板（Nano V1.3）实测是低电平响，所以代码里写的是#define BEEP_ACTIVE_HIGH 0，BEEP_OFF()就是输出高电平。极性搞反时现象特别明显：本该静音的模式 1~4 里，蜂鸣器会一直叫——因为BEEP_Init()里当作“不响”的那个电平，恰恰是它的“响”电平；这时把开关在0/1之间对调、重新编译即可。这也正是本课把它做成开关而不是写死的原因。另外，本课只有现象 5 会真正让蜂鸣器响：BEEP_Init()照常初始化（引脚就绪、并停在“不响”电平上），其余四种现象从头到尾不碰 PB8，所以课堂上连着演示灯效不会吵，也不用把那几行代码删来删去。

2.2 代码示例

本课只改一个文件：课时文档/代码/课时01-GPIO输出跑马灯与蜂鸣器/USER/main.c。同一个工程里的HARDWARE/LED/、SYSTEM/、HALLIB/、CORE/都是现成的（厂家例程里已经写好），照用即可：

课时文档/代码/课时01-GPIO输出跑马灯与蜂鸣器/ ├── USER/LED.uvprojx ← Keil 打开这个工程（本课改的 main.c 也在这里） ├── USER/main.c ← 本课唯一的自写文件（五种现象都在里面） ├── HARDWARE/LED/ ← LED 驱动：led.c / led.h（PC0~PC7 配成推挽输出，不用改） ├── SYSTEM/ ← sys、delay（delay_ms 就在这里）、usart ├── HALLIB/ CORE/ ← HAL 库与启动文件（不用改） └── OBJ/ ← 编译输出（已加入 .gitignore，不进仓库）

下面是本课USER/main.c的完整代码（一个文件五种现象，靠DEMO_MODE切换）：

#include"sys.h"#include"delay.h"#include"usart.h"#include"led.h"/************************************************ 《嵌入式技术应用设计实训》课时01 GPIO 输出：跑马灯与蜂鸣器 本文件基于正点原子 ALIENTEK NANO STM32F103 开发板例程（跑马灯实验-HAL库版本）改写， 原例程版权归广州市星翼电子科技有限公司所有。 硬件：正点原子 STM32F103 Nano V1.3 DS0~DS7（板载红色 LED）→ PC0~PC7，低电平点亮 蜂鸣器（板载） → PB8 本课只改这一个文件：下面 DEMO_MODE 换一个数字、重新编译下载，现象就换一种， 不涉及定时器、中断，等待节奏全部用软件延时 delay_ms() 排出来。 注意：五种现象里只有现象 5 会驱动蜂鸣器，其余现象全程静音（上课连着演示不吵）。 ************************************************//* ==================== 演示现象选择（改这一行即可） ==================== 1 = 全亮 ：DS0~DS7 一直全亮 2 = 间隔亮 ：DS0/DS2/DS4/DS6 与 DS1/DS3/DS5/DS7 交替闪，0.5 秒换一次 3 = 跑马灯 ：上电先自检（DS0→DS7 依次点亮一遍 + 全亮/全灭），随后 DS0→DS7 循环流水 4 = 全闪 ：8 个灯一起亮 0.5 秒、一起灭 0.5 秒 5 = 只蜂鸣 ：LED 全灭，蜂鸣器“嘀—嘀—”规律响（本课只有这一种现象会响） ===================================================================== */#defineDEMO_MODE3/* ============ 蜂鸣器极性开关（只有现象 5 会用到，按实测结果选一个） ============ 1 = 高电平响（PB8 输出高电平时蜂鸣器响） 0 = 低电平响（PB8 输出低电平时蜂鸣器响） 本板（正点原子 Nano V1.3）实测是“低电平响”，所以这里填 0；换成高电平响的板子就改成 1。 有源蜂鸣器只要给对电平就响，不需要 PWM（要“调音”才用 PWM，那是课时05） =========================================================================== */#defineBEEP_ACTIVE_HIGH0/* ---------- 板载 LED：低电平点亮，PC0~PC7 分别对应 DS0~DS7 ---------- */#defineLED_ALL_OFF()HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,(uint16_t)0x00FF,GPIO_PIN_SET)/* 8 个灯全灭 */#defineLED_ALL_ON()HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,(uint16_t)0x00FF,GPIO_PIN_RESET)/* 8 个灯全亮 */#defineLED_ON(x)HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,(uint16_t)(1U<<(x)),GPIO_PIN_RESET)/* 点亮第 x 个，x=0~7 */#defineLED_OFF(x)HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,(uint16_t)(1U<<(x)),GPIO_PIN_SET)/* 熄灭第 x 个 *//* ---------- 板载蜂鸣器：BEEP_ON 响、BEEP_OFF 停（极性由上面开关决定） ---------- */#if(BEEP_ACTIVE_HIGH==1)#defineBEEP_ON()HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_8,GPIO_PIN_SET)#defineBEEP_OFF()HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_8,GPIO_PIN_RESET)#else#defineBEEP_ON()HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_8,GPIO_PIN_RESET)#defineBEEP_OFF()HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_8,GPIO_PIN_SET)#endif/* 蜂鸣器初始化：PB8 推挽输出 —— 和 LED_Init() 是同一套三步：开时钟 → 配模式 → 写电平 */staticvoidBEEP_Init(void){GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();/* 1. 开 GPIOB 时钟：不开时钟，后面全白写 */BEEP_OFF();/* 先写成“不响”的电平，避免上电瞬间乱响 */GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_8;/* 2. 配模式：PB8 */GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP;/* 推挽输出 */GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP;/* 上拉 */GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH;/* 高速 */HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);}intmain(void){#if(DEMO_MODE==3)u8 i;/* 只有“跑马灯”这一种现象需要循环变量 */#endifHAL_Init();/* 初始化 HAL 库：顺带配好 1ms 延时基准 */Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9);/* 设置时钟：主频 72MHz */delay_init(72);/* 初始化延时函数 */LED_Init();/* 初始化 LED：DS0~DS7（PC0~PC7）推挽输出，上电默认全灭 */BEEP_Init();/* 初始化蜂鸣器：PB8 推挽输出，上电默认不响（就绪但不出声） */#if(DEMO_MODE==1)/* ---------- 现象 1：全亮（一句话现象：8 个灯一直亮着） ---------- */LED_ALL_ON();while(1){/* 电平已经写下去了，灯就一直亮着；这里什么都不用做 */}#elif(DEMO_MODE==2)/* ---------- 现象 2：间隔亮（奇数灯、偶数灯交替闪） ---------- */while(1){HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,(uint16_t)0x00AA,GPIO_PIN_RESET);/* DS1、DS3、DS5、DS7 亮 */HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,(uint16_t)0x0055,GPIO_PIN_SET);/* DS0、DS2、DS4、DS6 灭 */delay_ms(500);HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,(uint16_t)0x0055,GPIO_PIN_RESET);/* DS0、DS2、DS4、DS6 亮 */HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,(uint16_t)0x00AA,GPIO_PIN_SET);/* DS1、DS3、DS5、DS7 灭 */delay_ms(500);}#elif(DEMO_MODE==3)/* ---------- 现象 3：上电自检 + 跑马灯（静音，默认） ---------- */for(i=0;i<8;i++)/* 上电自检：DS0→DS7 依次各亮 0.2 秒，走一遍共 1.6 秒 */{LED_ALL_OFF();/* 先全灭，再点亮当前位：否则会越亮越多（新手常见坑） */LED_ON(i);delay_ms(200);}LED_ALL_ON();/* 8 个灯全亮 0.3 秒：一眼看清 8 路 IO 是不是都通 */delay_ms(300);LED_ALL_OFF();/* 再全灭 0.3 秒 */delay_ms(300);while(1){for(i=0;i<8;i++)/* 跑马灯：每次只亮一个，0.2 秒移一位，一圈 1.6 秒 */{LED_ALL_OFF();LED_ON(i);delay_ms(200);}}#elif(DEMO_MODE==4)/* ---------- 现象 4：全闪（8 个灯一起亮、一起灭） ---------- */while(1){LED_ALL_ON();/* 整端口一次写：8 个灯全亮 0.5 秒 */delay_ms(500);LED_ALL_OFF();/* 再整端口一次写：8 个灯全灭 0.5 秒 */delay_ms(500);}#elif(DEMO_MODE==5)/* ---------- 现象 5：只试蜂鸣器（本课唯一让蜂鸣器响的现象，LED 全灭） ---------- */LED_ALL_OFF();/* 先把灯全灭，听声音时不受灯干扰 */while(1){BEEP_ON();/* 响 0.2 秒 */delay_ms(200);BEEP_OFF();/* 停 0.8 秒 */delay_ms(800);}#else#error"DEMO_MODE 只能填 1~5，请修改文件开头的 DEMO_MODE 宏"#endif}

代码里的关键宏与函数：

配模式那一步的参数（GPIO_InitTypeDef）：

怎么换现象（本课的“改一行”）：把文件开头的#define DEMO_MODE 3改成1、2、4、5，保存 →Build（F7）→Download（F8）→ 按复位键看新现象（只有5会听见蜂鸣器，1~4全程静音）。注意必须重新编译下载，只改代码不下载，板子上跑的还是上一个程序——这是新手最常见的一次“现象不对”。

三、实验操作与现象

3.1 接线与操作步骤

本课不用接任何线：LED 和蜂鸣器都在板子上，已经焊好连到引脚了，你只要插上 USB 供电、接好 ST-Link 就能做。

操作步骤（照着做就能跑）：

1. 上电接线：USB 线接板子供电口（课时00 认过的那个口）→ ST-Link 接 SWD 三根线 → ST-Link 插电脑 2. 打开工程：Keil 打开 课时文档/代码/课时01-GPIO输出跑马灯与蜂鸣器/USER/LED.uvprojx 3. 选现象 ：看 main.c 开头的 #define DEMO_MODE 3（默认跑马灯）；想先看静态的改成 1，想单独听蜂鸣器改成 5 4. 编译 ：Build（F7）→ 确认 0 Error(s), 0 Warning(s) 5. 下载 ：Download（F8）→ 确认 Programming Done. Verify OK. 6. 复位 ：按板子 RST 键（下载时勾了 Reset and Run 的会自动跑）→ 对照 3.2 的现象核对

3.2 观察到的现象

本课现象以随课视频演示为准（视频里会把五种现象连着跑一遍），文档不逐条配截图；你自己做完请拍一张或录一段，作为提交物。

现象 3 的时间轴（从按复位键算起）：

看不到现象怎么办（按最可能的顺序查）：

四、学生练习

课堂上按顺序做，一条一条改、一条一条看现象：

五、作业

• 必做：把五种现象（DEMO_MODE改成 1~5）各跑一遍，把跑马灯那一种录成 10~15 秒短视频；再用一句话说清“哪种现象是整端口一次写 8 位、哪种是单个引脚移位”
• 必做：完成练习 L1.2（delay_ms(200)改成50/500），各录 5 秒或截图，写一句观察：速度变了，灯的顺序变了吗？
• 选做：把跑马灯改成“两个灯同时跑”（在LED_ON(i)后面再加一句LED_ON((i + 4) % 8)），录视频和原来的对比
• 提交：现象视频或截图 + 一段说明“我改了哪一行、现象怎么变、卡在哪一步怎么解决的”；验收标准：跑马灯顺序正确（DS0→DS7，任意时刻只亮一个）、现象 5 里蜂鸣器能规律“嘀—嘀—”响、编译输出0 Error(s), 0 Warning(s)

六、本节小结与下节预告

本节把 GPIO 输出的三步（开时钟 → 配推挽 → 写电平）完整走了一遍：PC0~PC7 输出低电平点亮 DS0~DS7，PB8 写对电平让蜂鸣器响（蜂鸣器只在现象 5 里响，其余四种灯效全程静音）；五种现象写在同一个main.c里、用DEMO_MODE切换，节奏全靠软件延时delay_ms()排出来，不涉及定时器和中断。记住三句话就够了：命令顺序不能反（先开时钟）、本板低电平点亮、点亮下一个之前先灭掉上一个。下节进入 GPIO 输入与外部中断：读按键的电平，让灯听你的话。

本节函数与宏速查

附录

A. 怎么编译下载（照着做就能跑）

1. 上电接线：板子 USB 供电 → ST-Link 接 SWD 三根线（SWDIO / SWCLK / GND）→ ST-Link 插电脑 2. Keil 打开：课时文档/代码/课时01-GPIO输出跑马灯与蜂鸣器/USER/LED.uvprojx 3. 选下载器：Options for Target → Debug → ST-Link Debugger → OK 4. 选现象 ：main.c 开头 #define DEMO_MODE 3（可改成 1 / 2 / 4 / 5；只有 5 会响蜂鸣器） 5. 编译 ：Build（F7），确认 0 Error(s), 0 Warning(s) 6. 下载 ：Download（F8），确认 Programming Done. Verify OK. 7. 复位 ：按 RST 键，看 DS0→DS7 依次点亮，随后进入跑马灯循环

B. 本课代码

本课只改一个文件：课时文档/代码/课时01-GPIO输出跑马灯与蜂鸣器/USER/main.c（完整代码见 2.2 节）。工程里其余文件都是现成的，不用动：

C. 引脚对照表（贴在板子旁边用）

相关文档

• 课程大纲（课时01 在“一、基础外设开发模块”）
• 课程文档写作规范（0.1 教学环境约定）
• 上一课：课时00 开发环境搭建与开发板认识
• 下一课：课时02 GPIO 输入与外部中断：按键