单片机课程实验指导书

嵌入式课程实验指导书

实验一、开发环境构建和GPIO控制实验

一、硬件环境 1.1 STM32芯片介绍

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M内核。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是32位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。

STM32的特点：

内核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。

存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器。

时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。POR、PDR和可编程的电压探测器（PVD）。4-16MHz的晶振。内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路。内部40 kHz的RC振荡电路。用于CPU时钟的PLL。带校准用于RTC的32kHz的晶振。

低功耗：3种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。为RTC和备份寄存器供电的VBAT。 调试模式：串行调试（SWD）和JTAG接口。

DMA：12通道DMA控制器。支持的外设：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。 2个12位的us级的A/D转换器（16通道）：A/D测量范围：0-3.6 V。双采样和保持能力。片上集成一个温度传感器。

2通道12位D/A转换器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE独有。

最多高达112个的快速I/O端口：根据型号的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。除了模拟输入，所有的都可以接受5V以内的输入。

最多多达11个定时器：4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。2个16位的6通道高级控制定时器：最多6个通道可用于PWM输出。2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。Systick定时器：24位倒计数器。2个16位基本定时器用于驱动DAC。

最多多达13个通信接口：2个IIC接口（SMBus/PMBus）。5个USART接口（ISO7816接

口，LIN，IrDA兼容，调试控制）。3个SPI接口（18 Mbit/s），两个和IIS复用。CAN接口（2.0B）。USB 2.0全速接口。SDIO接口。

ECOPACK封装：STM32F103xx系列微控制器采用ECOPACK封装形式。

二、软件开发环境介绍及安装 2.1 STM32固件库

STM32标准外设库之前的版本也称固件函数库或简称固件库，是一个固件函数包，它由程序、数据结构和宏组成，包括了微控制器所有外设的性能特征。该函数库还包括每一个外设的驱动描述和应用实例，为开发者访问底层硬件提供了一个中间API，通过使用固件函数库，无需深入掌握底层硬件细节，开发者就可以轻松应用每一个外设。因此，使用固态函数库可以大大减少用户的程序编写时间，进而降低开发成本。每个外设驱动都由一组函数组成，这组函数覆盖了该外设所有功能。每个器件的开发都由一个通用API (application

programming interface 应用编程界面)驱动，API对该驱动程序的结构，函数和参数名称都进行了标准化。

ST公司2007年10月发布了V1.0版本的固件库，MDK ARM3.22之前的版本均支持该库。2008年6月发布了V2.0版的固件库，从2008年9月推出的MDK ARM3.23版本至今均使用V2.0版本的固件库。V3.0以后的版本相对之前的版本改动较大，本书使用目前较新的V3.4版本。

2.2 Keil

A. 打开Keil MDK4.21的安装包，双击安装程序后，起始页面如下图所示，依次单击

“Next”按钮完成安装；

B. 安装完成后，以管理员身份打开uVision4，点击File ? License Management 打开

License Management窗口，复制右上角的CID；

C. 打开Keillic.exe注册机，在CID窗口里填上复制的CID，点击Generate生成许可

号，复制许可号；

D. 将许可号复制到License Management窗口下部的New License ID Code，点击右侧

的Add LIC，若上方的Product显示RealView MDK-ARM即表示注册成功

到此为止，表示MDK安装并注册完成。

2.3 J-Link

J-link用于开发过程中的调试与仿真，是开发过程中必不可少的器件，使用J-link需要

安装其驱动程序，具体安装步骤如下所示，首先打开光盘下的Keil MDK4.21的安装包，双击安装程序，逐步往下，直至完成。

在完成驱动的安装以后，将J-link的一端接至开发板的JTAG口，另一端接至PC，此时打开PC的设备管理器，如能找到J-link表示正常安装，此时J-link已经安装完成。

在后面的内容中，将详细介绍J-link的使用方法。

2.4 FlashLoader

FlashLoader用于STM32可执行文件的下载，支持ISP的方式，把文件下载到指定的地址。在安装Keil MDK4.21时已经按照了FlashLoader。

三、工程模板构建

UE-STM32F103的所有开发调试都在MDK4.21中完成的，为了后面更好的使用此环境，请熟悉以下MDK的窗口的示意图。

Select Folder for Objects：选择编译之后的目标文件存储在哪个目录里，默认位置为工程文件的目录里。此处选在目标文件存放在uetest/run中。

Name of Executable：生成的目标文件的名字，缺省是工程的名字。

Create Executable：生成OMF以及HEX文件。OMF文件名同工程文件名但没有带扩展名。

Debug Information：用于Debug版本，生成调试信息，否则的话无法进行单步调试。 Create Batch File：生成用于实现整个编译过程的批处理文件，使用这个文件可以脱离IDE对省程序进行编译。

Create Hex File：这个选项默认情况下未被选中，如果要写片做硬件实验就必须选中该项。这一点是初学者易疏忽的，在此特别提醒注意一定要要选中，否则编译之不生成Hex文件。

Big Endian：编码格式，与CPU相关，如果CPU采用的是Big Endian编码则勾选上。 Browse Information：产生用于在源文件快速定位的信息。

Create Library：生成lib库文件，默认不选。 4） C/C++设置

在Define宏中添加宏定义：STM32F10X_HD,USE_STDPERIPH_DRIVER

Include Paths：指定头文件的查找路径，可以添加多个，这里我们将工程文件中的路径全部加入。如下所示：

5） Debug设置

左边是对应uVision4的模拟环境，右边是针对仿真器，这里选择右边的Cortex-M/R J-LINK/J-Trace，同时勾选Run to main，这样在调试的时候，会从main函数开始。

如果已经将J-LINK仿真器连接到你的电脑，点击“Settings”你将进入ARM Target Driver Setup 界面；

J-Link/J-Trace Adapter：

--Serial No：列出了当前连接到主机的所有J-LINK适配器的串号，你可以通过列表选

择要使用的J-LINK适配器。

--J-LINK Version，Device Family以及Firmware Version分别列出了当前选择的J-LINK

适配器的版本，设备家族和固件版本。

-- Port：根据和开发板接口的类型选择端口，有JTAG和SW两种，勾选SWJ表示支持

两种方式。

--Max Clock：指定和开发板的最高通信时钟。

--JTAG Device Chain：显示当前通过适配器连接上的开发板。

--Automatic Detection：自动监测，选择系统将自动检测连接上的开发板，建议使用。 --Manual Configuration：手动配置，通过手动设置ID CODE，Device Name和IR len等

属性来查找设备。 Debug：

--Cache Code：通知调试器已经下载的程序代码不会改变，选中的话uVision将不会从目标系统读取程序代码。

--Cache Memory：决定调试程序期间程序停止运行的时候，是否更新存储器显示。 --Verify Code Download：比较目标存储器和调试器上的应用程序的内容。

--Download to Flash：将代码下载到所有的存储器区域，如果不选中，调试器不会把代码下载到Flash Download Setup中制定的存储器地址范围。 6） Utilities标签页的设置

Configure Flash Menu Command

Use Target Driver for Flash Programming：列表选择和调试接口一致的驱动。点击Settings按钮。出现如下界面：

Download Function：定义了Flash烧写的时候进行的操作。

Erase Full Chip：前面三项要选一，烧写程序之前擦除整个Flash存储器。 Erase Sectors：烧写程序之前擦除程序要使用的扇区。 Do not Erase：不进行擦除操作

Program：使用当前uVision工程的程序烧写ROM。 Verify：验证Flash ROM的内容和当前工程中的程序一致。 Reset and Run：在烧写和验证完成之后复位开发板并且运行程序。

RAM for Algorithm：指定用于烧写程序的RAM区域，通常是微控制器上的一段片上空间。

Start：起始地址。 Size：大小。

此处可以通过点击Add添加，点击Add你将看到如下的选择列表，可以根据你选用的芯片选择合适的，也可以自己手动添加。

到此为止工程设置就结束了，接下来需要对工程进行编译。 单击编译所有文件的按钮，完成对软件工程的编译。

编译单个文件编译修改文件编译所有文件编译完成

3.3调试程序

编译通过只是说明我们的代码没有语法错误，至于源程序中存在的其他错误，必须通过调试才能发现并解决，事实上，除了极简单的程序以外，绝大部分的程序都要通过反复调试才能得到正确的结果，因此，调试是软件开发接下来我们需要运行我们的程序来验证是否达

点击NEXT，开始ISP下载程序。下载结束后点击Finish完成下载

断电并拔下BOOT0的短接帽。重新上电即可运行下载的程序。

3.4.2 J-link下载说明

安装JLink ARM_V400a程序将JLINK的连接线的凸起对准盘古UE-STM32F103开发板上的JTAG插座（1XS11）的凹进部分插好，运行安装好的“J-Flash ARM V4.00a”

点击“OPTIONS”下的“Project settings”

点击CPU，如图选择芯片型号，然后点击确定返回到主菜单环境：

点击File下的Open菜单键，选择需要烧写的合适的文件路径后，如图

点击Target下的Connect,如果JLINK与开发板连接正确，在底部的窗口将会显示Connected successfully；

点击Target下的Erase Chip,删除芯片的程序空间，成功后将提示相关信息；

点击Target下的Auto,自动将需要烧写的程序写入到芯片内，成功后将提示相关信息。中间如有提示信心，直接选择是。

断电并拔下JLINK连接线。重新上电即可运行下载的程序。

四、GPIO控制实验 一、实验目的

实现开发板上的LED等按照一定规律“亮、灭”，掌握STM32基本GPIO口的使用。

二、硬件原理

实现跑马灯仅需要对STM32的GPIO进行配置与读写。GPIO是STM32最常用的设备

之一，STM32可以提供多达80个双向GPIO口，它们分别分布在A~E等5个端口中。每个端口有16个引脚，每个引脚可以承受最大为5V的压降。

STM32的每个I/O端口都由7个寄存器控制，分别是： 2个32位端口配置寄存器GPIOx_CRL和GPIOx_CRH；2个32位的数据寄存器GPIOx_IDR和GPIOx_ODR；1个32位的置位/复位寄存器GPIOx_BSRR；1个16位的复位寄存器GPIOx_BRR；1个32位的锁存寄存器GPIOx_LCKR。

1） 端口配置寄存器

STM32端口由端口配置寄存器进行配置，由于每个端口有16个I/O口（即引脚），而每个I/O口需要4位配置，因此每个端口需要64位配置，这也是每个端口有2个32位端口配置寄存器的原因。如A端口配置寄存器GPIOA_CRL与GPIOA_CRH，其中GPIOA_CRL配置低8位I/O口，GPIOA_CRH配置高8位I/O口，图中是GPIO_CRL寄存器。

31 30CNF7[1:0]rw rw15 14CNF3[1:0]rw rw29 28MODE7[1:0]rw rw13 12MODE3[1:0]rw rw27 26CNF6[1:0]rw rw11 10CNF2[1:0]rw rw25 24MODE6[1:0]rw rw 9 8MODE2[1:0]rw rw23 22CNF5[1:0]rw rw 7 6CNF1[1:0]rw rw21 20MODE5[1:0]rw rw5 4MODE1[1:0]rw rw19 18CNF4[1:0]rw rw 3 2CNF0[1:0]rw rw17 16MODE4[1:0]rw rw1 0MODE0[1:0]rw rw

每个I/O口可以由软件配置成8种模式：输入浮空、输入上拉、输入下拉、模拟输入、开漏输出、推挽输出、推挽式复用功能、开漏复用功能，以后根据不同的功能配置不同的模式。

表3.1 STM32的I/O口位配置表

配置模式 通用输出 复用功能输出 推挽式(Push-Pull) 开漏(Open-Drain) 推挽式(Push-Pull) 开漏(Open-Drain) 模拟输入 输入 输入浮空 输入下拉 输入上拉

表3.2 STM32输出模式配置表 MODE[1：0] 含义 CNF1 CNF0 0 0 1 0 1 0 1 0 00 MODE[1：0] 01 10 11 参见表 PxODR寄存器 0或1 0或1 任意 任意 任意 任意 0 1 1 0 1 00 01 10 11

保留 最大输出速率10MHz 最大输出速率2MHz 最大输出速率50MHz 在固件库开发中，操作寄存器CRH和CRL来配置I/O口的模式和速度是通过GPIO初

始化函数完成：

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);

这个函数有两个参数，第一个参数用来指定GPIO，取值范围GPIOA~GPIOG。第二个

参数为初始化参数结构体指针，结构体类型为GPIO_InitTypeDef，在此可以详细了解该结构体定义，该定义在stm32f10x_gpio.h中。

typedef struct {

uint16_t GPIO_Pin;

GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed; GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode; } GPIO_InitTypeDef; 配置GPIO的代码如下：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;

// 配置端口中引脚5

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 速度50MHz GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStrucure);

上述代码设置GPIOB的第5个端口为推挽输出模式，同时速度为50Mbit/s。 首

先

GPIOB是端口GPIOB的配置寄存器编址，该编址可以在 中查到。结构体GPIO_InitStructure的第一个成员变量GPIO_Pin实际指出了需要配置的引脚在GPIOB配置寄存器中的偏移量。成员变量GPIO_Mode用来设置引脚的输入输出模式，这是通过一个枚举类型定义：

typedef enum {

GPIO_Mode_AIN = 0x0;

GPIO_Mode_FLOATING = 0 }

2） 数据输入/输出寄存器

31 3029 2827 2625 2423 2221 2019 1817 16保留15 1413 1211 10 9 8IDR9IDR8 7 6IDR7IDR65 4IDR5IDR4 3 2IDR3IDR21 0IDR1IDR0IDR15IDR14IDR13IDR12IDR11IDR10r rr r位31:16位15:0r rr rr rr rr rr r保留，始终读为0IDRy[15:0]:端口输入数据（y=0...15）(Port Input Data)这些位为只读并能以字（16位）的形式读出，读出的值为对应I/O口的状态

17 16图3.2 GPIO_IDR寄存器

31 3029 2827 2625 2423 2221 2019 18保留15 14ODR15ODR1413 12ODR13ODR1211 10ODR11ODR10 9 8 7 65 4 3 21 0ODR9ODR8ODR7ODR6ODR5ODR4ODR3ODR2ODR1ODR0r rr rr rr rr rr rr r位31:16位15:0r r保留，始终读为0ODRy[15:0]:端口输入数据（y=0...15）(Port Input Data)这些位为可读并只能以字（16位）的形式操作。

图3.3 GPIO_ODR寄存器

GPIOx_IDR是端口的输入数据寄存器，GPIOx_ODR是端口的输出寄存器。当配置引脚的输入输出模式是通过GPIOx_CRL和GPIOx_CRH两个寄存器来配置的，但是每个端口的16个引脚它们有的可能是输出模式，有的是输入模式，甚至一会输出一会输入，而GPIOx_IDR和GPIOx_ODR两个寄存器是以word模式访问而不能以bit模式访问，GPIOx_IDR只能读，而GPIOx_ODR可以读写。因此，如果输入输出公用一个寄存器，将不知道读出的数据到底应该是输入还是输出。

如果是模拟输入或者浮空输入模式，那么与GPIOx_ODR无关，如果配置成下拉输入模式，则应将GPIOx_ODR各位都设置0，如果是上拉输入模式，则GPIOx_ODR各位设置成1。在开漏输出模式下，通过读GPIOx_IDR来获取IO状态。

3）置位/复位寄存器

31 30BR15BR1429 28BR13BR1227 26BR11BR1025 24BR9BR823 22BR7BR621 20BR5BR419 18BR3BR217 16BR1BR0w w15 14BS15BS14w w13 12BS13BS12w w11 10BS11BS10w w 9 8BS9BS8w w 7 6BS7BS6w w5 4BS5BS4w w 3 2BS3BS2w w1 0BS1BS0w ww ww ww ww ww ww ww w位31:16Bry:清除端口x的 位y（y=0...15）（Port x Reset bit y） 这些位只能写入并只能以字（16位）的形式操作0：对对应的ODRy位不产生影响1：清除对应的ODRy为为0Bry:清除端口x的 位y（y=0...15）（Port x Set bit y） 这些位只能写入并只能以字（16位）的形式操作0：对对应的ODRy位不产生影响1：清除对应的ODRy为为1位15:0

图3.4 GPIO_ODR寄存器

GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR寄存器，通过这两个寄存器可以直接对对应的GPIOx端口置'1'或置'0'。GPIOx_BSRR的高16位中每一位对应端口x的每个位，对高16位中的某位置'1'则端口x的对应位被清'0'；寄存器中的位置'0'，则对它对应的位不起作用。GPIOx_BSRR的低16位中每一位也对应端口x的每个位，对低16位中的某位置'1'则它对应的端口位被置'1'；寄存器中的位置'0'，则对它对应的端口不起作用。

简单地说GPIOx_BSRR的高16位称作清除寄存器，而GPIOx_BSRR的低16位称作设置寄存器。另一个寄存器GPIOx_BRR只有低16位有效，与GPIOx_BSRR的高16位具有相同功能。

使用BRR和BSRR寄存器可以方便地快速地实现对端口某些特定位的操作，而不影响其它位的状态。

比如希望快速地对GPIOE的位7进行翻转，则可以： GPIOE->BSRR = 0x80; GPIOE->BRR = 0x80;

// 置'1' // 置'0'

如果使用常规'读-改-写'的方法： GPIOE->ODR = GPIOE->ODR | 0x80;

// 置'1' // 置'0'

GPIOE->ODR = GPIOE->ODR & 0xFF7F;

BSRR的高16位并不是多余，假如在一个操作中对GPIOE的位7置'1'，位6置'0'，则使用BSRR非常方便：

GPIOE->BSRR = 0x400080;

如果没有BSRR的高16位，则要分2次操作，结果造成位7和位6的变化不同步！ GPIOE->BSRR = 0x80; GPIOE->BRR = 0x40;

三、固件库函数

1）初始化函数

在固件库开发中，操作寄存器CRH和CRL来配置I/O口的模式和速度是通过GPIO初始化函数完成：

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);

这个函数有两个参数，第一个参数用来指定GPIO，取值范围GPIOA~GPIOG。第二个参数为初始化参数结构体指针，结构体类型为GPIO_InitTypeDef，在此可以详细了解该结构体定义，该定义在stm32f10x_gpio.h中。

typedef struct {

uint16_t GPIO_Pin;

GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed; GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode; } GPIO_InitTypeDef； 配置GPIO的代码如下：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;

// 配置端口中引脚5

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 速度50MHz GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStrucure);

上述代码设置GPIOB的第5个端口为推挽输出模式，同时速度为50Mbit/s。 首

先

GPIOB是端口GPIOB的配置寄存器编址，该编址可以在 中查到。结构体GPIO_InitStructure的第一个成员变量GPIO_Pin实际指出了需要配置的引脚在GPIOB配置寄存器中的偏移量。成员变量GPIO_Mode用来设置引脚的输入输出模式，这是通过一个枚举类型定义：

typedef enum {

GPIO_Mode_AIN = 0x0,

GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, GPIO_Mode_IPD = 0x28, GPIO_Mode_IPU = 0x48, GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, GPIO_Mode_AF_PP = 0x18

} GPIOMode_TypeDef；

2）数据输入/输出函数

A.. uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)； 返回输入端口某个引脚的状态.GPIOx: x (A~G). GPIO_Pin: 端口的哪个bit位需要读取 （0~15）.

如GPIO_ReadInputDataBit（GPIOA,GPIO_Pin_0）; 读A0的状态，返回值可能0 或 1 B.

uint16_t

GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef*

GPIOx);

如GPIO_ReadInputData（GPIOA）; 返回A0~A15的状态 其中 typedef struct {

__IO uint32_t CRL; __IO uint32_t CRH; __IO uint32_t IDR; __IO uint32_t ODR; __IO uint32_t BSRR; __IO uint32_t BRR; __IO uint32_t LCKR; } GPIO_TypeDef;

C. uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin); 读GPIO某一位的输出

D. uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx); //读GPIO的输出

3）位设置函数

将GPIO的某个位置位

A. void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin); 将GPIO的某个位复位

B. void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

四、实验设计

本实验是STM32开发最基础的实验，如图3.4所示，3个LED灯分别接GPIOD的引脚PD5、PD6、PD7，实现LED灯的闪烁功能。

图3.4 LED灯硬件连接图

完成上述功能的步骤为：

（1）使能I/O口时钟，调用函数为RCC_APB2PeriphClockCmd( )； （2）初始化I/O参数，调用函数GPIO_Init( )；

（3）操作I/O，调用函数GPIO_SetBits( )和GPIO_ResetBits。

五、例程

/*

********************************************************************** * 文件：main.c

* 编辑：武汉理工大学计算机学院 * 日期：2013/12/04 * 修改： * 版本：V1.0

* 描述：UE-STM32F103开发板板载了3个LED，分别为LED1、LED和LED3 本实验将通过教你如何控制STM32的IO口配置实现这三个灯的交替闪烁 ********************************************************************** */

#include \

/*宏定义*/

#define LED_PORT GPIOD #define LED1 GPIO_Pin_5 #define LED2 GPIO_Pin_6 #define LED3 GPIO_Pin_7 /*函数声明*/

void LED_Init(void);

void delayms(int loop_times); /*

****************************************************************** * 函 数：main * 入口参数：无

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4li6.html