【STM32F103笔记】2、单片机中的HelloWorld——流水灯

单片机作为一种微控制器，最基本的用途便是通过其引脚与外界进行交互，而在单片机编程界，有这么一个程序，堪称单片机中的HelloWorld，不仅可以熟悉单片机的引脚控制，更能对单片机的时钟进行深入了解，那就是几乎所有单片机教程中都会提到的——流水灯。

在上一篇中我们已经搭建好了STM32开发环境，点亮了第一个LED灯，这一篇将从电路原理分析开始，对流水灯的控制原理，电路参数设计，STM32F103引脚与时钟的设置进行介绍。

流水灯电路设计

顾名思义，流水灯就是像水流一样，依次点亮的一组灯。设计流水灯为间隔固定的时间每次点亮一个LED，因此在点亮下一个LED的同时，要关闭上一个LED，并且进行计时，以循环下去。

在上一篇中我们用单片机的GPIOB8引脚点亮了最小系统板上自带的一个LED，根据其电路原理图，可以设计流水灯的电路原理。

电路原理图

根据最小系统板的引脚分布，选择GPIOA2~GPIOA7、GPIOB8、GPIOB9共8个引脚来控制流水灯（这8个引脚在笔者的系统板同一侧且相邻，用杜邦线连接整齐点o(￣︶￣)o），电路原理图和实物图如下：

电路参数设计分析

这里实物是自己焊的小板子，用的1K$\Omega$的排阻作为限流电阻，选的白发绿LED：

驱动电压	2.8~3.3V
电流	5~18mA
导通压降	1.2~2V

查阅STM32F103C8T6手册，引脚电压电流范围：

V_IN表示引脚输入电平的范围，有5V电平耐受能力的引脚可以达5.5V，这里PA2~PA7（PA-GPIOA）不具有5V电平耐受能力（也在手册中能找到，引脚定义表里标记FT即能耐受5V电平）。
I_IO表示引脚输入输出电流的范围，均为25mA。

（下面这一段其实可以略过不看）
当V_cc使用3.3V供电时，选用限流电阻为1K$\Omega$计算极端情况下：
LED导通压降V_D=1.2V：$I=(V_{cc}-V_D)/R=2.1mA$，引脚端电压为2.1V
LED导通压降V_D=2.0V：$I=(V_{cc}-V_D)/R=1.3mA$，引脚端电压为1.3V
当V_cc使用5.0V供电时，选用限流电阻为1K$\Omega$计算极端情况下：
LED导通压降V_D=1.2V：$I=(V_{cc}-V_D)/R=3.8mA$，引脚端电压为3.8V
LED导通压降V_D=2.0V：$I=(V_{cc}-V_D)/R=3.0mA$，引脚端电压为3.0V
由于STM32F103C8T6的引脚GPIOA2~ GPIOA7不能能耐受5V电平的引脚，因此，输入电压上限是V_DD+0.3V=3.6V，为了保险起见，选取3.3V供电，虽然LED工作电流有点小，但是能亮就行了不是。（当然，选取5V供电其实问题不大，但是实际工业应用中应该避免器件超出规定的使用条件，当然也不能让器件在不满足工作条件的情况下使用，比如上述的LED电流，其实是笔者没有找到其他合适阻值的限流电阻了Orz，也就是说，应该设计好电路参数再选择器件）。

因此，通过上述分析，选取3.3V电压作为流水灯的供电电压，至于LED的工作电流过小，其实问题不大，我们这里要求的是LED能亮就可以，对亮度木有要求。

时钟及GPIO分析

控制流水灯正常运行，需要对8个LED的控制引脚进行设置，并按固定时间对其输出进行控制。由于时钟是单片机运行的基础，首先对时钟进行分析。

STM32F103时钟分析

首先在STM32手册中找到时钟树，如下图，沿图中红色直线从左至右看：

OSC_OUT和OSC_IN就是STM32的外部时钟输入，范围是4-16MHz，这里最小系统板用的是8MHz的晶振，下面的OSC32_OUT和OSC32_IN适用于32KHz的时钟输入，暂时不用考虑；

然后遇到分频器PLLXTPRE（HSE divider for PLL entry），可以对输入的时钟进行2分频（即频率除以2）或不分频；

然后进入PLLSRC（PLL entry clock source），这个是选择时钟来源
为HSI（内部高速时钟High Speed Internal clock）或者HSE（High Speed External clock）；

然后进入倍频器PLLMUL（PLL multiplication factor），对时钟频率进行倍频（乘上一个因数）；

然后进入SW（System clock switch），可以选择系统时钟来源；

然后进入预分频器AHB Prescaler（Advanced High performance Bus，即高级高性能总线时钟的预分频器）；从AHB预分频器出来的时钟信号再分给其他外设；

比如进入APB1 Prescaler（Advanced Peripheral Bus，即高级外设总线时钟的预分频器），可以提供给挂载在APB1总线上的外设；进入APB2 Prescaler可以提供给挂载在APB2总线上的外设。

上述提到的PLLXTPRE、PLLSRC、PLLMUL、SW、AHB Prescaler、APB1 Prescaler、APB2 Prescaler等相关器件都有相应的寄存器进行控制，感兴趣的朋友可以在STM32手册中找到相关寄存器的说明，这里就略过啦啦啦(～￣▽￣)～。

GPIO分析

GPIO即General-purpose IOs，通用输入输出引脚。STM32F103C8T6共有48个引脚，其中一部分是电源、时钟输入、启动方式、复位等特殊功能的引脚，剩下的引脚又可分为通用输入输出引脚GPIOs和复用功能输入输出引脚AFIOs，这些引脚都可以：
通过Port configuration register（端口配置寄存器）进行功能配置；
通过Port input data register（端口输入数据寄存器），读取各个引脚输入数据（高低电平）；
通过Port output data register（端口输出数据寄存器），向外部输出数据（高低电平）；
通过Port bit set/reset register（端口位设置/清除寄存器），对端口的某个数据位（相当于某一引脚）进行清0或置1；
通过Port bit reset register（端口位清除寄存器），对端口的某个数据位进行清0。

当然，上面所有的寄存器都可以通过调用库函数来进行设置，实现GPIO的控制功能。

再看到下面STM32手册中的系统结构图，在右下部分可以看到所有GPIO都挂载在APB2总线上，因此在使用GPIO时，需要先初始化APB2总线也就是初始化APB2总线的时钟，当然，这也是调用库函数就可以实现的：

程序设计

新建一个LED流水灯文件夹，并复制一份工程模板到文件夹下，打开工程文件，进入Keil uVision5。

时钟设置分析

首先对启动文件startup_stm32f10x_hd.s中关于系统时钟设置的相关内容进行分析。打开startup_stm32f10x_hd.s文件：

第1-33行：文件说明注释；
第35-145行：堆栈以及中断向量地址的设置；

从147行为复位中断向量标号，即可以认为STM32在上电或复位后跳转到标号位置运行：

; Reset handler
Reset_Handler   PROC
                EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
                IMPORT  __main
                IMPORT  SystemInit
                LDR     R0, =SystemInit
                BLX     R0               
                LDR     R0, =__main
                BX      R0
                ENDP

148行：输出Reset_Handler标号，这样其它文件也可以使用这个标号来进行跳转；
149行：导入__main标号，可以认为是导入main函数所在地址的标号；
150行：导入SystemInit标号；
151-152行：设置寄存器R0的值为SystemInit标号代表的地址，然后跳转到这个地址运行，即调用SystemInit函数；
153行开始运行main函数。
对startup_stm32f10x_hd.s文件的分析可以参考：专家揭秘：STM32启动过程全解

通过分析，在上电或者复位后，首先调用SystemInit函数，然后再进入main函数继续运行，因此先分析SystemInit函数，在SystemInit标号上右键->Go To Definition of ‘SystemInit’，进入SystemInit函数（位于system_stm32f10x.c文件中）。

在SystemInit函数中，有详细的注释，简略说明：
第214-258行：将所有与时钟相关的寄存器复位为默认值；
第262行调用SetSysClock()函数，对系统时钟进行设置，同样右键->Go To Definition of ‘SetSysClock’，跳转到SetSYSClock函数。

/**
  * @brief  Configures the System clock frequency, HCLK, PCLK2 and PCLK1 prescalers.
  * @param  None
  * @retval None
  */
static void SetSysClock(void)
{
#ifdef SYSCLK_FREQ_HSE
  SetSysClockToHSE();
#elif defined SYSCLK_FREQ_24MHz
  SetSysClockTo24();
#elif defined SYSCLK_FREQ_36MHz
  SetSysClockTo36();
#elif defined SYSCLK_FREQ_48MHz
  SetSysClockTo48();
#elif defined SYSCLK_FREQ_56MHz
  SetSysClockTo56();  
#elif defined SYSCLK_FREQ_72MHz
  SetSysClockTo72();
#endif
 
 /* If none of the define above is enabled, the HSI is used as System clock
    source (default after reset) */ 
}

从函数内容可以知道，这个函数根据宏定义，再调用具体的函数对系统时钟进行设置；而在system_stm32f10x.c文件的115行，有SYSCLK_FREQ_72MHz定义（在106行的if判断里，STM32F10X_LD_VL、STM32F10X_MD_VL、STM32F10X_HD_VL均未定义，故进入else分支）：

#if defined (STM32F10X_LD_VL) || (defined STM32F10X_MD_VL) || (defined STM32F10X_HD_VL)
/* #define SYSCLK_FREQ_HSE    HSE_VALUE */
 #define SYSCLK_FREQ_24MHz  24000000
#else
/* #define SYSCLK_FREQ_HSE    HSE_VALUE */
/* #define SYSCLK_FREQ_24MHz  24000000 */ 
/* #define SYSCLK_FREQ_36MHz  36000000 */
/* #define SYSCLK_FREQ_48MHz  48000000 */
/* #define SYSCLK_FREQ_56MHz  56000000 */
#define SYSCLK_FREQ_72MHz  72000000
#endif

综合上述分析，在系统上电或复位后，进入复位中断向量地址，调用SystemInit()函数->调用SetSysClock()函数->调用SetSysClockTo72()函数。

在SetSysClockTo72()函数中将系统时钟设置为72MHz，即SYSCLK时钟频率为72MHz，并设置AHB、APB1、APB2分频分别为1、2、1，即：
系统时钟SYSCLK频率为72MHz；
AHB总线时钟HCLK频率为72MHz；
APB1总线时钟PCLK1频率为36MHz；
APB2总线时钟PCLK2频率为72MHZ。

（APB1分频系数设为2是因为PCLK1时钟频率不能大于36MHz）

程序

首先理清程序思路，开发库的启动文件已经完成了系统时钟的设置，但外设时钟还未开启，因此程序流程如下：

• 开启外设时钟（GPIOA、GPIOB都挂载在APB2上）；
• 对GPIOA、GPIOB相关引脚进行配置（设置为输出方式、输出速度）
• 按照流水灯模式，依次开启LED（引脚清0，输出低电平）并关闭上一个LED（引脚置1，输出高电平），并延时一定时间。

开启外设时钟

开启APB2总线上的外设时钟，需要调用RCC_APB2PeriphClockCmd()函数，具体说明可以在库函数手册中查找到：

开启GPIOA、GPIOB的时钟：

RCC_APB2PeriphClockCmd(GPIOA, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(GPIOB, ENABLE);

配置GPIO

对GPIO引脚进行设置，库提供了GPIO初始化结构体GPIO_InitTypeDef：

共有三个参数：

• GPIO_Mode用于指定引脚输入输出方式，对应STM32手册中：
  
• GPIO_Pin用于指定引脚编号，如GPIO_Pin_8，表示GPIOx的第8引脚；
• GPIO_Speed用于指定引脚输出速率，共有三挡，10、2、50MHz：
  

设置好初始化结构体数据后，调用GPIO_Init()函数对GPIOx进行初始化：

并调用GPIO_SetBits()函数将引脚置1，输出高电平，使LED在开始时处于关闭状态；而调用GPIO_ResetBits()函数可以将引脚清0，输出低电平，点亮LED。
具体函数用法请自行查询库函数手册。

配置GPIOA、GPIOB ：

	GPIO_InitTypeDef GPIOInitStruct;
	GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
	GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIOInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIOInitStruct);	
	GPIO_SetBits(GPIOA, GPIOInitStruct.GPIO_Pin);
	
	GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9;
	GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIOInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIOInitStruct);
	GPIO_SetBits(GPIOB, GPIOInitStruct.GPIO_Pin);

延时函数

在这里使用粗略的延时函数，所谓延时，即什么也不做，让处理器进行等待，对应的操作称为nop，表示等待一个机器周期：

__nop();

通过对STM32系统时钟初始化的分析可知，系统时钟SYSCLK初始化为$f=72MHz$，即一个机器周期时间为
$$T=\frac{1}{f}=\frac{1}{72}\mu s$$
因此，若执行72个__nop()函数，则可以延时1$\mu s$，但考虑到函数调用与返回需要两个机器周期，因此设计执行70个__nop()函数，延时函数如下：

static void delay_1us()
{
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
}

（不用数了，就是70个__nop()，其实以后可以利用SysTick寄存器进行精确延时计算）
粗略延时函数：

/**
  * @brief  粗略延时t us
  * @param  t
  * @retval None
  */
void delay_u(int t)
{
	while(t--)
		delay_1us();
}

/**
  * @brief  粗略延时t ms
  * @param  t
  * @retval None
  */
void delay_m(int t)
{
	while(t--)
		delay_u(1000);
}

流水灯控制

部分程序如下，思路就是关闭前一个LED然后点亮下一个LED，并延时一段时间：

		...
		GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_9);
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
		delay_m(200);
		GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_3);
		delay_m(200);
		...

完整程序

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f10x.h"

/* Private functions Declaration ---------------------------------------------*/
void GPIOConfig(void);
void delay_m(int t);
void delay_u(int t);


/**
  * @brief  Main program.
  * @param  None
  * @retval None
  */
int main(void)
{
	GPIOConfig();
	
	while(1)
	{
		GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_9);
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
		delay_m(200);
		GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_3);
		delay_m(200);
		GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_3);
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
		delay_m(200);
		GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
		delay_m(200);
		GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_6);
		delay_m(200);
		GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_6);
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7);
		delay_m(200);
		GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7);
		GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_8);
		delay_m(200);
		GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_8);
		GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_9);
		delay_m(200);
	}
}

/**
  * @brief  初始化GPIO
  * @param  None
  * @retval None
  */
void GPIOConfig(void)
{
	// GPIO初始化结构体
	GPIO_InitTypeDef GPIOInitStruct;
	
	// 开启GPIOA、GPIOB外设时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	
	// 设置GPIOA初始化结构体
	GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
	GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIOInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	// 初始化GPIOA并将引脚置1
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIOInitStruct);	
	GPIO_SetBits(GPIOA, GPIOInitStruct.GPIO_Pin);
	
	// 设置GPIOB初始化结构体
	GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9;
	GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIOInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	// 初始化GPIOB并将引脚置1
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIOInitStruct);
	GPIO_SetBits(GPIOB, GPIOInitStruct.GPIO_Pin);
}

/**
  * @brief  延时1us
  * @param  None
  * @retval None
  */
static void delay_1us()
{
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
}

/**
  * @brief  粗略延时t us
  * @param  t
  * @retval None
  */
void delay_u(int t)
{
	while(t--)
		delay_1us();
}

/**
  * @brief  粗略延时t ms
  * @param  t
  * @retval None
  */
void delay_m(int t)
{
	while(t--)
		delay_u(1000);
}

运行结果

同样通过mcuisp软件利用串口下载编译好的.hex程序文件，可以看到8个LED灯依次循环点亮：

完结撒花✿✿ヽ(°▽°)ノ✿