【STM32F103筆記】2、單片機中的HelloWorld——流水燈

原創 Keep_moving_tzw 2020-02-22 21:47

單片機作爲一種微控制器，最基本的用途便是通過其引腳與外界進行交互，而在單片機編程界，有這麼一個程序，堪稱單片機中的HelloWorld，不僅可以熟悉單片機的引腳控制，更能對單片機的時鐘進行深入瞭解，那就是幾乎所有單片機教程中都會提到的——流水燈。

在上一篇中我們已經搭建好了STM32開發環境，點亮了第一個LED燈，這一篇將從電路原理分析開始，對流水燈的控制原理，電路參數設計，STM32F103引腳與時鐘的設置進行介紹。

流水燈電路設計

顧名思義，流水燈就是像水流一樣，依次點亮的一組燈。設計流水燈爲間隔固定的時間每次點亮一個LED，因此在點亮下一個LED的同時，要關閉上一個LED，並且進行計時，以循環下去。

在上一篇中我們用單片機的GPIOB8引腳點亮了最小系統板上自帶的一個LED，根據其電路原理圖，可以設計流水燈的電路原理。

電路原理圖

根據最小系統板的引腳分佈，選擇GPIOA2~GPIOA7、GPIOB8、GPIOB9共8個引腳來控制流水燈（這8個引腳在筆者的系統板同一側且相鄰，用杜邦線連接整齊點o(￣︶￣)o），電路原理圖和實物圖如下：
在這裏插入圖片描述

電路參數設計分析

這裏實物是自己焊的小板子，用的1KΩ\Omega的排阻作爲限流電阻，選的白髮綠LED：
驅動電壓 2.8~3.3V
電流 5~18mA
導通壓降 1.2~2V

查閱STM32F103C8T6手冊，引腳電壓電流範圍：
在這裏插入圖片描述
VIN表示引腳輸入電平的範圍，有5V電平耐受能力的引腳可以達5.5V，這裏PA2~PA7（PA-GPIOA）不具有5V電平耐受能力（也在手冊中能找到，引腳定義表裏標記FT即能耐受5V電平）。
IIO表示引腳輸入輸出電流的範圍，均爲25mA。

（下面這一段其實可以略過不看）
當Vcc使用3.3V供電時，選用限流電阻爲1KΩ\Omega計算極端情況下：
LED導通壓降VD=1.2V：I=(Vcc−VD)/R=2.1mAI=(V_{cc}-V_D)/R=2.1mA，引腳端電壓爲2.1V
LED導通壓降VD=2.0V：I=(Vcc−VD)/R=1.3mAI=(V_{cc}-V_D)/R=1.3mA，引腳端電壓爲1.3V
當Vcc使用5.0V供電時，選用限流電阻爲1KΩ\Omega計算極端情況下：
LED導通壓降VD=1.2V：I=(Vcc−VD)/R=3.8mAI=(V_{cc}-V_D)/R=3.8mA，引腳端電壓爲3.8V
LED導通壓降VD=2.0V：I=(Vcc−VD)/R=3.0mAI=(V_{cc}-V_D)/R=3.0mA，引腳端電壓爲3.0V
由於STM32F103C8T6的引腳GPIOA2~ GPIOA7不能能耐受5V電平的引腳，因此，輸入電壓上限是VDD+0.3V=3.6V，爲了保險起見，選取3.3V供電，雖然LED工作電流有點小，但是能亮就行了不是。（當然，選取5V供電其實問題不大，但是實際工業應用中應該避免器件超出規定的使用條件，當然也不能讓器件在不滿足工作條件的情況下使用，比如上述的LED電流，其實是筆者沒有找到其他合適阻值的限流電阻了Orz，也就是說，應該設計好電路參數再選擇器件）。

因此，通過上述分析，選取3.3V電壓作爲流水燈的供電電壓，至於LED的工作電流過小，其實問題不大，我們這裏要求的是LED能亮就可以，對亮度木有要求。

時鐘及GPIO分析

控制流水燈正常運行，需要對8個LED的控制引腳進行設置，並按固定時間對其輸出進行控制。由於時鐘是單片機運行的基礎，首先對時鐘進行分析。

STM32F103時鐘分析

首先在STM32手冊中找到時鐘樹，如下圖，沿圖中紅色直線從左至右看：
在這裏插入圖片描述
OSC_OUT和OSC_IN就是STM32的外部時鐘輸入，範圍是4-16MHz，這裏最小系統板用的是8MHz的晶振，下面的OSC32_OUT和OSC32_IN適用於32KHz的時鐘輸入，暫時不用考慮；

然後遇到分頻器PLLXTPRE（HSE divider for PLL entry），可以對輸入的時鐘進行2分頻（即頻率除以2）或不分頻；

然後進入PLLSRC（PLL entry clock source），這個是選擇時鐘來源
爲HSI（內部高速時鐘High Speed Internal clock）或者HSE（High Speed External clock）；

然後進入倍頻器PLLMUL（PLL multiplication factor），對時鐘頻率進行倍頻（乘上一個因數）；

然後進入SW（System clock switch），可以選擇系統時鐘來源；

然後進入預分頻器AHB Prescaler（Advanced High performance Bus，即高級高性能總線時鐘的預分頻器）；從AHB預分頻器出來的時鐘信號再分給其他外設；

比如進入APB1 Prescaler（Advanced Peripheral Bus，即高級外設總線時鐘的預分頻器），可以提供給掛載在APB1總線上的外設；進入APB2 Prescaler可以提供給掛載在APB2總線上的外設。

上述提到的PLLXTPRE、PLLSRC、PLLMUL、SW、AHB Prescaler、APB1 Prescaler、APB2 Prescaler等相關器件都有相應的寄存器進行控制，感興趣的朋友可以在STM32手冊中找到相關寄存器的說明，這裏就略過啦啦啦(～￣▽￣)～。

GPIO分析

GPIO即General-purpose IOs，通用輸入輸出引腳。STM32F103C8T6共有48個引腳，其中一部分是電源、時鐘輸入、啓動方式、復位等特殊功能的引腳，剩下的引腳又可分爲通用輸入輸出引腳GPIOs和複用功能輸入輸出引腳AFIOs，這些引腳都可以：
通過Port configuration register（端口配置寄存器）進行功能配置；
通過Port input data register（端口輸入數據寄存器），讀取各個引腳輸入數據（高低電平）；
通過Port output data register（端口輸出數據寄存器），向外部輸出數據（高低電平）；
通過Port bit set/reset register（端口位設置/清除寄存器），對端口的某個數據位（相當於某一引腳）進行清0或置1；
通過Port bit reset register（端口位清除寄存器），對端口的某個數據位進行清0。

當然，上面所有的寄存器都可以通過調用庫函數來進行設置，實現GPIO的控制功能。

再看到下面STM32手冊中的系統結構圖，在右下部分可以看到所有GPIO都掛載在APB2總線上，因此在使用GPIO時，需要先初始化APB2總線也就是初始化APB2總線的時鐘，當然，這也是調用庫函數就可以實現的：
在這裏插入圖片描述

程序設計

新建一個LED流水燈文件夾，並複製一份工程模板到文件夾下，打開工程文件，進入Keil uVision5。
在這裏插入圖片描述

時鐘設置分析

首先對啓動文件startup_stm32f10x_hd.s中關於系統時鐘設置的相關內容進行分析。打開startup_stm32f10x_hd.s文件：

第1-33行：文件說明註釋；
第35-145行：堆棧以及中斷向量地址的設置；

從147行爲復位中斷向量標號，即可以認爲STM32在上電或復位後跳轉到標號位置運行：

; 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：輸出Reset_Handler標號，這樣其它文件也可以使用這個標號來進行跳轉；
149行：導入__main標號，可以認爲是導入main函數所在地址的標號；
150行：導入SystemInit標號；
151-152行：設置寄存器R0的值爲SystemInit標號代表的地址，然後跳轉到這個地址運行，即調用SystemInit函數；
153行開始運行main函數。
對startup_stm32f10x_hd.s文件的分析可以參考：專家揭祕：STM32啓動過程全解

通過分析，在上電或者復位後，首先調用SystemInit函數，然後再進入main函數繼續運行，因此先分析SystemInit函數，在SystemInit標號上右鍵->Go To Definition of ‘SystemInit’，進入SystemInit函數（位於system_stm32f10x.c文件中）。
在這裏插入圖片描述
在SystemInit函數中，有詳細的註釋，簡略說明：
第214-258行：將所有與時鐘相關的寄存器復位爲默認值；
第262行調用SetSysClock()函數，對系統時鐘進行設置，同樣右鍵->Go To Definition of ‘SetSysClock’，跳轉到SetSYSClock函數。

/**
  * @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) */ 
}

從函數內容可以知道，這個函數根據宏定義，再調用具體的函數對系統時鐘進行設置；而在system_stm32f10x.c文件的115行，有SYSCLK_FREQ_72MHz定義（在106行的if判斷裏，STM32F10X_LD_VL、STM32F10X_MD_VL、STM32F10X_HD_VL均未定義，故進入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

綜合上述分析，在系統上電或復位後，進入復位中斷向量地址，調用SystemInit()函數->調用SetSysClock()函數->調用SetSysClockTo72()函數。

在SetSysClockTo72()函數中將系統時鐘設置爲72MHz，即SYSCLK時鐘頻率爲72MHz，並設置AHB、APB1、APB2分頻分別爲1、2、1，即：
系統時鐘SYSCLK頻率爲72MHz；
AHB總線時鐘HCLK頻率爲72MHz；
APB1總線時鐘PCLK1頻率爲36MHz；
APB2總線時鐘PCLK2頻率爲72MHZ。

（APB1分頻係數設爲2是因爲PCLK1時鐘頻率不能大於36MHz）

程序

首先理清程序思路，開發庫的啓動文件已經完成了系統時鐘的設置，但外設時鐘還未開啓，因此程序流程如下：

  • 開啓外設時鐘（GPIOA、GPIOB都掛載在APB2上）；
  • 對GPIOA、GPIOB相關引腳進行配置（設置爲輸出方式、輸出速度）
  • 按照流水燈模式，依次開啓LED（引腳清0，輸出低電平）並關閉上一個LED（引腳置1，輸出高電平），並延時一定時間。
開啓外設時鐘

開啓APB2總線上的外設時鐘，需要調用RCC_APB2PeriphClockCmd()函數，具體說明可以在庫函數手冊中查找到：
在這裏插入圖片描述
開啓GPIOA、GPIOB的時鐘：

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

對GPIO引腳進行設置，庫提供了GPIO初始化結構體GPIO_InitTypeDef：
在這裏插入圖片描述
共有三個參數：

  • GPIO_Mode用於指定引腳輸入輸出方式，對應STM32手冊中：
    在這裏插入圖片描述
  • GPIO_Pin用於指定引腳編號，如GPIO_Pin_8，表示GPIOx的第8引腳；
  • GPIO_Speed用於指定引腳輸出速率，共有三擋，10、2、50MHz：
    在這裏插入圖片描述

設置好初始化結構體數據後，調用GPIO_Init()函數對GPIOx進行初始化：
在這裏插入圖片描述
並調用GPIO_SetBits()函數將引腳置1，輸出高電平，使LED在開始時處於關閉狀態；而調用GPIO_ResetBits()函數可以將引腳清0，輸出低電平，點亮LED。
具體函數用法請自行查詢庫函數手冊。

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);
延時函數

在這裏使用粗略的延時函數，所謂延時，即什麼也不做，讓處理器進行等待，對應的操作稱爲nop，表示等待一個機器週期：

__nop();

通過對STM32系統時鐘初始化的分析可知，系統時鐘SYSCLK初始化爲f=72MHzf=72MHz，即一個機器週期時間爲
T=1f=172μs T=\frac{1}{f}=\frac{1}{72}\mu s
因此，若執行72個__nop()函數，則可以延時1μs\mu s，但考慮到函數調用與返回需要兩個機器週期，因此設計執行70個__nop()函數，延時函數如下：

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();
}

（不用數了，就是70個__nop()，其實以後可以利用SysTick寄存器進行精確延時計算）
粗略延時函數：

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

/**
  * @brief  粗略延時t ms
  * @param  t
  * @retval None
  */
void delay_m(int t)
{
	while(t--)
		delay_u(1000);
}
流水燈控制

部分程序如下，思路就是關閉前一個LED然後點亮下一個LED，並延時一段時間：

		...
		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初始化結構體
	GPIO_InitTypeDef GPIOInitStruct;
	
	// 開啓GPIOA、GPIOB外設時鐘
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	
	// 設置GPIOA初始化結構體
	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並將引腳置1
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIOInitStruct);	
	GPIO_SetBits(GPIOA, GPIOInitStruct.GPIO_Pin);
	
	// 設置GPIOB初始化結構體
	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並將引腳置1
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIOInitStruct);
	GPIO_SetBits(GPIOB, GPIOInitStruct.GPIO_Pin);
}

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

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

運行結果

同樣通過mcuisp軟件利用串口下載編譯好的.hex程序文件，可以看到8個LED燈依次循環點亮：
在這裏插入圖片描述

完結撒花✿✿ヽ(°▽°)ノ✿

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