嵌入式系统基础实验报告

第二篇：创新实验报告

专业综合实验

学院：电气工程及自动化学院

专业：测控技术与仪器     

姓名：赵闯               

学号：1090110304         

一．研究背景

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-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。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16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。

在STM32F105和STM32F107互连型系列微控制器之前，意法半导体已经推出STM32基本型系列、增强型系列、USB基本型系列和增强型系列；新系列产品沿用增强型系列的72MHz处理频率。内存包括64KB到256KB闪存和 20KB到64KB嵌入式SRAM。新系列采用LQFP64、LQFP100和LFBGA100三种封装，不同的封装保持引脚排列一致性，结合STM32平台的设计理念，开发人员通过选择产品可重新优化功能、存储器、性能和引脚数量，以最小的硬件变化来满足个性化的应用需求。

截至20##年7月1日，市面流通的型号有：

基本型：STM32F101R6 STM32F101C8 STM32F101R8 STM32F101V8 STM32F101RB STM32F101VB

增强型：STM32F103C8 STM32F103R8 STM32F103V8 STM32F103RBSTM32F103VB STM32F103VE STM32F103ZE

STM32型号的说明：以STM32F103RBT6这个型号的芯片为例，该型号的组成为7个部分，其命名规则如下：

（1）STM32：STM32代表ARM Cortex-M3内核的32位微控制器。

（2）F：F代表芯片子系列。

（3）103：103代表增强型系列。

（4）R：R这一项代表引脚数，其中T代表36脚，C代表48脚，R代表64脚，V代表100脚，Z代表144脚。

（5）B：B这一项代表内嵌Flash容量，其中6代表32K字节Flash，8代表64K字节Flash，B代表128K字节Flash，C代表256K字节Flash，D代表384K字节Flash，E代表512K字节Flash。

（6）T：T这一项代表封装，其中H代表BGA封装，T代表LQFP封装，U代表VFQFPN封装。

（7）6：6这一项代表工作温度范围，其中6代表-40——85℃，7代表-40——105℃。

二．跑马灯实验

1.STM32 IO简介

STM32的IO口可以由软件配置成8种模式：

1、输入浮空

2、输入上拉

3、输入下拉

4、模拟输入

5、开漏输出

6、推挽输出

7、推挽式复用功能

8、开漏复用功能

每个IO口可以自由编程，单IO口寄存器必须要按32位字被访问。STM32的很多IO口都是5V兼容的，这些IO口在与5V电平的外设连接的时候很有优势，具体哪些IO口是5V兼容的，可以从该芯片的数据手册管脚描述章节查到（I/O Level标FT的就是5V电平兼容的）。

STM32的每个IO端口都有7个寄存器来控制。他们分别是：配置模式的2个32位的端口配置寄存器CRL和CRH；2个32位的数据寄存器IDR和ODR；1个32位的置位/复位寄存器BSRR；一个16位的复位寄存器BRR；1个32位的锁存寄存器LCKR；这里我们仅介绍常用 的几个寄存器，我们常用的IO端口寄存器只有4个：CRL、CRH、IDR、ODR。 CRL和CRH控制着每个IO口的模式及输出速率。

STM32的IO口位配置表如表1所示：

表1 STM32的IO口位配置表

STM32输出模式配置如表2所示：

表2 STM32输出模式配置表

接下来我们看看端口低配置寄存器CRL的描述，如下图所示：

表3 端口低配置寄存器CRL各位描述

该寄存器的复位值为0X4444 4444，从上图可以看到，复位值其实就是配置端口为浮空输入模式。从上图还可以得出：STM32的CRL控制着每个IO端口（A~G）的低8位的模式。每个IO端口的位占用CRL的4个位，高两位为CNF，低两位为MODE。这里我们可以记住几个常用的配置，比如0X0表示模拟输入模式（ADC用）、0X3表示推挽输出模式（做输出口用，50M速率）、0X8表示上/下拉输入模式（做输入口用）、0XB表示复用输出（使用IO口的第二功能，50M速率）。

CRH的作用和CRL完全一样，只是CRL控制的是低8位输出口，而CRH控制的是高8位输出口。这里我们对CRH就不做详细介绍了。

给个实例，比如我们要设置PORTC的11位为上拉输入，12位为推挽输出。代码如下：

GPIOC->CRH&=0XFFF00FFF;//清掉这2个位原来的设置，同时也不影响其他位的设置

GPIOC->CRH|=0X00038000; //PC11输入，PC12输出

GPIOC->ODR=1<<11;//PC11上拉

通过这3句话的配置，我们就设置了PC11为上拉输入，PC12为推挽输出。

IDR是一个端口输入数据寄存器，只用了低16位。该寄存器为只读寄存器，并且只能以16位的形式读出。该寄存器各位的描述如下图所示：

图1 端口输入数据寄存器IDR各位描述

要想知道某个IO口的状态，你只要读这个寄存器，再看某个位的状态就可以了。使用起来是比较简单的。

ODR是一个端口输出数据寄存器，也只用了低16位。该寄存器为可读写，从该寄存器读出来的数据可以用于判断当前IO口的输出状态。而向该寄存器写数据，则可以控制某个IO口的输出电平。该寄存器的各位描述如下图所示：

图2 端口输出数据寄存器ODR各位描述

在此，我们可以总结一下，对于学过AVR的人来说，我们都知道AVR的IO口由3个寄存器控制：DDR、 PORT、PIN。这里我们可以拿STM32的IO控制寄存器和AVR的来个类比：

1.STM32的CRL和CRH就相当于AVR的DDR寄存器，用来控制IO口的方向，只不过STM32的CRL和CRH功能更强大一点罢了。

2.STM32的ODR就相当于AVR的PORT，都是用来控制IO口的输出电平或者上下拉电阻的。

3.STM32的IDR就相当于AVR的PIN，都是用来存储IO口当前的输入状态（高低电平）的。

除此之外，STM32还有BSRR、BRR、LCKR等几个寄存器用于控制IO口，这点是AVR所没有的。

2.硬件设计

该实验的硬件电路在ALIENTEM Mini STM32开发板上默认是已经连接好了的。DS0接 PA8，DS1接PD2。所以在硬件上不需要动任何东西。其连接原理图如下：

图3 LED与STM32连接原理图

3.软件设计

（1）与硬件相关的代码

#include <stm32f10x_lib.h>

#include "led.h"

void LED_Init(void)

{

RCC->APB2ENR|=1<<2; //使能PORTA时钟

RCC->APB2ENR|=1<<5; //使能PORTD时钟

GPIOA->CRH&=0XFFFFFFF0;

GPIOA->CRH|=0X00000003;//PA8 推挽输出

GPIOA->ODR|=1<<8; //PA8 输出高

GPIOD->CRL&=0XFFFFF0FF;

GPIOD->CRL|=0X00000300;//PD.2推挽输出

GPIOD->ODR|=1<<2; //PD.2输出高

}

将这段代码保存在HARDWARE->LED文件夹下面，保存为led.c。

该代码里面就包含了一个函数void LED_Init(void)，该函数的功能就是用来实现配置PA8和PD2为推挽输出。在配置STM32外设的时候，任何时候都要先使能该外设的时钟！APB2ENR是APB2总线上的外设时钟使能寄存器，其各位的描述如下：

图4 寄存器APB2ENR各位描述

我们要使能的PORTA和PORTD的时钟使能位，分别在bit2和bit5，只要将这两位置1就可以使能PORTA和PORTD的时钟了。在设置完时钟之后就是配置完时钟之后，LED_Init配置了PA8和PD2的模式为推挽输出，并且默认输出1。这样就完成了对这两个IO口的初始化。

保存led.c代码，然后我们按同样的方法，新建一个led.h文件，也保存在LED文件夹下面。在led.h中输入如下代码：

#ifndef __LED_H

#define __LED_H

#include "sys.h"

//LED端口定义

#define LED0 PAout(8)// PA8

#define LED1 PDout(2)// PD2

void LED_Init(void);//初始化

#endif

（2）主程序流程图

图5 程序流程图

（3）主程序

#include <stm32f10x_lib.h>

#include "sys.h"

#include "usart.h"

#include "delay.h"

#include "led.h"

int main(void)

{

Stm32_Clock_Init(9); //系统时钟设置

delay_init(72); //延时初始化

LED_Init(); //初始化与LED连接的硬件接口

while(1)

{

LED0=0;

LED1=1;

delay_ms(300);

LED0=1;

LED1=0;

delay_ms(300);

}

}

4.实验现象

开发板上两个LED交替闪烁，形成流水灯现象。

三．串口实验

1.串口介绍

STM32的串口资源相当丰富的，功能也相当强劲。STM32最多可提供5路串口（ALIENTEK Mini STM32使用的是STM32F103RBT6，只有3个串口），有分数波特率发生器、支持同步单线通信和半双工单线通讯、支持LIN、支持调制解调器操作、智能卡协议和IrDA SIR ENDEC规范（仅串口3支持）、具有DMA等。

串口最基本的设置，就是波特率的设置。STM32的串口使用起来还是蛮简单的，只要您开启了串口时钟，并设置相应IO口的模式，然后配置一下波特率，数据位长度，奇偶校验位等信息，就可以使用了。下面，我们就简单介绍下这几个与串口基本配置直接相关的寄存器。

1，串口时钟使能。串口作为STM32的一个外设，其时钟由外设时钟使能寄存器控制，这里我们使用的串口1是在APB2ENR寄存器的第14位。APB2ENR寄存器在之前已经介绍过了，这里不再介绍。只是说明一点，就是除了串口1的时钟使能在APB2ENR寄存器，其他串口的时钟使能位都在APB1ENR寄存器。

2，串口复位。当外设出现异常的时候可以通过复位寄存器里面的对应位设置，实现该外设的复位，然后重新配置这个外设达到让其重新工作的目的。一般在系统刚开始配置外设的时候，都会先执行复位该外设的操作。串口1的复位是通过配置APB2RSTR寄存器的第14位来实现的。APB2RSTR寄存器的各位描述如下图所示：

图6 APB2RSTR寄存器各位描述

串口1的复位设置位在APB2RSTR的第14位。通过向该位写1复位串口1，写0结束复位。其他串口的复位位在APB1RSTR里面。

3，串口波特率设置。每个串口都有一个自己独立的波特率寄存器USART_BRR，通过设置该寄存器就可以达到配置不同波特率的目的。

4，串口控制。STM32的每个串口都有3个控制寄存器USART_CR1~3，串口的很多配置都是通过这3个寄存器来设置的。这里我们只要用到USART_CR1就可以实现我们的功能了，该寄存器的各位描述如下图所示：

图7 USART_CR寄存器各位描述

该寄存器的高18位没有用到，低14位用于串口的功能设置。UE为串口使能位，通过该位置1，以使能串口。M为字长选择位，当该位为0的时候设置串口为8个字长外加n个停止位，停止位的个数（n）是根据USART_CR2的[13:12]位设置来决定的，默认为0。PCE为校验使能位，设置为0，则禁止校验，否则使能校验。PS为校验位选择，设置为0则为偶校验，否则为奇校验。TXIE为发送缓冲区空中断使能位，设置该位为1，当USART_SR中的TXE位为1时，将产生串口中断。TCIE为发送完成中断使能位，设置该位为1，当USART_SR中的TC位为1时，将产生串口中断。RXNEIE为接收缓冲区非空中断使能，设置该位为1，当USART_SR中的ORE或者RXNE位为1时，将产生串口中断。TE为发送使能位，设置为1，将开启串口的发送功能。RE为接收使能位，用法同TE。

5，数据发送与接收。STM32的发送与接收是通过数据寄存器USART_DR来实现的，这是一个双寄存器，包含了TDR和RDR。当向该寄存器写数据的时候，串口就会自动发送，当收到收据的时候，也是存在该寄存器内。该寄存器的各位描述如下图所示：

图8 USART_DR寄存器各位描述

可以看出，虽然是一个32位寄存器，但是只用了低9位（DR[8：0]），其他都是保留。

DR[8：0]为串口数据，包含了发送或接收的数据。由于它是由两个寄存器组成的，一个给发送用(TDR)，一个给接收用(RDR)，该寄存器兼具读和写的功能。TDR寄存器提供了内部总线和输出移位寄存器之间的并行接口。RDR寄存器提供了输入移位寄存器和内部总线之间的并行接口。

当使能校验位(USART_CR1种PCE位被置位)进行发送时，写到MSB的值(根据数据的长度不同，MSB是第7位或者第8位)会被后来的校验位该取代。当使能校验位进行接收时，读到的MSB位是接收到的校验位。

6，串口状态。串口的状态可以通过状态寄存器USART_SR读取。USART_SR的各位描述如下图所示：

图9 USART_SR寄存器各位描述

这里我们关注一下两个位，第5、6位RXNE和TC。

RXNE（读数据寄存器非空），当该位被置1的时候，就是提示已经有数据被接收到了，并且可以读出来了。这时候我们要做的就是尽快去读取USART_DR，通过读USART_DR可以将该位清零，也可以向该位写0，直接清除。

TC（发送完成），当该位被置位的时候，表示USART_DR内的数据已经被发送完成了。如果设置了这个位的中断，则会产生中断。该位也有两种清零方式：1）读USART_SR，写USART_DR。2）直接向该位写0。

通过以上一些寄存器的操作外加一下IO口的配置，我们就可以达到串口最基本的配置了。

2.硬件设计

该实验的硬件配置不同于前两个实验，串口1与USB串口默认是分开的，并没有在PCB上连接在一起，需要通过跳线帽来连接一下。这里我们把P4的RXD和TXD用跳线帽与P3的PA9和PA10连接起来。如下图所示：

图10 硬件连接图

3.软件设计

打开TEST工程，然后在SYSTEM组下双击usart.c，我们就可以看到该文件里面的代码，先介绍uart_init函数，该函数代码如下：

//初始化IO 串口1

//pclk2:PCLK2时钟频率(Mhz)

//bound:波特率

void uart_init(u32 pclk2，u32 bound)

{

float temp;

u16 mantissa;

u16 fraction;

temp=(float)(pclk2*1000000)/(bound*16);//得到USARTDIV

mantissa=temp; //得到整数部分

fraction=(temp-mantissa)*16; //得到小数部分

mantissa<<=4;

mantissa+=fraction;

RCC->APB2ENR|=1<<2; //使能PORTA口时钟

RCC->APB2ENR|=1<<14; //使能串口时钟

GPIOA->CRH=0X444444B4;//IO状态设置

RCC->APB2RSTR|=1<<14; //复位串口1

RCC->APB2RSTR&=~(1<<14);//停止复位

//波特率设置

USART1->BRR=mantissa; // 波特率设置

USART1->CR1|=0X200C; //1位停止，无校验位.

#ifdefEN_USART1_RX //如果使能了接收

//使能接收中断

USART1->CR1|=1<<8; //PE中断使能

USART1->CR1|=1<<5; //接收缓冲区非空中断使能

MY_NVIC_Init(3，3，USART1_IRQChannel，2);//组2，最低优先级

#endif

}

从该代码可以看出，其初始化串口的过程，和我们前面介绍的一致先计算得到USART1->BRR的内容。然后开始初始化串口引脚，接着把USART1复位，然之后设置波特率和奇偶校验等。

这里需要注意一点，因为我们使用到了串口的中断接收，必须在usart.h里面定义 EN_USART1_RX 。该函数才会配置中断使能，以及开启串口1的NVIC中断。这里我们把串口1中断放在组2，优先级设置为组2里面的最低。

再介绍一下串口1的中断服务函数USART1_IRQHandler，该函数的名字不能自己定义了， MDK已经给每个中断都分配了一个固定的函数名，我们直接用就可以了。具体这些函数的名字是什么，我们可以在MDK提供的例子里面，找到stm32f10x_it.c，该文件里面包含了STM32所有的中断服务函数。USART1_IRQHandler的代码如下：

void USART1_IRQHandler(void)

{

u8 res;

if(USART1->SR&(1<<5))//接收到数据

{

res=USART1->DR;

if((USART_RX_STA&0x80)==0)//接收未完成

{

if(USART_RX_STA&0x40)//接收到了0x0d

{

if(res!=0x0a)USART_RX_STA=0;//接收错误，重新开始

else USART_RX_STA|=0x80; //接收完成了

}

else //还没收到0X0D

{

if(res==0x0d)USART_RX_STA|=0x40;

else

{

USART_RX_BUF[USART_RX_STA&0X3F]=res;

USART_RX_STA++;

if(USART_RX_STA>63)USART_RX_STA=0;//接收数据错误，重新开始接收

}

}

}

}

}

该函数的重点就是判断接收是否完成，通过检测是否收到0X0D、0X0A的连续2个字节（0X0D后跟0X0A表示回车键）来检测是否结束。当检测到这个结束序列之后，就会置位USART_RX_STA的最高为来标记已经收到了一次数据。之后等待外部函数清空该位之后才开始第二次接收。所接收的数据全部存放在USART_RX_BUF里面，一次接收数据不能超过64个字节，否则被丢弃。

介绍完了这两个函数，我们回到test.c。其流程图为：

图11 流程图

代码为：

#include <stm32f10x_lib.h>

#include "sys.h"

#include "usart.h"

#include "delay.h"

#include "led.h"

#include "key.h"

int main(void)

{

u8 t;

u8 len;

u16 times=0;

Stm32_Clock_Init(9); //系统时钟设置

delay_init(72); //延时初始化

uart_init(72，9600); //串口初始化为9600

LED_Init(); //初始化与LED连接的硬件接口

while(1)

{

if(USART_RX_STA&0x80)

{

len=USART_RX_STA&0x3f;//得到此次接收到的数据长度

printf("\n您发送的消息为:\n");

for(t=0;t<len;t++)

{

USART1->DR=USART_RX_BUF[t];

while((USART1->SR&0X40)==0);//等待发送结束

}

printf("\n\n");//插入换行

USART_RX_STA=0;

}

else

{

times++;

if(times%5000==0)

{

printf("\nMiniSTM32开发板 串口实验\n");

printf("正点原子@ALIENTEK\n\n\n");

}

if(times%200==0)printf("请输入数据，以回车键结束\n");

if(times%30==0)LED0=!LED0;//闪烁LED，提示系统正在运行.

delay_ms(10);

}

}

}

4.实验现象

未发送数据时串口助手显示如下：

图12 未发送数据时串口调试助手收到的信息

在输入发送的文字，并按下回车键时候，串口助手显示如下：

图13 发送数据后串口助手显示

四．自主创新实验

本实验设计在串口实验的基础上添加了控制功能。当控制开关按下，指示灯亮，方可进行数据发送，否则即便在发送区输入文字，显示区也不会显示。

#include <stm32f10x_lib.h>

#include "sys.h"

#include "usart.h"

#include "delay.h"

#include "led.h"

#include "key.h"

int main(void)

{

u8 t,m,n

u8 len;

u16 times=0;

Stm32_Clock_Init(9); //系统时钟设置

delay_init(72); //延时初始化

uart_init(72，9600); //串口初始化为9600

LED_Init(); //初始化与LED连接的硬件接口

KEY_Init(); //初始化与按键连接的硬件接口

while(1)

{

m=KEY_Scan();//得到键值

while(m==1)

{

LED0=0;

n= KEY_Scan();

if(n==2) break;

if(USART_RX_STA&0x80)

{

len=USART_RX_STA&0x3f;//得到此次接收到的数据长度

printf("\n您发送的消息为:\n");

for(t=0;t<len;t++)

{

USART1->DR=USART_RX_BUF[t];

while((USART1->SR&0X40)==0);//等待发送结束

}

printf("\n\n");//插入换行

USART_RX_STA=0;

}

else

{

times++;

if(times%5000==0)

{

printf("\nMiniSTM32开发板 串口实验\n");

printf("正点原子@ALIENTEK\n\n\n");

}

if(times%200==0)printf("请输入数据，以回车键结束\n");

if(times%30==0)LED0=!LED0;//闪烁LED，提示系统正在运行.

delay_ms(10);

}

}

}

}

本实验在调试时，最初出现了不正常的现象。经过排查，KEY0和KEY1连接在与JTAG相关的IO口上，所以在软件编写的时候要先禁用JTAG功能，才能把这两个IO口当成普通IO口使用。在禁用JTAG功能后，程序运转正常，实现了预定的功能。

五．心得体会

通过本次实验，我初步掌握了STM32的硬件结构以及编程方法，对于其IO口以及串口的使用有了较为清晰的了解。STM32与之前学习的51系列单片机相比，在软件编写上有相同点也有不同点，其编程过程对于硬件的结构依赖更为强烈。在学习使用的过程中，需要注意各个寄存器的功能及使用方法，把他们与C语言编程紧密结合起来，实现预定功能。

在实验过程中，我遇到了一些困难。在老师的指导下以及对问题仔细问题过程中，我一次次翻越了障碍，取得了较为理想的结果。在科研的过程中，我们会遇到各种各样的困难。面对挫折，我们不能气馁，而是应该以积极的心态寻求解决方案，勇攀高峰。