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一、STM32 最小系统核心板认识

1.1 核心板概述

STM32F103C8T6 最小系统板在国际上通常被称为"Blue Pill"开发板，因其蓝色 PCB 和口香糖大小的外形而得名。其核心参数如下：

一、STM32 最小系统核心板认识

1.1 核心板概述

STM32F103C8T6 最小系统板在国际上通常被称为"Blue Pill"（蓝色药丸）开发板，因其蓝色 PCB 和口香糖大小的外形而得名。其核心参数如下：

1.2 最小系统的组成

一个 STM32 最小系统要正常工作，必须包含以下几个部分：

1. 电源电路：3.3V 供电，VDD/VSS、VDDA/VSSA 均需连接，每个电源引脚就近放置 0.1µF 去耦电容；板上由 AMS1117 将 5V 降压为 3.3V。

2. 时钟电路：8 MHz 无源晶振 + 两个负载电容（约 20 pF）构成 HSE；32.768 kHz 晶振为 RTC 提供时钟（LSE）。若不使用外部晶振，也可使用内部 8 MHz HSI RC 振荡器。

3. 复位电路：NRST 引脚通过 10 kΩ 上拉至 3.3V，并接 0.1µF 电容到地，配合复位按键实现上电复位与手动复位。

4. 启动配置电路：BOOT0、BOOT1 跳线决定启动方式：

   • BOOT0=0：从主 Flash 启动（正常运行模式）；

   • BOOT0=1、BOOT1=0：从系统存储器启动（串口 ISP 下载模式）；

   • BOOT0=1、BOOT1=1：从内置 SRAM 启动（调试用）。

5. 调试/下载接口：SWD 接口（SWDIO、SWCLK、GND、3.3V 四线），连接 ST-Link 烧录调试。

1.3 引脚图分析（实验所用端口）

由核心板引脚图可知（见题图）：

• GPIOA：PA0~PA15 基本全部引出，PA9/PA10 为 USART1，PA11/PA12 为 USB，PA13/PA14 为 SWD 调试口（作 GPIO 使用需谨慎）。

• GPIOB：PB0~PB15 大部分引出，PB2 与 BOOT1 复用。

• GPIOC：该芯片为 48 引脚封装，只引出了PC13、PC14、PC15三个引脚。其中 PC14/PC15 默认接 32.768 kHz 晶振，驱动能力有限（数据手册注明吸入电流不超过 3 mA，且不能作为电流源）；PC13 上已焊接板载 LED。

• 板载 LED 电路：3.3V → 限流电阻 → LED →PC13，因此PC13 输出低电平时 LED 点亮，输出高电平时熄灭（灌电流接法）。

1.4 实验前准备步骤

1. 用万用表检查核心板 5V、3.3V 与 GND 之间有无短路；

2. 确认 BOOT0 跳线置于 0（Flash 启动）；

3. 将 ST-Link 的 SWDIO、SWCLK、GND、3.3V 分别接到核心板对应排针（核心板底部 4 针即为 SWD 接口，对应 PA13/PA14）；

4. Keil 中安装 STM32F1xx_DFP 器件支持包，Debug 选项选择 ST-Link Debugger，能识别到芯片 IDCODE（0x1BA01477）即连接正常；

5. 先烧录一个 PC13 闪烁的小程序，验证"下载—运行"链路通畅。

二、实验任务 1：寄存器方式实现流水灯

2.1 电路搭建

在面包板上搭建 3 只 LED（红、绿、蓝），采用低电平点亮（灌电流）接法：

3.3V ──[ 220Ω 限流电阻 ]──▶|── PA0（红） LED 阳极接电阻，阴极接引脚 3.3V ──[ 220Ω 限流电阻 ]──▶|── PB0（绿） 3.3V ──[ 220Ω 限流电阻 ]──▶|── PC14（蓝）

说明：STM32 IO 灌电流能力（最大 25 mA）强于拉电流，故 LED 阳极接 3.3V、阴极经限流电阻接 IO 口，引脚输出 0 灯亮、输出 1 灯灭。限流电阻按 (3.3V − 2V) / 5~10mA ≈ 150~220Ω 选取。 任务 1 第 3 步再把板载 PC13 LED 加入流水序列。

2.2 程序设计思路与寄存器地址

（1）总线与寄存器映射关系

STM32F103 的 GPIO 全部挂在APB2 总线上。操作 GPIO 之前必须先在 RCC（复位与时钟控制器）中使能对应端口的时钟，否则对 GPIO 寄存器的写操作无效。相关外设基地址（参考《STM32F10x 参考手册》存储器映像表）：

RCC_APB2ENR 与本实验相关的位：

（2）GPIO 端口内部寄存器（偏移地址）

（3）CRL/CRH 的位配置规则

每个引脚占 4 个配置位：CNF[1:0] + MODE[1:0]。本实验将引脚配置为通用推挽输出，最大速度 50 MHz，即：

• MODE[1:0] = 11（输出模式，50 MHz）

• CNF[1:0] = 00（通用推挽输出）

组合值 =0b0011 = 0x3。引脚 n 在 CRL 中的位段为[4n+3 : 4n]，例如：

• PA0 → GPIOA_CRL 的 bit[3:0] 写入 0x3；

• PB0 → GPIOB_CRL 的 bit[3:0] 写入 0x3；

• PC14 → GPIOC_CRH 的 bit[27:24]（引脚 14 在 CRH 中的位置为 (14−8)×4 = 24）写入 0x3。

（4）程序流程

开始 ├─ 使能 GPIOA / GPIOB / GPIOC 时钟（RCC_APB2ENR） ├─ 配置 PA0、PB0、PC14 为推挽输出 50MHz └─ while(1) 循环： ├─ PA0 亮（其余灭）→ 软件延时 1 秒 ├─ PB0 亮（其余灭）→ 软件延时 1 秒 └─ PC14 亮（其余灭）→ 软件延时 1 秒

软件延时估算：系统默认 72 MHz（若未配置时钟树，复位后使用 HSI 8 MHz）。一条空循环约消耗 3~4 个时钟周期，72 MHz 下延时 1 秒约需循环72000000/3.4 ≈ 20000000次，代码中取0x4C4B40（5,000,000）×内层若干次做近似，实际精确值以任务 2 中逻辑分析仪实测为准。

2.3加入板载 PC13 LED 的新程序

查阅最小系统板原理图可知：板载 LED 接在3.3V → 限流电阻 → LED → PC13，属于灌电流接法，PC13 输出低电平点亮、高电平熄灭（这点从题图中 "PC13 LED" 标注也可印证）。PC13 是验证代码是否正常烧录运行的最便捷指示灯。

新程序流水顺序改为：PA0（红）→ PB0（绿）→ PC14（蓝）→ PC13（板载灯），共 4 个状态循环。只需在上一个程序基础上增加 PC13 的配置与控制：

/** * @file main.c （加入板载 PC13 LED 的流水灯版本） * @brief PA0 -> PB0 -> PC14 -> PC13(板载) 循环点亮，间隔约 1 秒 * PC13 同样是低电平点亮 */ #define RCC_APB2ENR (*(volatile unsigned int *)0x40021018) #define GPIOA_CRL (*(volatile unsigned int *)0x40010800) #define GPIOA_BSRR (*(volatile unsigned int *)0x40010810) #define GPIOB_CRL (*(volatile unsigned int *)0x40010C00) #define GPIOB_BSRR (*(volatile unsigned int *)0x40010C10) #define GPIOC_CRH (*(volatile unsigned int *)0x40011004) #define GPIOC_BSRR (*(volatile unsigned int *)0x40011010) void Delay_1s(unsigned int n) { unsigned int i, j; for (j = 0; j < n; j++) for (i = 0; i < 5000000; i++); } int main(void) { /* 使能 GPIOA、GPIOB、GPIOC 时钟 */ RCC_APB2ENR |= (1 << 2) | (1 << 3) | (1 << 4); /* PA0、PB0 推挽输出 50MHz */ GPIOA_CRL &= ~(0xF << 0); GPIOA_CRL |= (0x3 << 0); GPIOB_CRL &= ~(0xF << 0); GPIOB_CRL |= (0x3 << 0); /* PC13、PC14 都在 CRH： PC13 -> bit[23:20]（(13-8)*4=20），PC14 -> bit[27:24] */ GPIOC_CRH &= ~((0xF << 20) | (0xF << 24)); GPIOC_CRH |= ((0x3 << 20) | (0x3 << 24)); /* 全部熄灭 */ GPIOA_BSRR = (1 << 0); GPIOB_BSRR = (1 << 0); GPIOC_BSRR = (1 << 13) | (1 << 14); while (1) { /* 状态1：PA0 亮 */ GPIOA_BSRR = (1 << 16); /* PA0=0 亮 */ GPIOB_BSRR = (1 << 0); GPIOC_BSRR = (1 << 13) | (1 << 14); Delay_1s(1); /* 状态2：PB0 亮 */ GPIOA_BSRR = (1 << 0); GPIOB_BSRR = (1 << 16); /* PB0=0 亮 */ GPIOC_BSRR = (1 << 13) | (1 << 14); Delay_1s(1); /* 状态3：PC14 亮 */ GPIOA_BSRR = (1 << 0); GPIOB_BSRR = (1 << 0); GPIOC_BSRR = (1 << 13) | (1 << 30); /* PC14=0 亮(30=14+16) */ Delay_1s(1); /* 状态4：板载 PC13 亮 */ GPIOA_BSRR = (1 << 0); GPIOB_BSRR = (1 << 0); GPIOC_BSRR = (1 << 14) | (1 << 29); /* PC13=0 亮(29=13+16) */ Delay_1s(1); } }

三、实验任务 2：标准外设库（SPL）方式 + Keil 逻辑分析仪

3.1 标准外设库工程创建详细过程

STM32 标准外设库（Standard Peripheral Library，SPL）官方下载地址：https://www.st.com/zh/embedded-software/stm32-standard-peripheral-libraries.html下载STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0（或 V3.6.0），解压后建立如下工程目录结构：

LED_SPL/ ├── User/ ← 用户代码 │ ├── main.c ← 主程序（自己编写） │ ├── stm32f10x_conf.h ← 库配置文件（从库 Project 模板复制） │ ├── stm32f10x_it.c/.h ← 中断服务函数（从模板复制） │ └── system_stm32f10x.c ← 系统时钟配置（库自带） ├── Core/ ← 内核与启动文件 │ ├── core_cm3.c / core_cm3.h ← Cortex-M3 内核支持（Libraries/CMSIS） │ ├── stm32f10x.h ← 器件寄存器总头文件 │ └── startup_stm32f10x_md.s ← 启动汇编（md=中容量，C8T6 用此文件） ├── Library/ ← 标准外设库源文件 │ ├── src/ ← stm32f10x_gpio.c, stm32f10x_rcc.c, misc.c 等（Libraries/STM32F10x_StdPeriph_Driver/src） │ └── inc/ ← 对应头文件 ├── Output/ ← 编译输出（.hex/.axf，在 Keil 中指定） └── LED_SPL.uvprojx ← Keil 工程文件

Keil 中的具体操作步骤：

1. 新建工程：Project → New µVision Project，芯片选择STMicroelectronics → STM32F1 Series → STM32F103 → STM32F103C8；

2. 添加文件分组：在工程目录树中建立User、Core、Library三个 Group，把上面对应的.c文件和startup_stm32f10x_md.s添加进各分组（C8T6 是 64KB Flash 中容量器件，必须选_md.s，选错会导致启动异常）；

3. 设置头文件路径：Options for Target → C/C++ → Include Paths，加入User、Core、Library/inc三个目录；

4. 添加全局宏定义：在 C/C++ → Define 中填写STM32F10X_MD,USE_STDPERIPH_DRIVER（前者告诉库芯片是中容量型号，后者启用标准外设库）；

5. 配置输出与下载器：Output 页勾选 Create HEX File，输出目录选Output；Debug 页选择 ST-Link Debugger，Settings 中确认 SW 模式能识别芯片，Flash Download 页勾选 Reset and Run；

6. 编译（F7）0 Error 0 Warning 后，按 F8/Download 烧录。

3.2 标准外设库流水灯代码

SPL 方式不再直接写地址，而是调用库函数。库内部仍是对上述寄存器的封装：RCC_APB2PeriphClockCmd()最终就是写RCC->APB2ENR，GPIO_Init()最终就是写CRL/CRH，GPIO_SetBits()/GPIO_ResetBits()最终就是写BSRR。

/** * @file main.c * @brief 标准外设库(SPL)方式流水灯 * PA0 -> PB0 -> PC13(板载) 轮流点亮，间隔约 1 秒，低电平点亮 */ #include "stm32f10x.h" /* 粗略软件延时：72MHz 下 n≈8000 时约 1ms */ void Delay_ms(uint32_t nms) { uint32_t i; while (nms--) for (i = 0; i < 8000; i++); } void LED_GPIO_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /* GPIO 初始化结构体 */ /* 1. 使能 GPIOA、GPIOB、GPIOC 时钟（APB2 总线） */ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE); /* 2. 配置 PA0、PB0、PC13 为推挽输出 50MHz */ GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; /* 通用推挽输出 */ GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; /* 输出速度 50MHz */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); /* PA0 */ GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); /* PB0 */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13; GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); /* PC13 板载灯 */ /* 3. 初始全灭（低电平点亮，故全置 1） */ GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); } int main(void) { LED_GPIO_Init(); while (1) { GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); /* PA0 = 0，红灯亮 */ Delay_ms(1000); GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); /* PA0 = 1，灭 */ GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); /* PB0 亮 */ Delay_ms(1000); GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); /* 板载 PC13 亮 */ Delay_ms(1000); GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); } }

3.3 软件延时的准确周期分析

Delay_ms(1000)是"空转"循环延时，其精确耗时取决于：

• 系统主频（72 MHz 还是默认 8 MHz HSI）；

• 编译器优化等级（-O0/-O2 生成的循环指令数不同）；

• Flash 等待周期与流水线效应。

按 72 MHz、-O0 估算：内层一次空循环约 4 个时钟周期，for(i=0;i<8000;i++)≈ 8000×4/72MHz ≈0.44 ms，即Delay_ms(1000)理论值只有约0.44 秒，并不准——这说明纯软件循环延时只能定性演示，不能精确定时（精确定时应使用 SysTick 或定时器）。因此需要用仪器实测。

四、实验任务 3：HAL 库 + 按键中断控制暂停/恢复

4.1 设计思路

在任务 2 基础上做两处改变：

1. 改用 HAL 库（STM32CubeMX 生成初始化代码）；

2. 增加一个按键，接在PB12（另一端接 GND），配置为外部中断下降沿触发（按键未按时由内部上拉为高，按下接地产生下降沿）。每按一次，翻转一个运行标志g_run：流水灯暂停 ↔ 恢复。

外部中断路径：PB12 → EXTI15_10 中断线（EXTI12）→ NVIC。CubeMX 中配置步骤：

• PA0、PB0、PC13 设为GPIO_Output；

• PB12 设为GPIO_EXTI12，Pull-up，触发方式 Falling Edge；

• NVIC 中使能EXTI15_10 IRQn，优先级保持默认；

• 时钟树配置为 HSE 8 MHz → PLL ×9 → SYSCLK 72 MHz。

4.2 HAL 库代码（关键部分）

/* main.c 关键代码（CubeMX 生成框架内 USER CODE 区填写） */ /* 用户全局变量：流水灯运行标志，1=运行，0=暂停 */ volatile uint8_t g_run = 1; /* 延时消抖用的时间戳 */ uint32_t last_tick = 0; /** * @brief HAL 外部中断回调函数（所有 EXTI 共用，按引脚区分） * 该函数由 HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler() 在清中断标志后调用 */ void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) { if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_12) /* 确认是 PB12 触发 */ { /* 软件消抖：距上次触发不足 50ms 则忽略 */ if (HAL_GetTick() - last_tick > 50) { g_run = !g_run; /* 翻转运行标志：暂停/恢复 */ last_tick = HAL_GetTick(); } } } /* 中断服务函数在 stm32f1xx_it.c 中： void EXTI15_10_IRQHandler(void) { HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_12); // 清标志并回调 } */ /* 流水灯状态机（便于暂停时保持现场） */ typedef enum { LED_RED = 0, LED_GREEN, LED_BLUE, LED_MAX } LedState_t; LedState_t state = LED_RED; uint32_t state_tick = 0; int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); /* CubeMX 生成：72MHz */ MX_GPIO_Init(); /* CubeMX 生成：LED 输出 + PB12 EXTI */ state_tick = HAL_GetTick(); while (1) { if (g_run) /* 运行标志为 1 才推进流水 */ { if (HAL_GetTick() - state_tick >= 1000) /* 非阻塞 1 秒 */ { state_tick = HAL_GetTick(); /* 全部熄灭 */ HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET); HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET); HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET); /* 点亮当前状态对应的灯 */ switch (state) { case LED_RED: HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET); break; case LED_GREEN: HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET); break; case LED_BLUE: HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET); break; default: break; } state = (state + 1) % LED_MAX; /* 切换到下一状态 */ } } /* g_run == 0 时什么都不做，LED 保持暂停时的亮灭状态 */ } }

要点说明：

• 用HAL_GetTick()非阻塞延时代替HAL_Delay()：否则暂停后程序卡在 Delay 里，按键虽能进中断翻转标志，但恢复时相位会乱；非阻塞方式暂停时 LED 保持当前状态，恢复后接着走，体验正确；

• volatile修饰g_run：防止编译器把它优化进寄存器，导致主循环读不到中断里的修改；

• 中断回调里只做"翻转标志"这种极短操作，不在中断里延时，符合中断编程规范；

• 消抖采用 50 ms 时间窗，避免按键机械抖动造成一次按下翻转多次。

4.3 实验现象

• 上电后 PA0→PB0→PC13 依次点亮，间隔 1 秒；

• 按一下 PB12 按键，流水暂停，当前灯保持点亮；

• 再按一下，流水从暂停处恢复继续运行。

五、三种开发方式对比总结

本次实验从寄存器 → SPL → HAL 逐级抽象，既理解了 GPIO 的底层工作机制（时钟使能 → 模式配置 → 数据读写），又掌握了现代工程的开发流程（CubeMX 配置 + 中断回调 + 非阻塞编程）。