单片机课程实验指导书.docx

1、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：核

2、：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。嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路。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：

3、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

4、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

5、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.

6、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 KeilA.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

7、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-LinkJ-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，

8、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。在后面的容中，将详细介绍J-link的使用方法。2.4 FlashLoaderFlashLoader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。 3.1创建工程打开”KEIL 4.21”，准备进行工程的创建1)在创建一个工程之前，首先新建一个文件夹用于存放工

9、程文件，此处文件夹名为uetest，放置路径可自行选择，在其下分别建立如下几个目录：a. startup：启动代码解压./实验一/软件安装包/stm32f10x_stdperiph_lib_v3.5源代码.zip文件，该文件为stm32固件库。解压后，拷贝STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0LibrariesCMSISCM3DeviceSupportSTSTM32F10xstartuparm目录下的startup_stm32f10x_hd.s到该目录下 b. cmsis：与Cortex-M3核设备访问相关的代码拷贝./STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3

10、.5.0LibrariesCMSISCM3CoreSupport目录下的core_cm3.c、core_cm3.h以及STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0LibrariesCMSISCM3DeviceSupportSTSTM32F10x目录下的stm32f10x.h、system_stm32f10x.c、system_stm32f10x.h放到该目录下c. libraray：外设库文件拷贝STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0LibrariesSTM32F10x_StdPeriph_Driver目录下的inc和src文件夹放到该目录下d. sour

11、ce：用户应用开发文件包含：main.c、stm32f10x_conf.h文件（stm32f10x_conf.h可以在任意已有工程中复制，如：.stm32f10x_stdperiph_lib_v3.5源文件STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0ProjectSTM32F10x_StdPeriph_ExamplesADC3ADCs_DMAstm32f10x_conf.h）e. run：用来放置工程编译后最终执行的HEX文件2)单击ProjectNew uVision Project菜单项目；3)此时打开一个标准对话框，输入新建工程的名字uetest，新工程保存在文件夹uet

12、est，uVision4将会创建以uetest.uvproj为名字的新工程文件；4)上图点击“保存”后，弹出处理器选择对话框，此处选择STM32F103VE；5)出现一个提示框，是否复制STM32启动代码到工程文件夹，选择“是”，就可以看到工程区有一个名为startup_stm32f10x_hd.s的启动代码自动添加进来了；6)右键单击“Target 1” Manage Components 在Project Target中可以把Target1改成你想要的名字,然后在groups单击新建按钮，这些组对应工作目录的文件夹，方便源文件的分类和管理，我们这里新建了cmsis、libraray、run

13、、source和startup目录，并在Files栏加入工程目录中对应文件夹下的文件。这几个目录在后面的历程中都会出现。最后如下图所示：3.2配置和编译工程以上步骤，项目已经建立了，但是仍然需要进行配置工作，相关如下，首先打开工程；首先用鼠标右击左边工程窗口的项目名“uetest”，会出现一个菜单，选择“Options for Target Project”，即出现工程配置的对话框，如下图所示：这个option相对繁琐，而且根所选择的芯片有关，这里共有10个选项卡，绝大多数选择默认配置即可，下面将对一些需要注意的配置简单介绍一下。1）Device设置在此选项卡中选择相关的芯片型号，此处为STM

14、32F103VE；2）Target设置在此选项卡中需要输入开发板上所用的晶振的大小，此处为8.0MHz，如上图所示；3）Output设置 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 Bat

15、ch 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_STDPERIP

16、H_DRIVERInclude 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

17、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 CO

18、DE，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围。6）Utilities标签页的设置Configure Flash Menu Com

19、mandUse 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

20、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。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

21、序来验证是否达到了预期的目的。也就是程序调试，程序调试往往是程序开发过程中最难的阶段，尤其是对一些比较大型的程序。下面我们就来看看uVision4对调试的支持。在对工程成功进行汇编、连接之后，按Ctrl+F5或者使用菜Debug-Start/Stop Debug Session即可进入调试状态。进入调试状态后，界面与编辑状态相比有明显的变化，Debug才单项中原来不能用的命令现在已经可以使用了，工具栏会多出一个用于运行和调试的工具栏，如下图所示，Debug菜单上的大部分命令可以在此找到对应的快捷按钮。常用的Debug菜单命令如下所示：Start/Stop Debug Session：开始或者停

22、止调试。Run：一直执行下一个活动的断点。Step：单步执行。Step Over：过程单步执行，即将一个函数作为一个语句来执行。Step out of current Function：跳出当前的函数。Run to Cursor line：执行到光标所在的行。Stop Running：停止运行。Breakpoints：打开断点对话框。Insert/Remove Breakpoint：在当前行插入/删除一个断点。Enable/Disable Breakpoint：激活当前行的断点或者使断点无效。Disable All Breakpoints：使程序中所有的断点都无效。Kill all Break

23、points：删除程序中所有的断点。学习程序调试，必须明确两个重要的概念，即单步执行与全速执行。全速执行是指一行程序执行完了以后紧接着执行下一行程序，中间不停止，这样程序执行的速度就很快，并可以看到该段程序执行的总体效果，即最终结果正确还是错误，但如果程序有错，则难以确认错误出现在哪些程序行。单步执行是每次执行一行程序，执行完该行程序执行完以后即停止，等待命令执行下一行程序，此时我们可以观察该行程序执行完以后得到的结果，是否与我们写程序行所想要得的结果相同，借此可以找到程序中问题所在。程序调试中，这两种运行方式都要用到，要灵活应用，可以大大提高调试效率。在调试窗口中，我们可以看到一个黄色的调试

24、箭头，指向了当前执行到的程序行。1）断点设置程序调试时，有些程序行往往很难确认什么时候能够执行到，这类问题就不适合单步调试，这时需要使用程序调试中的断点设置。断点设置的方法有多种，常用的是在某一程序行设置断点，设置好断点之后可以全速运行程序，一旦执行到该程序行即停止，可在此观察有关的变量值，以确定问题所在。设置断点的命令请参考上一节常用调试命令介绍。一旦某一行被设置了断点，我们可以在程序行的左端看到一个红色方框（如图5.24调试窗口图所示），如果该断点被禁用，方框将会变为白色。除了在某程序行设置断点这一基本方法以外，uVision4还提供了多种设置断点的方法，按Debug-Breakpoint

25、s，即出现一个对话框，该对话框用于对断点进行详细的设置，如下图所示。2）调试窗口前面讲了调试的一些方法，里面多次提到检查程序的执行状态。调试窗口就是用于查看程序执行状态的。uVision4提供了多种调试窗口，如寄存器窗口，存储器窗口，反汇编窗口，外设窗口等，下面将会一一作介绍。a. 寄存器窗口上图是工程窗口寄存器页的容，寄存器页包含了当前所有的工作寄存器和系统寄存器，每当程序中执行到对某个寄存器的操作时，该寄存器会反色显示，用鼠标单击然后按F2（鼠标连续单击两次），即可修改该值。b. 存储器窗口存储器窗口可以显示系统中各种存中的值，通过在Address后的编辑框中输入“字母:数字”即可显示相应

26、存值，其中字母C、D、I、X，分别代表代码存储空间、直接寻址的片存储空间、间接寻址的片存储空间、扩展的外部RAM单元值、键入C：0即可显示从0开始的ROM单元中的值，即查看程序的二进制代码。该窗口的显示值可以以各种形式显示，如十进制、十六进制、字符型等。改变显示方式的方法是点鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择。除了显示，还可以修改存中的值。c. 查看和调用栈窗口这个窗口可以帮助我们查看当前调用树的情况，我们还可以通过这个窗口查看和修改一些变量的值。鼠标停留在某个变量的时候点右键，在弹出的浮动菜单中选择Add *to Watch window，Local 窗口显示当前一些局部变量的值，变量值的现实

27、方式可以在十六进制和十进制之间切换，方式是在查看窗口点右键，在某个变量的Value栏用鼠标单击然后按F2（鼠标连续单击两次），即可修改该值。如下图所示。d. 反汇编窗口点击View-Dissambly Window可以打开反汇编窗口，该窗口可以显示反汇编后的代码、源代码和相 应反汇编代码的混合代码，可以在该窗口进行在线汇编、利用该窗口跟踪已找行的代码、在该窗口按汇编代码的方式单步执行。点击鼠标右键，出现快捷菜单，如图5.29所示，其中Mixed Mode是以混合方式显示，Assembly Mode是以返回编码方式显示。e. 外设窗口为了能够比较直观地了解单片机中各种外设的使用情况，uVison

28、4提供了一个外围接口对话框。通过Peripherals菜单，下拉菜单中的容和你选择的芯片有关，会列出你所选择的芯片上所有的外设。选择一项你可以进入查看或修改该外设的一些状态。3.4下载说明3.4.1 FlashLoader下载说明正确安装Flash Loader软件，然后正确连接UE-STM32F103开发板上的的UART1串口1和PC机的的DB9串口，用短接帽短接UE-STM32F103开发板上的BOOT0（BOOT0=1,BOOT1=0），上电运行Flash Loader。 点击NEXT后按照如下选择设置点击NEXT，选择器件点击NEXT，再点击Download,然后选择需要下载的文件路径

29、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

30、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，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

31、们分别分布在AE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。 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