实验一 寄存器方式实现四路流水灯
实验名称
STM32F103C8T6寄存器编程实现四路LED流水灯
一、实验目的
1. 熟悉STM32F103最小系统板硬件，理解GPIO端口功能与APB2外设时钟作用。
2. 掌握直接操作寄存器配置GPIO，理解CRL、CRH、BSRR寄存器功能，学会位操作。
3. 使用PA0、PB0、PB1外接LED，结合板载PC13 LED，实现四路流水灯，间隔约1s轮流点亮。
4. 掌握Keil‑MDK工程创建、编译、ST‑Link下载调试流程。
5. 理解 volatile 关键字作用；练习将工程上传Gitee，撰写实验博客。
二、实验器材
1. STM32F103C8T6最小系统板
2. ST‑Link仿真下载器
3. 面包板，红、绿、蓝LED各1只，220Ω限流电阻，杜邦线若干
4. 笔记本电脑，Keil uVision5
三、实验原理
GPIO外设使用前必须开启对应总线时钟，GPIOA、GPIOB、GPIOC挂载在APB2总线，由 RCC->APB2ENR 控制时钟。
- GPIOx‑>CRL ：管理引脚0‑7，配置模式与输出速度，PA0、PB0、PB1由CRL控制。
- GPIOx‑>CRH ：管理引脚8‑15，PC13使用CRH寄存器。
- BSRR 置位复位寄存器：低16位写1引脚输出高电平；高16位写1引脚输出低电平，无读改写风险。
硬件电路：
外接LED：PA0、PB0、PB1串联220Ω电阻接LED阳极，阴极接GND，高电平点亮。
板载PC13 LED：硬件反向驱动，低电平点亮，高电平熄灭。
延时采用双层for空循环软件延时，会受编译器优化影响，延时并不严格准确。
表格
寄存器 基地址 偏移地址
RCC 0x40021000 0x18(APB2ENR)
GPIOA 0x40010800 0x00(CRL)、0x10(BSRR)
GPIOB 0x40010C00 0x00(CRL)、0x10(BSRR)
GPIOC 0x40011000 0x04(CRH)、0x10(BSRR)
四、程序设计思路
1. 使用寄存器指针访问硬件寄存器， volatile 防止编译器优化读写。
2. 开启GPIOA、GPIOB、GPIOC的APB2外设时钟。
3. CRL、CRH对应位先清零再赋值，配置PA0、PB0、PB1、PC13为50MHz推挽输出。
4. 初始化所有LED为熄灭状态。
5. 编写软件延时函数。
6. while死循环，使用BSRR寄存器依次点亮单路LED，其余熄灭，延时后切换，流水顺序PA0→PB0→PB1→PC13循环。
五、实验代码
while(1)
#include "stm32f10x.h"
//软件粗略延时，volatile防止编译器优化
void Soft_Delay(uint32_t t)
{
volatile uint32_t i,j;
for(i = 0; i < t; i++)
{
for(j = 0; j < 7200; j++);
}
}
int main(void)
{
//开启GPIOA GPIOB GPIOC时钟
RCC->APB2ENR |= (1U << 2) | (1U << 3) | (1U << 4);
//PA0 50MHz推挽输出
GPIOA->CRL &= ~(0x0FU << 0);
GPIOA->CRL |= (0x03U << 0);
//PB0 50MHz推挽输出
GPIOB->CRL &= ~(0x0FU << 0);
GPIOB->CRL |= (0x03U << 0);
//PB1 50MHz推挽输出
GPIOB->CRL &= ~(0x0FU << 4);
GPIOB->CRL |= (0x03U << 4);
//PC13，CRH寄存器，50MHz推挽输出
GPIOC->CRH &= ~(0x0FU << 20);
GPIOC->CRH |= (0x03U << 20);
//全部LED初始熄灭
GPIOA->BSRR = (1U << 0) << 16;
GPIOB->BSRR = ((1U << 0)|(1U << 1)) << 16;
GPIOC->BSRR = (1U << 13);
while(1)
{
//点亮PA0
GPIOA->BSRR = 1U << 0;
GPIOB->BSRR = ((1U<<0)|(1U<<1)) <<16;
GPIOC->BSRR = 1U <<13;
Soft_Delay(1000);
//点亮PB0
GPIOA->BSRR = (1U<<0)<<16;
GPIOB->BSRR = 1U << 0;
GPIOB->BSRR = (1U<<1)<<16;
GPIOC->BSRR = 1U <<13;
Soft_Delay(1000);
//点亮PB1
GPIOA->BSRR = (1U<<0)<<16;
GPIOB->BSRR = (1U<<0)<<16;
GPIOB->BSRR = 1U << 1;
GPIOC->BSRR = 1U <<13;
Soft_Delay(1000);
//点亮PC13板载LED
GPIOA->BSRR = (1U<<0)<<16;
GPIOB->BSRR = ((1U<<0)|(1U<<1)) <<16;
GPIOC->BSRR = (1U << 13) <<16;
Soft_Delay(1000);
}
}
六、实验步骤
1. 硬件接线：PA0、PB0、PB1串联220Ω电阻接LED，LED阴极接GND；ST‑Link连接SWDIO、SWCLK、GND、3.3V。
2. Keil新建工程，选择芯片STM32F103C8，添加启动文件，新建main.c粘贴代码。
3. 调试器选择ST‑Link，设置下载后自动复位运行。
4. 编译工程，无报错后下载程序。
5. 上电观察LED流水现象，截图Keil界面、硬件实物。
6. 将工程Git上传Gitee仓库。
七、实验现象
上电后LED按照PA0→PB0→PB1→PC13顺序依次点亮，同一时刻只亮一盏灯，每盏灯维持约1s循环流水。软件延时存在误差，间隔不是严格1秒。
八、遇到的问题与解决
1. 没有加 volatile 修饰延时变量，编译器直接优化掉延时，灯切换飞快。添加volatile后延时正常。
2. 一开始用ODR寄存器，出现引脚互相干扰，改用BSRR置位复位寄存器解决。
3. PC13错误操作CRL寄存器，板载LED无反应，修改操作CRH寄存器后正常。
4. ST‑Link下载失败，是SWCLK杜邦线接触不良，重新插紧即可下载。
九、实验总结
寄存器编程直接操作硬件地址，可以深入理解GPIO底层工作原理，但是要记住寄存器地址与每一位功能，写代码比较繁琐。
必须开启外设时钟GPIO才可以工作；PC13属于CRH寄存器；BSRR比ODR更加安全。软件延时只能粗略等待，不能用于高精度时序。
实验二 标准外设库实现四路流水灯
实验名称
STM32F103标准外设库流水灯实验
一、实验目的
1. 掌握Keil中搭建标准外设库工程，添加库文件，配置头文件路径与编译宏。
2. 学会使用标准库RCC、GPIO函数，理解库对寄存器的封装。
3. 实现PA0、PB0、PB1、PC13四路流水灯，间隔约1s轮流点亮。
4. 使用Keil逻辑分析仪仿真，观察引脚波形，分析软件延时误差。
5. 工程上传Gitee，记录实验过程。
二、实验器材
1. STM32F103C8T6最小系统板
2. ST‑Link仿真下载器
3. 面包板，LED×3，220Ω电阻，杜邦线
4. 电脑，Keil uVision5，STM32F10x标准外设库
三、实验原理
标准外设库将底层寄存器操作封装成C函数，不用手动操作寄存器地址。
- RCC_APB2PeriphClockCmd() ：使能GPIO端口时钟。
- GPIO_InitTypeDef 结构体：配置引脚模式、输出速度。
- GPIO_SetBits() 引脚输出高电平； GPIO_ResetBits() 输出低电平。
硬件接线和实验一完全一致：外接LED高电平点亮，PC13板载LED低电平点亮。延时依旧使用软件双层循环，定时精度有限。Keil逻辑分析仪可以仿真观察引脚电平变化，测量实际延时。
四、程序设计思路
1. 工程导入标准库 stm32f10x_rcc.c 、 stm32f10x_gpio.c ，配置编译宏 USE_STDPERIPH_DRIVER 。
2. 编写GPIO初始化函数，开启GPIOA/GPIOB/GPIOC时钟，配置引脚为50MHz推挽输出。
3. 编写软件延时函数。
4. main死循环，依次点亮PA0→PB0→PB1→PC13，其余熄灭，延时循环。
五、实验代码
#include "stm32f10x.h"
void Delay_ms(uint32_t ms)
{
uint32_t i,j;
for(i = 0; i < ms; i++)
for(j = 0; j < 7200; j++);
}
void LED_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
//PA0??
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
//PB0 PB1??
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1;
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);
GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1);
}
六、实验步骤
1. 硬件保持实验一接线不变，ST‑Link连接开发板。
2. 新建Keil工程，复制标准库inc、src文件夹到工程目录。
3. 新建工程分组User、StdPeriph_Driver、Startup；添加main.c、rcc.c、gpio.c、启动文件。
4. 魔术棒配置头文件路径，添加宏定义 USE_STDPERIPH_DRIVER,STM32F10X_MD 。
5. 调试器选择ST‑Link，编译下载程序。
6. 打开Keil软件仿真，调出逻辑分析仪，添加PA0、PB0、PB1、PC13引脚，观察波形。
7. 记录现象，截图，工程上传Gitee。
七、实验现象
下载完成，LED按PA0→PB0→PB1→PC13顺序轮流点亮，每个灯约1秒切换。逻辑分析仪观察引脚周期性翻转，软件延时实际时间和理论1秒存在误差。
八、遇到的问题与解决
1. 编译报大量头文件找不到，没有配置inc头文件路径，添加路径后解决。
2. 忘记添加 USE_STDPERIPH_DRIVER 宏，库函数全部未定义报错。
3. PC13电平逻辑搞反，调用 GPIO_SetBits() 点亮板载LED，灯反而熄灭，修改为 GPIO_ResetBits() 。
4. 逻辑分析仪看不到波形，没有切换到软件仿真模式，修改工程仿真设置。
5. 把全部库文件加入工程，编译速度很慢，只添加rcc.c与gpio.c即可。
九、实验总结
标准外设库对寄存器进行封装，不用记忆寄存器地址，代码可读性高。使用结构体配置GPIO很方便，但同样必须开启外设时钟。
仿真波形直观看到软件延时精度不足，如果需要精准定时，需要使用定时器外设。
实验三 HAL库外部中断：按键控制流水灯暂停/继续
实验名称
HAL库+外部中断实验，按键控制四路流水灯暂停恢复
一、实验目的
1. 熟悉STM32CubeMX图形化配置，生成HAL库工程。
2. 掌握外部中断配置，理解中断回调函数运行机制。
3. 在四路流水灯基础上，按键触发外部中断，实现流水灯运行与暂停切换。
4. 理解中断编程规范：回调函数只修改标志位，耗时代码放在主循环。
5. 工程上传Gitee，整理实验记录。
二、实验器材
1. STM32F103C8T6最小系统板
2. ST‑Link下载器
3. 面包板，LED，220Ω电阻，按键，杜邦线
4. 电脑，STM32CubeMX，Keil‑MDK
三、实验原理
外部中断EXTI：引脚电平跳变触发中断，CPU暂停主循环，执行中断服务函数，最终调用 HAL_GPIO_EXTI_Callback() 回调函数。
本实验按键接PA0，下降沿触发外部中断；设置全局标志位 run_flag ，中断中翻转标志位。
主循环判断标志位： run_flag=1 执行流水灯； run_flag=0 停止流水，LED保持当前状态。
重要：中断回调函数不能放置延时、循环等耗时代码，仅允许简单变量修改。
LED硬件电路和前面实验保持一致。按键一端接PA0，一端接GND，开启内部上拉。
四、程序设计思路
1. CubeMX配置：系统时钟72MHz；PA0配置外部中断下降沿触发，开启上拉；PA0、PB0、PB1、PC13配置为GPIO输出。
2. 生成Keil HAL工程。
3. 定义全局标志位 run_flag=1 ，代表流水灯运行。
4. 在外部中断回调函数翻转run_flag。
5. while主循环判断标志位，标志位为1执行流水灯逻辑，为0不执行。
6. 软件延时，下载调试观察现象。
五、核心代码
/* USER CODE BEGIN Header */
/**
******************************************************************************
* @file : main.c
* @brief : Main program body
******************************************************************************
* @attention
*
* Copyright (c) 2026 STMicroelectronics.
* All rights reserved.
*
* This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
* in the root directory of this software component.
* If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
*
******************************************************************************
*/
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
/* USER CODE END Includes */
/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */
/* USER CODE END PTD */
/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
/* USER CODE END PD */
/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */
/* USER CODE END PM */
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PV */
uint8_t run_flag = 1; //1=流水灯运行，0=暂停
/* USER CODE END PV */
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */
/* USER CODE END PFP */
/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
//外部中断回调函数，PA2触发中断自动进入
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_2)
{
run_flag = !run_flag; //翻转状态：运行 ↔ 暂停
}
}
/* USER CODE END 0 */
/**
* @brief The application entry point.
* @retval int
*/
int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */
/* USER CODE END 1 */
/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
if(run_flag == 1)
{
//PA0亮1秒
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
HAL_Delay(1000);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
//PB0亮1秒
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
HAL_Delay(1000);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
//PB1亮1秒
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
HAL_Delay(1000);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);
}
//run_flag=0时，循环空转，流水灯保持暂停
}
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
/* USER CODE END 3 */
}
/**
* @brief System Clock Configuration
* @retval None
*/
void SystemClock_Config(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
/** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
* in the RCC_OscInitTypeDef structure.
*/
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
*/
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}
/**
* @brief GPIO Initialization Function
* @param None
* @retval None
*/
static void MX_GPIO_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
/* GPIO Ports Clock Enable */
__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
/*Configure GPIO pin Output Level */
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
/*Configure GPIO pin Output Level */
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);
/*Configure GPIO pin : PA0 */
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
/*Configure GPIO pin : PA2 */
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_2;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
/*Configure GPIO pins : PB0 PB1 */
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
/* EXTI interrupt init*/
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI2_IRQn, 0, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI2_IRQn);
}
/**
* @brief This function is executed in case of error occurrence.
* @retval None
*/
void Error_Handler(void)
{
/* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
/* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
__disable_irq();
while (1)
{
}
/* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}
#ifdef USE_FULL_ASSERT
/**
* @brief Reports the name of the source file and the source line number
* where the assert_param error has occurred.
* @param file: pointer to the source file name
* @param line: assert_param error line source number
* @retval None
*/
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
/* USER CODE BEGIN 6 */
/* User can add his own implementation to report the file name and line number,
ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
/* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */
六、实验步骤
1. 保留LED接线；按键接PA0与GND，ST‑Link连接开发板。
2. CubeMX选择芯片STM32F103C8T6；配置外部晶振，调试接口Serial Wire。
3. PA0设置为 GPIO_EXTI0 下降沿触发，开启上拉；PA0、PB0、PB1、PC13设置输出。时钟树配置72MHz。
4. 生成Keil工程。
5. 打开工程，替换main.c业务代码，编译。
6. ST‑Link下载程序，按下按键观察流水灯暂停与继续效果。
7. 记录现象截图，工程上传Gitee。
七、实验现象
八、遇到的问题与解决
1. 按键偶尔多次触发，缺少硬件消抖，后续可以增加软件消抖代码。
2. 一开始在中断回调写延时，程序运行异常，老师提醒中断不能放耗时代码，只修改标志位。
3. CubeMX没有开启引脚内部上拉，按键电平不稳定，开启上拉配置后按键识别正常。
4. 重新生成CubeMX工程把main.c代码覆盖，需要保留用户代码段。
九、实验总结
HAL库配合CubeMX图形配置硬件，不需要手写大量初始化代码，开发效率高。
外部中断不需要CPU轮询查询按键，电平变化立刻响应。中断回调函数要尽量简短，业务逻辑放到主循环处理。
对比寄存器、标准库、HAL三种开发方式，对GPIO、时钟、中断有了更加完整理解。
