《基于構(gòu)件化的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計》 課件 項目1、2 GPIO基礎(chǔ)應(yīng)用-實現(xiàn)閃燈和開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能、利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的可移植和可復用，嵌入式硬件和嵌入式軟件均采用構(gòu)件化的設(shè)計思想，即對嵌入式硬件和嵌入式軟件進行封裝，供系統(tǒng)設(shè)計者調(diào)用，并倡導嵌入式軟件分層設(shè)計的理念，以大幅度降低嵌入式技術(shù)學習難度和開發(fā)難度。

本書特色：項目任務(wù)驅(qū)動，突出學以致用，注重實踐創(chuàng)新。每個項目且均采用了“通用知識”→“嵌入式構(gòu)件設(shè)計”→“應(yīng)用層程序設(shè)計”→“學以致用與創(chuàng)新”的學習流程。采用“搭積木”的思想，逐步提高嵌入式系統(tǒng)設(shè)計能力。

本書可作為高等學校電子信息類、計算機類、自動化類等專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計教材，也可作為嵌入式技術(shù)培訓教材，還可供從事嵌入式技術(shù)開發(fā)的工程技術(shù)人員參考。項目1：GPIO基礎(chǔ)應(yīng)用—實現(xiàn)閃燈和開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈項目3：GPIO和定時器的綜合應(yīng)用—實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤測控、測溫功能項目4：利用

UART

實現(xiàn)上位機和下位機的通信項目5：利用

Timer

實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能項目6：利用

ADC

設(shè)計簡易數(shù)字電壓表項目7：利用

SPI

實現(xiàn)多機串行通信項目8：利用

CAN

實現(xiàn)多機通信教

材

內(nèi)

容

項目1：GPIO基礎(chǔ)應(yīng)用——實現(xiàn)閃燈和開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能【項目導讀】在現(xiàn)代生活中，燈光除了用于照明，還廣泛用于氛圍營造（如城市景觀燈、舞臺變幻燈、廣告霓虹燈等）或狀態(tài)指示（如交通信號燈、設(shè)備狀態(tài)指示燈等）。在嵌入式系統(tǒng)中，LED小燈是必備的狀態(tài)指示設(shè)備。另外，在現(xiàn)實生活的很多場合中，通過開關(guān)（switch）控制用電設(shè)備。通過對微控制器編程，可以控制小燈的狀態(tài)（點亮或熄滅），也可以檢測開關(guān)的狀態(tài)（閉合或斷開），從而實現(xiàn)軟件干預(yù)硬件?！緦W習目標】（1）熟悉嵌入式系統(tǒng)的概念、組成以及嵌入式技術(shù)學習方法。（2）熟悉嵌入式芯片STM32F103C8T6資源和硬件最小系統(tǒng)。（3）理解GPIO（通用輸入/輸出）的通用知識，掌握微控制器GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法。（4）掌握小燈、開關(guān)等應(yīng)用外設(shè)的嵌入式硬件構(gòu)件和嵌入式軟件構(gòu)件的設(shè)計方法和使用方法。（5）熟悉嵌入式軟件最小系統(tǒng)的工程文件組織方法，并能進行閃燈、流水燈和開關(guān)檢測與控制功能的應(yīng)用層程序設(shè)計。（6）掌握嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境KeilMDK及目標程序下載軟件J-Flash的使用方法，為后續(xù)學習奠定良好的基礎(chǔ)。*（7）熟悉微控制器GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件源文件的設(shè)計方法。任務(wù)1.1熟悉嵌入式系統(tǒng)和課程學習方法1.1.1嵌入式系統(tǒng)的概念和組成1、通用計算機和嵌入式計算機

微型計算機具有很大的通用性，所以又稱通用計算機。

測控領(lǐng)域的計算機系統(tǒng)是嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、成本、體積、可靠性、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)，即嵌入式計算機系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）。

通俗地說，除了通用計算機（如臺式計算機和筆記本計算機）外，所有包含CPU的系統(tǒng)都是嵌入式系統(tǒng)，其中其中以32位/64位ARM微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。任務(wù)1.1熟悉嵌入式系統(tǒng)和課程學習方法1.1.1嵌入式系統(tǒng)的概念和組成1、通用計算機和嵌入式計算機

目前，ARM主要有以下3個系列的內(nèi)核，對應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域：（1）Cortex-A內(nèi)核的應(yīng)用處理器（ApplicationProcessor，AP），主要面向智能手機、平板電腦、智能終端等多媒體領(lǐng)域。（2）Cortex-R內(nèi)核的實時處理器（Real-TimeProcessor，RTP），主要面向汽車電子等對實時性要求很高的領(lǐng)域。（3）Cortex-M內(nèi)核的微控制器（MicroControllerUnit，MCU，國內(nèi)也稱為單片機），主要面向工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)控制、智能儀器儀表、智能家電、機電產(chǎn)品和汽車電子等領(lǐng)域?！局R鞏固】簡述通用計算機與嵌入式計算機的區(qū)別。任務(wù)1.1熟悉嵌入式系統(tǒng)和課程學習方法1.1.1嵌入式系統(tǒng)的概念和組成2、以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)（1）MCU的基本結(jié)構(gòu)

MCU的基本含義：在一塊芯片上集成了CPU、ROM、RAM、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、看門狗及通用輸入輸出（GPIO）、模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換、數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換、串行通信I/O等多種輸入輸出接口的比較完整的數(shù)字處理系統(tǒng)。CPU與其他部件交互是通過MCU內(nèi)部總線實現(xiàn)的。任務(wù)1.1熟悉嵌入式系統(tǒng)和課程學習方法1.1.1嵌入式系統(tǒng)的概念和組成2、以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)（2）以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)的基本組成任務(wù)1.1熟悉嵌入式系統(tǒng)和課程學習方法1.1.1嵌入式系統(tǒng)的概念和組成【知識鞏固】（1）簡述MCU的基本含義。（2）畫出以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)組成框圖。1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的知識體系和學習建議任務(wù)1.1熟悉嵌入式系統(tǒng)和課程學習方法

嵌入式硬件構(gòu)件設(shè)計主要包括MCU硬件最小系統(tǒng)（硬件核心構(gòu)件）設(shè)計和應(yīng)用外設(shè)硬件構(gòu)件（小燈LIGHT、蜂鳴器BZ、開關(guān)SW、鍵盤KB、數(shù)碼管LED、液晶LCD等）設(shè)計。

嵌入式軟件構(gòu)件設(shè)計采用分層設(shè)計思想，自下而上依次是“底層驅(qū)動構(gòu)件”、“應(yīng)用外設(shè)軟件構(gòu)件”和“應(yīng)用層軟件構(gòu)件”共3層軟件設(shè)計。為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的可移植和可復用，大幅度降低嵌入式技術(shù)學習難度和開發(fā)難度，嵌入式硬件和軟件均需采用“構(gòu)件化”設(shè)計。

其中底層驅(qū)動構(gòu)件和應(yīng)用外設(shè)軟件構(gòu)件都包括對應(yīng)的.h頭文件和.c源文件，而應(yīng)用層軟件構(gòu)件包括總頭文件includes.h、主程序源文件main.c和中斷服務(wù)程序源文件isr.c。

通用軟件構(gòu)件與CPU和MCU基本無關(guān)，是服務(wù)于以上3層軟件設(shè)計的。

隨著技術(shù)的發(fā)展，MCU的硬件集成度越來越高，使得嵌入式硬件設(shè)計難度不斷降低，因此嵌入式軟件設(shè)計在整個嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中所占的分量越來越大。1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的知識體系和學習建議

嵌入式軟件設(shè)計主要采用C語言及少量的匯編語言。

任務(wù)1.1熟悉嵌入式系統(tǒng)和課程學習方法1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的知識體系和學習建議

嵌入式軟件設(shè)計與調(diào)試是在嵌入式硬件的基礎(chǔ)上協(xié)同進行的，其過程是在PC上利用嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境（如KeilMDK、IAR等）進行程序的編輯、編譯和連接，生成工程對應(yīng)的目標代碼；最后將生成的目標代碼通過寫入器下載到嵌入式芯片中運行與調(diào)試。任務(wù)1.1熟悉嵌入式系統(tǒng)和課程學習方法MCU寫入器任務(wù)1.2熟悉MCU資源和硬件最小系統(tǒng)1.2.1

STM32F1系列MCU簡介

內(nèi)核：ARMCortex-M3、32位。

特點：

CPU最高工作頻率為72MHz，支持單周期乘法和硬件除法工作電壓范圍為2.0~3.6V，工作溫度范圍為-40~85℃

支持使用內(nèi)部時鐘

或

使用外部時鐘

支持SWD和JTAG調(diào)試

STM32F103C8T6資源：

封裝形式：

LQFP48，共有48個引腳

片內(nèi)存儲器：64KB的Flash存儲器；20KB的SRAM

片內(nèi)外設(shè)：

GPIO（可用引腳為34個）、4個16位Timer、2個12位ADC、

3個UART、2個SPI、2個I2C、1個CAN、1個USB、1個看門狗等

性價比高：

可滿足工業(yè)、醫(yī)療和消費類市場等多種應(yīng)用需求，可完全替代傳統(tǒng)的8位/16位MCU。任務(wù)1.2熟悉MCU資源和硬件最小系統(tǒng)

（1）片內(nèi)Flash存儲映射（0x0800_0000～0x0800_FFFF），共64KB，一般被用來存儲中斷向量、程序代碼、常數(shù)等，其中前236B為中斷向量區(qū)（將在2.2.1節(jié)中具體介紹）。

（2）片內(nèi)SRAM存儲映射（0x2000_0000～0x2000_4FFF），共20KB，一般被用來存儲全局變量、靜態(tài)變量、臨時變量（堆?？臻g）等。1、MCU的存儲映射

ARMCortex-M處理器直接尋址空間為4GB，地址范圍為0x0000_0000~0xFFFF_FFFF。

存儲映射，是指將4GB空間看作存儲器，對各類物理資源（Flash存儲器、SRAM、外設(shè)等）在4GB空間內(nèi)進行統(tǒng)一編址，CPU可通過直接地址訪問物理資源。

（3）外設(shè)（GPIO、UART、Timer、ADC等）寄存器存儲映射，只需了解，實際應(yīng)用中，可直接使用芯片頭文件中給出的相關(guān)宏定義。1.2.2

MCU存儲映射、引腳功能與硬件最小系統(tǒng)任務(wù)1.2熟悉MCU資源和硬件最小系統(tǒng)2、MCU的引腳功能1.2.2

MCU存儲映射、引腳功能與硬件最小系統(tǒng)任務(wù)1.2熟悉MCU資源和硬件最小系統(tǒng)2、MCU的引腳功能

（1）硬件最小系統(tǒng)引腳：需要服務(wù)的引腳，包括電源、復位、晶振、程序?qū)懭虢涌冢⊿WD）等引腳。1.2.2

MCU存儲映射、引腳功能與硬件最小系統(tǒng)

從需求和供給的角度，將MCU引腳分為硬件最小系統(tǒng)引腳和I/O端口資源類引腳兩大類。任務(wù)1.2熟悉MCU資源和硬件最小系統(tǒng)2、MCU的引腳功能

I/O引腳一般具有多個復用功能，詳見表1-4。在實際應(yīng)用時只能使用其中的一個功能。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，需要根據(jù)所使用的外設(shè)（含片內(nèi)外設(shè)），對MCU的引腳資源進行統(tǒng)籌規(guī)劃，以免多個外設(shè)使用相同的引腳而相互沖突。

（2）I/O端口資源類引腳：對外提供服務(wù)。

STM32F103C8T6具有A、B、C、D四個端口，37個I/O引腳。若使用內(nèi)部時鐘，則除去硬件最小系統(tǒng)所使用的的SWD接口的2個引腳（PA13、PA14）和啟動方式所使用的1個引腳（PB2）,在實際應(yīng)用中，可有34個對外提供服務(wù)的通用I/O引腳。

從需求和供給的角度，將MCU引腳分為硬件最小系統(tǒng)引腳和I/O端口資源類引腳兩大類。1.2.2

MCU存儲映射、引腳功能與硬件最小系統(tǒng)任務(wù)1.2熟悉MCU資源和硬件最小系統(tǒng)3、MCU的硬件最小系統(tǒng)

MCU硬件最小系統(tǒng)是可以使MCU內(nèi)部程序正常運行的最小規(guī)模的電路，主要包括MCU和電源、晶振、復位、寫入調(diào)試器接口等外圍電路。1.2.2

MCU存儲映射、引腳功能與硬件最小系統(tǒng)任務(wù)1.2熟悉MCU資源和硬件最小系統(tǒng)【知識鞏固】（1）MCU的Flash存儲器和RAM分別存儲哪些內(nèi)容？（2）從需求和供給的角度，可將MCU的引腳分為幾類？（3）簡述MCU硬件最小系統(tǒng)的含義和組成。任務(wù)1.3

掌握MCU的GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件使用方法

GPIO（GeneralPurposeInputOutput

），通用輸入/輸出，它是I/O的最基本形式。1.3.1

GPIO的通用知識1、GPIO概念

MCU的大多數(shù)GPIO引腳可以通過編程來設(shè)定其工作方式為輸入或輸出，稱之為雙向GPIO。

某個引腳作為通用輸入引腳，MCU可以通過讀取其內(nèi)部寄存器的值“1”或“0”，以確定該引腳的輸入狀態(tài)是高電平還是低電平，即開關(guān)量輸入。

某個引腳作為通用輸出引腳，MCU可以通過向其內(nèi)部寄存器寫“1”或“0”，以控制該引腳輸出高電平或低電平，即開關(guān)量輸出。

若MCU的某個引腳通過一個電阻接電源（VCC），則該電阻被稱為“上拉電阻”。

若MCU的某個引腳通過一個電阻接地（GND），則該電阻被稱為“下拉電阻”。1.3.1

GPIO的通用知識2、上拉電阻、下拉電阻與輸入引腳的基本接法任務(wù)1.3

掌握MCU的GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件使用方法【思考】MCU是如何判斷開關(guān)狀態(tài)的？

作為通用輸出引腳，MCU內(nèi)部程序向該引腳輸出高電平或低電平驅(qū)動外部設(shè)備工作，即開關(guān)量輸出。輸出引腳O1和O2分別采用了直接驅(qū)動和放大驅(qū)動方式。1.3.1

GPIO的通用知識3、輸出引腳的基本接法任務(wù)1.3

掌握MCU的GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件使用方法【思考】

MCU控制LED小燈和蜂鳴器的原理？

為了實現(xiàn)程序的可移植和可復用，減小重復勞動，MCU底層驅(qū)動程序封裝成構(gòu)件。GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件由gpio.h頭文件和gpio.c源文件組成，若要使用GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件，只需將這兩個文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅(qū)動構(gòu)件）文件夾中，即可實現(xiàn)對GPIO引腳的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

其中，gpio.h頭文件主要包括相關(guān)頭文件的包含、一些必要的宏定義、對外接口函數(shù)的聲明，而gpio.c源文件則是對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)，初學者不必深究。

用戶只要熟悉gpio.h頭文件的內(nèi)容，即可使用GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件進行編程，實現(xiàn)通過GPIO對不同外設(shè)進行檢測或控制的功能（如檢測開關(guān)的狀態(tài)、控制小燈的亮滅等）。1.3.2

MCU的GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件使用方法任務(wù)1.3

掌握MCU的GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件使用方法任務(wù)1.4嵌入式構(gòu)件化設(shè)計及閃燈的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計在不同MCU和不同應(yīng)用場合中的可移植和可復用，降低嵌入式技術(shù)學習難度和開發(fā)難度，嵌入式硬件和軟件均需采用“構(gòu)件化”設(shè)計。現(xiàn)以小燈構(gòu)件設(shè)計為例，說明嵌入式硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件的設(shè)計方法。1.4.1

小燈硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件的設(shè)計及使用方法1、小燈硬件構(gòu)件的設(shè)計及使用方法a）小燈硬件構(gòu)件b）小燈硬件構(gòu)件與MCU的引腳連接

圖中虛線框內(nèi)的粗體標識為硬件構(gòu)件的接口注釋，以便于理解該接口的含義和功能；虛線框外的正體標識為硬件構(gòu)件的接口網(wǎng)標，具有電氣連接特性，表示硬件構(gòu)件的接口與MCU的引腳相連接。硬件構(gòu)件在不同應(yīng)用系統(tǒng)中移植和復用時，僅需修改接口網(wǎng)標。1.4.1

小燈硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件的設(shè)計及使用方法2、小燈軟件構(gòu)件的組成、設(shè)計及使用方法

小燈軟件構(gòu)件由

light.h

頭文件

和

light.c

源文件組成，若要使用小燈軟件構(gòu)件，只需將這兩個文件添加到所建工程的05_App（應(yīng)用外設(shè)軟件構(gòu)件）文件夾中即可實現(xiàn)對小燈的控制。

其中，light.h

頭文件主要包括相關(guān)頭文件的包含、小燈硬件構(gòu)件相關(guān)的宏定義、小燈構(gòu)件對外接口函數(shù)的聲明。light.c

源文件是小燈構(gòu)件對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx用戶只要熟悉light.h頭文件的內(nèi)容，即可使用小燈軟件構(gòu)件進行編程。任務(wù)1.4嵌入式構(gòu)件化設(shè)計及閃燈的實現(xiàn)【學以致用】根據(jù)

light.h頭文件，寫出實現(xiàn)下列功能的函數(shù)調(diào)用語句。

（1）將小燈LIGHT1初始化為熄滅狀態(tài)。

（2）控制小燈LIGHT1點亮。

（3）改變小燈LIGHT1的狀態(tài)。1.4.2

嵌入式軟件最小系統(tǒng)設(shè)計——實現(xiàn)閃燈1、嵌入式軟件最小系統(tǒng)

在嵌入式基礎(chǔ)實踐中，一般以“MCU控制小燈閃爍”作為入門實驗，對應(yīng)的程序框架稱為“嵌入式軟件最小系統(tǒng)”（具體解釋詳見表1-5）。

在此框架下可通過添加其他軟件構(gòu)件和修改應(yīng)用層程序（工程源程序）完成不同功能的軟件設(shè)計。

對初學者，學習重點是：①熟悉04_Driver（MCU底層驅(qū)動構(gòu)件）、05_App（應(yīng)用外設(shè)軟件構(gòu)件）和

06_Soft（通用軟件構(gòu)件）這幾個文件夾中的頭文件內(nèi)容，掌握對外接口函數(shù)的調(diào)用方法；②根據(jù)系統(tǒng)功能需求，進行應(yīng)用層程序設(shè)計和優(yōu)化，即設(shè)計07_Source（應(yīng)用層軟件構(gòu)件）文件夾中的文件。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

其中，“04底層驅(qū)動構(gòu)件”、“05應(yīng)用外設(shè)軟件構(gòu)件”、“06通用軟件構(gòu)件”、“07應(yīng)用層軟件構(gòu)件”的文件都是由本構(gòu)件的.h和.c文件組成。

任務(wù)1.4嵌入式構(gòu)件化設(shè)計及閃燈的實現(xiàn)2、公共要素軟件構(gòu)件的組成及使用方法

公共要素軟件構(gòu)件由common.h頭文件和

common.c源文件組成，使用時，需將這兩個文件添加到所建工程的06_Soft（通用軟件構(gòu)件）文件夾中。用戶只要熟悉common.h頭文件的內(nèi)容，即可掌握該軟件構(gòu)件的使用方法。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx1.4.2

嵌入式軟件最小系統(tǒng)設(shè)計——實現(xiàn)閃燈任務(wù)1.4嵌入式構(gòu)件化設(shè)計及閃燈的實現(xiàn)3、閃燈的應(yīng)用層程序設(shè)計

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設(shè)計07_Source（應(yīng)用層軟件構(gòu)件）的文件，以實現(xiàn)小燈閃爍的效果。1）工程總頭文件includes.h：包含04、05、06文件夾中的頭文件2）主程序源文件main.c：

小燈初始化，在主循環(huán)中實現(xiàn)閃燈效果在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx1.4.2

嵌入式軟件最小系統(tǒng)設(shè)計——實現(xiàn)閃燈任務(wù)1.4嵌入式構(gòu)件化設(shè)計及閃燈的實現(xiàn)【思路總結(jié)】畫出小燈閃爍的程序執(zhí)行流程圖。（1）編譯工程文件，生成MCU可執(zhí)行的代碼文件（.hex文件）（2）將編譯生成的.hex文件下載至目標MCU中，運行程序【學以致用與創(chuàng)新】請通過修改主程序的代碼，分別完成：（1）改變小燈閃爍的頻率。（2）控制其他小燈閃爍。（3）實現(xiàn)流水燈的效果。任務(wù)1.4嵌入式構(gòu)件化設(shè)計及閃燈的實現(xiàn)1.4.2

嵌入式軟件最小系統(tǒng)設(shè)計——實現(xiàn)閃燈4、閃燈效果的測試任務(wù)1.5開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能的設(shè)計與實現(xiàn)1.5.1

開關(guān)硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件的設(shè)計及使用方法1、開關(guān)硬件構(gòu)件的設(shè)計及使用方法a）開關(guān)硬件構(gòu)件b）開關(guān)硬件構(gòu)件與MCU的引腳連接任務(wù)1.5開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能的設(shè)計與實現(xiàn)1.5.1

開關(guān)硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件的設(shè)計及使用方法2、開關(guān)軟件構(gòu)件的組成、設(shè)計及使用方法

開關(guān)軟件構(gòu)件由

sw.h頭文件

和

sw.c

源文件組成，若要使用開關(guān)軟件構(gòu)件，只需將這兩個文件添加到所建工程的05_App（應(yīng)用外設(shè)軟件構(gòu)件）文件夾中，即可實現(xiàn)對開關(guān)的操作。

其中，sw.h

頭文件主要包括相關(guān)頭文件的包含、開關(guān)硬件構(gòu)件相關(guān)的宏定義、開關(guān)構(gòu)件對外接口函數(shù)的聲明。sw.c

源文件是開關(guān)構(gòu)件對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx用戶只要熟悉sw.h

頭文件的內(nèi)容，即可使用開關(guān)軟件構(gòu)件進行編程?！緦W以致用】根據(jù)sw.h頭文件，寫出實現(xiàn)下列功能的函數(shù)調(diào)用語句。（1）將開關(guān)SW1初始化。（2）獲取開關(guān)SW1的狀態(tài)。任務(wù)1.5開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能的設(shè)計與實現(xiàn)1.5.2

開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能的應(yīng)用層程序設(shè)計

利用小燈軟件構(gòu)件和開關(guān)軟件構(gòu)件，編程實現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能：開關(guān)SW1閉合時，小燈LIGHT1亮；SW1斷開時，小燈LIGHT1滅。任務(wù)1.5開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能的設(shè)計與實現(xiàn)1.5.2

開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能的應(yīng)用層程序設(shè)計見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設(shè)計07_Source（應(yīng)用層軟件構(gòu)件）的文件，以實現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能。1）工程總頭文件includes.h：包含04、05、06文件夾中的頭文件2）主程序源文件main.c：

初始化，在主循環(huán)中查詢開關(guān)狀態(tài)，并控制小燈亮、滅【學以致用與創(chuàng)新】實現(xiàn)多路開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的可移植和可復用，嵌入式硬件和嵌入式軟件均采用構(gòu)件化的設(shè)計思想，即對嵌入式硬件和嵌入式軟件進行封裝，供系統(tǒng)設(shè)計者調(diào)用，并倡導嵌入式軟件分層設(shè)計的理念，以大幅度降低嵌入式技術(shù)學習難度和開發(fā)難度。

本書特色：項目任務(wù)驅(qū)動，突出學以致用，注重實踐創(chuàng)新。每個項目且均采用了“通用知識”→“嵌入式構(gòu)件設(shè)計”→“應(yīng)用層程序設(shè)計”→“學以致用與創(chuàng)新”的學習流程。采用“搭積木”的思想，逐步提高嵌入式系統(tǒng)設(shè)計能力。

本書可作為高等學校電子信息類、計算機類、自動化類等專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計教材，也可作為嵌入式技術(shù)培訓教材，還可供從事嵌入式技術(shù)開發(fā)的工程技術(shù)人員參考。項目1：GPIO基礎(chǔ)應(yīng)用—實現(xiàn)閃燈和開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈項目3：GPIO和定時器的綜合應(yīng)用—實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤測控、測溫功能項目4：利用

UART

實現(xiàn)上位機和下位機的通信項目5：利用

Timer

實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能項目6：利用

ADC

設(shè)計簡易數(shù)字電壓表項目7：利用

SPI

實現(xiàn)多機串行通信項目8：利用

CAN

實現(xiàn)多機通信教

材

內(nèi)

容

項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈

在項目1中實現(xiàn)的小燈閃爍程序采用了完全軟件延時方式，即利用循環(huán)計數(shù)程序?qū)崿F(xiàn)軟件延時功能?！卷椖繉ёx】

該方式有兩大缺點：

①軟件延時一般用于粗略延時的場合；

②執(zhí)行延時子程序期間，CPU一直被占用而不能做其他事情，從而降低了CPU的利用率。項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈

為此，可使用MCU內(nèi)部可編程的定時/計數(shù)器實現(xiàn)延時。用戶根據(jù)需要設(shè)置定時時間，并啟動定時/計數(shù)器計數(shù)，當定時時間到時，它將自動產(chǎn)生一個定時輸出信號（通常是中斷請求信號）告知CPU，使CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時中斷服務(wù)程序，從而實現(xiàn)某些定時功能。定時/計數(shù)器在計數(shù)期間，與CPU并行工作，不占用CPU的工作時間。該方式通過簡單的程序設(shè)置即可實現(xiàn)準確的定時?！卷椖繉ёx】

【學習目標】（1）理解定時器的定時原理。（2）理解中斷的通用知識，包括中斷的基本概念、基本過程及管理機制。（3）熟悉MCU內(nèi)部定時器的功能特性，掌握MCU內(nèi)部定時器底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法。（4）學會利用MCU內(nèi)部定時中斷功能實現(xiàn)頻閃燈或流水燈的應(yīng)用層程序設(shè)計方法。*（5）熟悉MCU內(nèi)部定時器底層驅(qū)動構(gòu)件源文件的設(shè)計方法。項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈任務(wù)2.1理解定時器的定時原理定時器本質(zhì)上是一個對計數(shù)時鐘進行周期統(tǒng)計的計數(shù)器。

在上圖中，計數(shù)器采用增1計數(shù)。計數(shù)器從初值0開始計數(shù)，每經(jīng)過一個計數(shù)時鐘周期，計數(shù)器的值就加1，若計數(shù)器的值達到終值4，則在下一個時鐘到來時，計數(shù)器溢出，計數(shù)器的值恢復至初值0，然后進行下一輪的加1計數(shù)，如此重復。

定時器每一輪的定時時間t=

計數(shù)次數(shù)×計數(shù)時鐘周期

在上圖中，一輪的計數(shù)次數(shù)是5，若計數(shù)時鐘頻率為1kHz（計數(shù)時鐘周期為1ms），則一輪的定時時間為5ms。任務(wù)2.1理解定時器的定時原理對于n位（二進制）定時/計數(shù)器，計數(shù)器的終值最大值為2n－1，結(jié)合上圖，定時/計數(shù)器一輪計數(shù)次數(shù)最大值為2n。n位定時/計數(shù)器一輪的最大定時時間t：

t=2n×計數(shù)時鐘周期

=2n/計數(shù)時鐘頻率

f若

f=

時鐘源頻率/分頻系數(shù)，則

t=2n/(時鐘源頻率/分頻系數(shù))

【學以致用】

若定時器為16位，其時鐘源頻率為f，分頻系數(shù)為p，則一輪定時時間的范圍是多少？任務(wù)2.1理解定時器的定時原理

當計數(shù)器溢出時，定時器可向CPU發(fā)出中斷請求信號，使CPU暫停當前的工作，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)具體的定時功能（如改變小燈的狀態(tài)等）。任務(wù)2.2理解中斷的通用知識2.2.1中斷的基本概念1、中斷的含義

中斷，是指MCU在正常運行程序時，由于MCU內(nèi)核異常（內(nèi)核中斷）或

MCU各功能模塊發(fā)出請求事件（非內(nèi)核中斷），使MCU停止正在運行的程序，而轉(zhuǎn)去處理異常（使芯片復位或使MCU做出其他處理）或

執(zhí)行處理內(nèi)核外部事件的程序（中斷服務(wù)程序）。任務(wù)2.2理解中斷的通用知識2.2.1中斷的基本概念2、中斷源、中斷向量表

引起MCU中斷的事件稱為中斷源。MCU的中斷源分為兩類：內(nèi)核中斷源和非內(nèi)核中斷源。

STM32F103C8T6的中斷源見表2-1。

中斷向量號是每個中斷源的固定編號。中斷向量表是指按照中斷源的中斷向量號的固定順序，用于存放中斷服務(wù)程序入口地址（中斷向量）的一段連續(xù)存儲區(qū)域。

IRQ中斷號是每個中斷源的另一個編號，每一個編號代表一個中斷源。在芯片頭文件stm32f10x.h中，使用一個枚舉類型實現(xiàn)了IRQ中斷號的編排。任務(wù)2.2理解中斷的通用知識2.2.1中斷的基本概念

在進行MCU設(shè)計時，一般都定義了中斷源的優(yōu)先級。MCU在程序執(zhí)行過程中，若有兩個以上的中斷同時發(fā)生，則優(yōu)先級最高的中斷源最先得到響應(yīng)。

3、中斷優(yōu)先級、可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷

可屏蔽中斷，是指可通過編程方式關(guān)閉的中斷。不可屏蔽中斷，是指不能通過編程方式關(guān)閉的中斷。任務(wù)2.2理解中斷的通用知識2.2.2中斷的基本過程1、中斷請求

當某一中斷源需要CPU為其服務(wù)時，它會將對應(yīng)中斷源的中斷標志位置1，以便向CPU發(fā)出中斷請求信號。2、中斷檢測、中斷響應(yīng)和中斷處理

當CPU檢測到有中斷請求并響應(yīng)中斷請求時，首先保護現(xiàn)場（將CPU內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)依次壓入RAM堆棧中）；然后從目前等待的中斷源中取出優(yōu)先級最高中斷源的中斷向量，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序；最后恢復現(xiàn)場（從RAM堆棧依次彈出CPU內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)）、中斷返回（返回到中斷前的程序）。說明：上述過程是由系統(tǒng)自動完成的，用戶只需專注于主程序和中斷服務(wù)程序的設(shè)計。

【理解概念、觸類旁通】

舉出日常生活中利用中斷思想處理事情的例子。任務(wù)2.2理解中斷的通用知識2.2.3

CM3的非內(nèi)核模塊中斷管理機制1、CM3的中斷結(jié)構(gòu)及中斷過程

CM3的中斷結(jié)構(gòu)由模塊中斷源、嵌套向量中斷控制器（NestedVectoredInterruptController，NVIC）和

CM3內(nèi)核組成。

中斷過程分兩步：首先，模塊中斷源向NVIC發(fā)出中斷請求信號；然后，NVIC對發(fā)來的中斷信號進行管理，判斷該中斷是否使能，若使能，則通過私有外設(shè)總線發(fā)送給CM3內(nèi)核，由內(nèi)核進行中斷處理。任務(wù)2.2理解中斷的通用知識2.2.3

CM3的非內(nèi)核模塊中斷管理機制2、非內(nèi)核中斷使能（或禁止）配置步驟

若要使能一個非內(nèi)核中斷，則需要對其進行使能配置：

①將模塊中斷使能位置1，使模塊能夠發(fā)出中斷請求信號；

②調(diào)用內(nèi)核頭文件core_cm3.h中的NVIC_EnableIRQ函數(shù)，允許模塊的中斷請求。

若要禁止一個非內(nèi)核中斷，則首先將模塊中斷使能位清零，禁止該模塊發(fā)出中斷請求信號；然后調(diào)用內(nèi)核頭文件core_cm3.h中的NVIC_DisableIRQ函數(shù)，禁止模塊的中斷請求。任務(wù)2.3利用Timer定時中斷實現(xiàn)頻閃燈2.3.1MCU的Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法1、MCU的Timer的數(shù)量和功能特性

在STM32F103C8T6中，有4個16位的定時器（Timer）：TIM1~TIM4，均具有基本定時、脈寬調(diào)制（PWM）、輸入捕獲和輸出比較等多種功能。

4個定時器均有以下3種計數(shù)模式：

（1）向上計數(shù)：從0遞增計數(shù)到模值（計數(shù)終值），生成上溢事件，然后重新從0開始遞增計數(shù)。

（2）向下計數(shù)：從模值（計數(shù)初值）遞減計數(shù)到0，生成下溢事件，然后重新從模值開始遞減計數(shù)。

（3）向上/向下雙向計數(shù)：從0遞增計數(shù)到模值-1，生成上溢事件；然后從模值遞減計數(shù)到1，生成下溢事件。之后，計數(shù)器從0開始重新計數(shù)。

【學以致用】結(jié)合圖2-1，分別畫出定時器在計數(shù)初值為5時對應(yīng)的向下計數(shù)模式示意圖

和

定時器在計數(shù)初值為0、模值為5時對應(yīng)的向上/向下雙向計數(shù)模式示意圖。任務(wù)2.3利用Timer定時中斷實現(xiàn)頻閃燈2.3.1MCU的Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法1、MCU的Timer的數(shù)量和功能特性

利用定時器實現(xiàn)基本定時功能時，一般采用向上或向下計數(shù)模式。對于16位定時器，一輪計數(shù)次數(shù)最大值為65536。根據(jù)定時器原理，在時鐘源頻率、分頻系數(shù)確定的情況下，可計算出定時器一輪的定時時間范圍。任務(wù)2.3利用Timer定時中斷實現(xiàn)頻閃燈2.3.1MCU的Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法2、MCU的Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件的組成及使用方法

Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件由timer.h頭文件和timer.c源文件組成，若要使用Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件，只需將這兩個文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅(qū)動構(gòu)件）文件夾中，即可實現(xiàn)對Timer的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

其中，timer.h頭文件主要包括相關(guān)頭文件的包含、一些必要的宏定義、對外接口函數(shù)的聲明，而timer.c源文件則是對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)，初學者不必深究。

用戶只要熟悉timer.h頭文件的內(nèi)容，即可使用Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件進行編程。任務(wù)2.3利用Timer定時中斷實現(xiàn)頻閃燈2.3.1MCU的Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法2、MCU的Timer基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件的組成及使用方法【學以致用】

根據(jù)timer.h頭文件，寫出實現(xiàn)下列功能的函數(shù)調(diào)用語句。

（1）對定時器TIMER1進行基本定時功能初始化，定時時間10ms。

（2）使能定時器TIMER1的更新中斷。

（3）獲取定時器TIMER1的更新標志。

（4）清除定時器TIMER1的更新標志。任務(wù)2.3利用Timer定時中斷實現(xiàn)頻閃燈2.3.2利用Timer定時中斷實現(xiàn)頻閃燈的應(yīng)用層程序設(shè)計

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設(shè)計07_Source（應(yīng)用層軟件構(gòu)件）的文件，以實現(xiàn)小燈閃爍的效果。1）工程總頭文件includes.h：

包含04、05、06文件夾中的頭文件2）主程序源文件main.c：

初始化，指定定時器的定時時間；使能定時器更新中斷在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx【思路總結(jié)】

畫出上述程序的設(shè)計和執(zhí)行流程圖，總結(jié)使用中斷的嵌入式應(yīng)用層程序設(shè)計方法。3）中斷服務(wù)程序源文件isr.c：在定時中斷服務(wù)程序中，實現(xiàn)定時功能

使用中斷的嵌入式應(yīng)用層程序，一共有兩條獨立的程序運行線，一條是main.c文件中的主程序運行路線，另一條是isr.c文件中的中斷程序運行線。任務(wù)2.3利用Timer定時中斷實現(xiàn)頻閃燈2.3.2利用Timer定時中斷實現(xiàn)頻閃燈的應(yīng)用層程序設(shè)計1）工程總頭文件includes.h：

包含04、05、06文件夾中的頭文件2）主程序源文件main.c：

定義全局變量；初始化；根據(jù)全局變量