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1 - 环境搭建与代码移植

课程定位： 5天IoT实训 · 第一天
主题： 重新上手 STM32F407 · 工程模板 · 寄存器/库函数点灯 · SysTick 延时
目标硬件： STM32F407ZET6 开发板（LED1 → PG14，LED2 → PG13，LED3 → PG6）

一、开发环境安装​

1.1 安装 Keil5 MDK​

Keil安装步骤1

Keil安装步骤2

安装步骤：

  1. 下载 MDK-ARM v5.x 安装包（官网或课程资料包）
  2. 以管理员身份运行安装程序，路径不要有中文或空格
  3. 安装完成后打开 Keil，菜单 File → License Management 激活
版本说明

本课程统一使用 Keil MDK v5.36+，编译器选 ARM Compiler 5（AC5）。

1.2 安装 STM32F4 芯片支持包​

芯片支持包配置

方法一：在线安装（需要网络）

  1. 打开 Keil → Pack Installer
  2. 在 Device 栏搜索 STM32F407
  3. 找到 Keil::STM32F4xx_DFP，点击 Install

方法二：离线安装（推荐，速度快）

# 双击 .pack 文件直接安装，或从命令行：
# 将 .pack 文件放到 Keil 安装目录的 Packs 文件夹后重启即可

1.3 认识 .s 启动文件​

STM32启动文件说明

STM32 上电后第一个执行的不是 main()，而是汇编启动文件 startup_stm32f40_41xxx.s：

启动文件完成的工作说明
初始化堆栈指针 SP指向 RAM 末尾
复制 .data 段到 RAM初始化全局变量
清零 .bss 段未初始化全局变量赋 0
调用 SystemInit()配置系统时钟
跳转到 main()开始执行用户代码

二、工程模板结构​

本课程统一使用三层分层架构：

STM32F407_ProjectTemplate/
├── app/
│   └── main.c              ← 应用层：业务逻辑
├── board/
│   └── board.c             ← 板级初始化：SysTick 延时
├── bsp/
│   └── uart/
│       ├── bsp_uart.c      ← 串口驱动（UART1）
│       └── bsp_uart.h
├── module/
│   └── stm32f4xx_it.c      ← 中断服务函数
├── libraries/
│   ├── CMSIS/              ← ARM 内核头文件
│   └── STM32F4xx_StdPeriph_Driver/  ← ST 标准外设库
└── project/MDK(V5)/        ← Keil 工程文件 (.uvprojx)
分层设计原则
  • app层 只调用 BSP 接口，不直接操作寄存器
  • bsp层 封装具体硬件，换板子只改这里
  • libraries层 不修改，保持原厂代码

BSP在32中的位置

三、GPIO 点灯​

3.1 方式1：寄存器直接操作​

目标： 点亮 LED1（PG14，低电平亮）

步骤拆解​

/* 1. 开启 GPIOG 时钟 —— AHB1ENR 第 6 位置 1 */
RCC->AHB1ENR |= (0x01 << 6);

/* 2. 配置 PG14 为输出模式 —— MODER[29:28] = 01 */
GPIOG->MODER &= ~(0x03 << (14 * 2));   // 先清零（防脏数据）
GPIOG->MODER |=  (0x01 << (14 * 2));   // 写入输出模式

/* 3. 配置输出速度为最高速 —— OSPEEDR[29:28] = 11 */
GPIOG->OSPEEDR |= (0x03 << (14 * 2));

/* 4. 无上下拉 —— PUPDR[29:28] = 00 */
GPIOG->PUPDR &= ~(0x03 << (14 * 2));

/* 5. ODR 输出低电平 → LED 亮 */
GPIOG->ODR &= ~(0x01 << 14);

寄存器速查​

寄存器作用地址偏移
AHB1ENR外设时钟使能0x30
MODER引脚模式（输入/输出/AF/模拟）0x00
OSPEEDR输出速度0x08
PUPDR上下拉0x0C
ODR输出数据（直接写）0x14
BSRR置位/复位（原子操作）0x18
为什么先 &= ~ 再 |=？

每个引脚占 MODER 中 2 位。直接 |= 会把原有的位叠加进去（例如本来是 10 模拟模式，你只想设 01 输出，直接 |= 变成 11，实际是 AF 模式）。必须先清零对应位，再写入目标值。

3.2 方式2：标准外设库函数​

目标： 点亮 LED2（PG13）

#include "board.h"

int main(void)
{
    board_init();  // 初始化系统（SysTick 等）

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    /* 1. 使能 GPIOG 时钟 */
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG, ENABLE);

    /* 2. 配置引脚参数 */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_13;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_OUT;   // 输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;   // 推挽
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_NOPULL;

    /* 3. 初始化 */
    GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);

    /* 4. 输出低电平 → LED 亮 */
    GPIO_ResetBits(GPIOG, GPIO_Pin_13);

    while (1) {}
}

库函数对比寄存器操作​

操作寄存器写法库函数写法
开时钟RCC->AHB1ENR |= (1<<6)RCC_AHB1PeriphClockCmd(GPIOG, ENABLE)
输出低GPIOG->ODR &= ~(1<<13)GPIO_ResetBits(GPIOG, GPIO_Pin_13)
输出高GPIOG->ODR |= (1<<13)GPIO_SetBits(GPIOG, GPIO_Pin_13)
翻转GPIOG->ODR ^= (1<<13)GPIO_ToggleBits(GPIOG, GPIO_Pin_13)
库函数优缺点

优点： 可读性好，移植方便，不容易出错
缺点： 代码体积稍大，执行效率略低
本课程选择： 驱动层使用库函数，追求极致性能的场合再看寄存器

四、SysTick 延时函数​

4.1 SysTick 是什么​

SysTick 是 Cortex-M4 内核自带的 24 位递减计数器，每个系统时钟周期减 1，减到 0 时产生中断（或轮询检测）。STM32F407 默认主频 168 MHz，1 个时钟周期 = 约 5.95 ns。

4.2 初始化（board_init）​

void board_init(void)
{
    // 中断向量表定位到 Flash 起始
    SCB->VTOR = (0x08000000 & 0x3FFFFF80);

    // SysTick 时钟源选系统时钟（168 MHz）
    SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK);

    // 重装值设为最大（0xFFFF），先让它跑起来
    SysTick->LOAD = 0xFFFF;

    // 使能 SysTick，开始计数
    SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
}

4.3 微秒延时实现​

void delay_us(uint32_t _us)
{
    uint32_t ticks = _us * (SystemCoreClock / 1000000); // 需要等待的节拍数
    uint32_t told  = SysTick->VAL;  // 记录起始计数值
    uint32_t tcnt  = 0;

    while (1)
    {
        uint32_t tnow = SysTick->VAL;
        if (tnow != told)
        {
            // 计数器递减，tnow < told 是正常情况
            // tnow > told 说明发生了一次溢出回绕
            tcnt += (tnow < told) ? (told - tnow)
                                  : (SysTick->LOAD - tnow + told);
            told = tnow;
            if (tcnt >= ticks) break;
        }
    }
}

void delay_ms(uint32_t _ms) { delay_us(_ms * 1000); }

要点： 使用"差值累加"而不是"固定计时"，正确处理了计数器溢出回绕的情况。

4.4 LED 闪烁实验​

目标： LED3（PG6）每隔 1 秒翻转一次

int main(void)
{
    board_init();

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_OUT;
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_NOPULL;
    GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);

    while (1)
    {
        GPIO_SetBits(GPIOG, GPIO_Pin_6);   // 灭
        delay_ms(1000);
        GPIO_ResetBits(GPIOG, GPIO_Pin_6); // 亮
        delay_ms(1000);
    }
}

五、UART1和printf重定向​

5.1 UART1 引脚​

信号引脚说明
TXPA9发送，需配置为复用推挽（AF7）
RXPA10接收，配置为复用模式

5.2 初始化代码​

void uart1_init(uint32_t baud)
{
    GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef  NVIC_InitStructure;

    /* 1. 开启时钟 */
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

    /* 2. IO 复用为 USART1（AF7） */
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource9,  GPIO_AF_USART1);
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_USART1);

    /* 3. 配置 PA9 TX */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_UP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    /* 4. 配置 PA10 RX（同上） */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    /* 5. USART1 参数 */
    USART_InitStructure.USART_BaudRate            = baud;
    USART_InitStructure.USART_WordLength          = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits            = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity              = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_Mode                = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    /* 6. 使能接收中断 */
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);

    /* 7. NVIC：中断优先级 */
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel                   = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority        = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd                = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

5.3 printf 重定向​

通过重写 fputc 函数，将 printf 的输出绑定到 USART1：

int fputc(int ch, FILE *f)
{
    USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch);
    // 等待发送完成
    while (RESET == USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE)) {}
    return ch;
}

使用前提： Keil 工程 Options → Target → 勾选 Use MicroLIB（否则需要额外配置 __FILE 结构体）

六、课后验收标准​

验收项判断方式目标
编译下载Keil 0 错误 0 警告✅
寄存器点灯LED1（PG14）常亮✅
库函数点灯LED2（PG13）常亮✅
SysTick 闪烁LED3（PG6）每秒闪一次✅
printf 输出串口助手（115200）收到开机打印✅

七、常见问题​

Q: 编译提示 cannot open source file "stm32f4xx.h"？
A: 芯片支持包未安装，或 Keil 工程 Include Path 未包含 libraries/CMSIS/Include 和标准库头文件路径。

Q: 下载后 LED 不亮，但编译没报错？
A: 检查以下几点：① J-Link/ST-Link 驱动是否安装；② Keil Flash Download 选项是否选对芯片；③ LED 正负极方向（本板低电平亮）；④ 是否忘记调用 board_init()。

Q: delay_ms(1000) 实际只延时了几毫秒？
A: SystemCoreClock 获取的频率不对，检查 system_stm32f4xx.c 中的 PLL 配置是否与实际晶振匹配（外部晶振通常 8 MHz 或 25 MHz）。

Q: printf 没有输出？
A: ① 检查是否勾选了 MicroLIB；② 串口助手波特率是否为 115200；③ USB-TTL 线 TX/RX 是否交叉连接（板 TX → 模块 RX）。

八、课程代码索引​

本课程配套代码位于 STM32F407ZE代码/ 目录，共 15 个递进式实验工程 + 预编译烧录文件，按难度顺序排列。

8.1 工程总览​

编号工程名称核心知识点关键源文件
001寄存器点灯直接操作 RCC/GPIO 寄存器，位操作置位/清位app/main.c
002库函数点灯标准外设库 GPIO_Init + GPIO_SetBitsapp/main.c
003滴答定时器灯闪烁SysTick 差值累加延时，溢出回绕处理board/board.c
004位带操作Cortex-M4 位带别名区，单比特原子读写app/main.c
005串口打印信息UART1 初始化 + fputc printf 重定向bsp/uart/bsp_uart.c
006按键点灯GPIO 输入轮询 + 软件消抖app/main.c
007外部中断按键点灯EXTI 外部中断配置，NVIC 优先级分组app/main.c
008定时器灯闪烁TIM 基本定时器中断，ARR/PSC 计算app/main.c
009PWM 呼吸灯TIM 输出比较 PWM 模式，占空比渐变app/main.c
010串口中断DMA接收二合一UART 中断 + DMA 接收不定长数据帧bsp/uart/bsp_uart.c
011ADC 采集ADC1 规则通道单次转换，DMA 搬运结果app/main.c
012软件I2C (SHT20)GPIO 模拟 I2C 时序，读取温湿度传感器bsp/bsp_sht20.c
013软件SPI (Flash)GPIO 模拟 SPI 四线时序，W25Q128 读写bsp/flash/spi_flash.c
014硬件SPI (Flash)SPI 外设硬件加速，DMA 提升吞吐bsp/flash/spi_flash.c
015RTC 时钟实验RTC 掉电保持（VBAT），日期时间读写bsp/rtc/rtc.c

8.2 工程结构（统一模板）​

所有工程均采用相同的三层分层架构：

STM32F407ZE代码/
├── 001寄存器点灯/
│   └── STM32F407_ProjectTemplate/
│       ├── app/
│       │   └── main.c              ← 应用层业务逻辑
│       ├── board/
│       │   ├── board.c             ← SysTick 延时、系统初始化
│       │   └── board.h
│       ├── bsp/
│       │   └── uart/
│       │       ├── bsp_uart.c      ← 串口驱动（printf 重定向）
│       │       └── bsp_uart.h
│       ├── module/
│       │   ├── stm32f4xx_conf.h    ← 外设库使能配置
│       │   └── stm32f4xx_it.c      ← 中断服务函数
│       └── libraries/              ← ST 标准外设库（不修改）
│
├── 012软件I2C(SHT20)/              ← 新增 bsp_sht20.c/h
├── 013软件SPI(flash)/              ← 新增 bsp/flash/spi_flash.c/h
├── 014硬件SPI(flash)/              ← 新增 bsp/flash/spi_flash.c/h
├── 015RTC时钟实验(可做掉电实验)/   ← 新增 bsp/rtc/rtc.c/h
│
└── 测试/                           ← 预编译 .hex，可直接烧录验证
    ├── 001寄存器点灯.hex
    ├── 002库函数点灯.hex
    ├── 003滴答定时器灯闪烁.hex
    ├── 004位带操作.hex
    ├── 005串口打印信息.hex
    ├── 006按键点灯.hex
    ├── 007外部中断按键点灯.hex
    ├── 008定时器灯闪烁.hex
    ├── 010串口中断DMA接收二合一.hex
    ├── 011ADC采集.hex
    ├── 012软件I2C(SHT20).hex
    ├── 013软件SPI(flash).hex
    ├── 014硬件SPI(flash).hex
    └── 015RTC时钟实验(可做掉电实验).hex

8.3 Day 1 重点工程​

与本天内容直接相关的工程：

工程与 Day 1 的关联
001 寄存器点灯对应第三章：直接操作 RCC/GPIO 寄存器控制 LED1（PG14）
002 库函数点灯对应第三章：使用标准外设库控制 LED2（PG13）
003 滴答定时器灯闪烁对应第四章：SysTick 延时 + LED3（PG6）每秒闪烁
005 串口打印信息对应第五章：UART1 初始化 + printf 重定向
快速验证

不想重新编译？直接用 测试/ 目录下的 .hex 文件通过 Keil Flash 或 ST-Link Utility 烧录即可，每个实验约 30 秒完成验证。

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