32单片机从入门到精通之软件编程——初始化设置（八）

你要坚信，任何事情都有可能实现。无论是追求理想、实现目标，还是战胜困难、克服挑战，只要你拥有坚定的信念和不屈的意志，就能够战胜一切困难。每一次挫折都是成长的机会，每一次失败都是成功的基石。不要害怕失败，只要你敢于追求，就会成为最好的自己。在艰难的时刻，不要放弃，要相信自己的实力和潜力。努力不一定成功，但放弃就一定失败。坚持自己的梦想，不畏艰难险阻，相信自己的能力，追求卓越，你一定能够创造属于自己的辉煌。

上一张试卷讲解

一、选择题（每题2分，共10分）

二、简答题（每题10分，共30分）

三、编程题（每题20分，共40分）

四、分析题（每题15分，共30分）

五、应用设计题（每题15分，共15分）

STM32项目初始化设置与main()函数编写

[1. 使用STM32CubeMX进行项目初始化](#1. 使用STM32CubeMX进行项目初始化)

[2. 编写 main() 函数](#2. 编写 main() 函数)

[3. 详细讲解知识点和代码案例](#3. 详细讲解知识点和代码案例)

[初始化HAL库 (HAL_Init())](#初始化HAL库 (HAL_Init()))

[配置系统时钟 (SystemClock_Config())](#配置系统时钟 (SystemClock_Config()))

[初始化外设 (MX_GPIO_Init())](#初始化外设 (MX_GPIO_Init()))

[主循环 (while (1))](#主循环 (while (1)))

[GPIO初始化 (MX_GPIO_Init())](#GPIO初始化 (MX_GPIO_Init()))

[系统时钟配置 (SystemClock_Config())](#系统时钟配置 (SystemClock_Config()))

上一张试卷讲解

一、选择题（每题2分，共10分）

下列哪一项不是ST-Link的主要用途？
- A) 在线调试
- B) 烧录程序
- C) 直接访问硬件寄存器
- D) USB转串口适配 正确答案：C) 直接访问硬件寄存器
关于ST-Link V3相比V2的优势，以下说法正确的是：
- A) 更低的数据传输速率
- B) 减少I/O引脚数量
- C) 支持更少类型的内核
- D) 增强了调试能力 正确答案：D) 增强了调试能力
SWD接口相比于JTAG接口的主要优点是什么？
- A) 需要更多信号线
- B) 占用较少引脚资源
- C) 不适用于ARM Cortex-M内核MCU
- D) 功能更加全面 正确答案：B) 占用较少引脚资源
如果需要同时调试多个核心或设备链路，应该优先选择哪种接口？
- A) SWD
- B) JTAG
- C) UART
- D) SPI 正确答案：B) JTAG
在STM32CubeMX中生成初始化代码时，默认使用的库是哪一个？
- A) LL库
- B) HAL库
- C) Standard Peripheral Library
- D) 自定义库 正确答案：B) HAL库

二、简答题（每题10分，共30分）

解释为什么对于大多数STM32应用来说，ST-Link V3搭配SWD接口是一个理想的选择，并列出至少两个理由。

对于大多数STM32应用而言，ST-Link V3搭配SWD接口是理想选择的理由包括：
- 更高的数据传输速率：ST-Link V3提供了更快的传输速度，这提高了调试效率，尤其是在处理大数据量或频繁读写内存的情况下。
- 节省引脚资源：SWD接口仅需两根信号线（SWCLK和SWDIO），减少了对微控制器引脚的需求，这对于小型封装或资源受限的应用尤为重要。
描述如何在STM32CubeMX中配置项目以确保使用SWD接口进行调试。

要确保在STM32CubeMX中使用SWD接口进行调试，可以按照以下步骤操作：
- 打开"Pinout & Configuration"标签页。
- 在左侧找到并点击"Project Manager"。
- 在"Settings"选项卡下，找到"Debug"设置。
- 将"Interface"选项设置为"SWD"。
- 完成其他必要的外设配置后，点击"GENERATE CODE"按钮生成代码。
举例说明一个场景，在这个场景中你会选择JTAG而不是SWD接口来进行调试，并解释原因。

如果是在一个多核处理器或多设备链路上工作，比如开发一款复杂的嵌入式系统，其中包含多个STM32芯片或其它支持JTAG的器件，那么我会选择JTAG接口。因为JTAG可以在一条链路上连接多个器件，允许同时调试多个核心或设备，这是SWD接口所不具备的功能。

三、编程题（每题20分，共40分）

编写一段C代码，使用HAL库配置并启动一个定时器，使其每隔1秒触发一次中断。请包括必要的初始化步骤，并添加适当的注释。

#include "main.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"

TIM_HandleTypeDef htim2;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_TIM2_Init(void);

int main(void)
{
    // 初始化HAL库
    HAL_Init();
    
    // 配置系统时钟
    SystemClock_Config();
    
    // 初始化GPIO和其他外设
    MX_GPIO_Init();
    MX_TIM2_Init();
    
    // 开启定时器更新中断
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);
    
    // 主循环等待中断发生
    while (1) {}
}

static void MX_TIM2_Init(void)
{
    TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 8399; // 设置预分频值，假设系统时钟为84MHz
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 9999; // 每10000个计数周期溢出，即1秒
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
    if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
    if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
    sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
    if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Instance == TIM2)
    {
        // 每次定时器溢出时执行的代码
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5); // 切换LED状态
    }
}

void Error_Handler(void)
{
    while (1)
    {
        // 错误处理逻辑
    }
}

编写一段C代码，使用LL库实现GPIO引脚的配置为推挽输出模式，并使LED连接到该引脚上闪烁。要求代码适用于STM32系列微控制器，并附上详细注释。

#include "stm32f4xx_ll_bus.h"
#include "stm32f4xx_ll_gpio.h"
#include "stm32f4xx_ll_rcc.h"
#include "stm32f4xx_ll_system.h"
#include "stm32f4xx_ll_utils.h"

void SystemClock_Config(void);

int main(void)
{
    // 初始化系统时钟
    SystemClock_Config();

    // 启用GPIOA时钟
    LL_AHB1_GRP1_EnableClock(LL_AHB1_GRP1_PERIPH_GPIOA);

    // 配置PA5引脚为推挽输出模式
    LL_GPIO_SetPinMode(GPIOA, LL_GPIO_PIN_5, LL_GPIO_MODE_OUTPUT);
    LL_GPIO_SetPinSpeed(GPIOA, LL_GPIO_PIN_5, LL_GPIO_SPEED_FREQ_LOW);
    LL_GPIO_SetPinOutputType(GPIOA, LL_GPIO_PIN_5, LL_GPIO_OUTPUT_PUSHPULL);
    LL_GPIO_SetPinPull(GPIOA, LL_GPIO_PIN_5, LL_GPIO_PULL_NO);

    // LED闪烁主循环
    while (1)
    {
        // 切换LED状态
        LL_GPIO_TogglePin(GPIOA, LL_GPIO_PIN_5);

        // 延迟500ms
        LL_mDelay(500);
    }
}

void SystemClock_Config(void)
{
    // 此处省略具体时钟配置代码，因为这取决于具体的STM32型号和需求
}

四、分析题（每题15分，共30分）

比较JTAG和SWD接口在实际应用中的优缺点，并说明在什么情况下应该选择其中一个而不是另一个。

JTAG接口的优点：

支持多设备链路调试，适合复杂系统或多个核心的调试。
提供更多的功能，如边界扫描测试等。

JTAG接口的缺点：

需要更多的引脚资源（通常为4或5个信号线）。
硬件成本较高，且布线复杂度增加。

SWD接口的优点：

只需两根信号线（SWCLK和SWDIO），节省引脚资源。
简化了PCB布局设计，降低了硬件成本。

SWD接口的缺点：

不支持多设备链路调试。
功能相对JTAG较少。

选择建议：

如果您的应用场景较为简单，或者您希望减少引脚占用，那么SWD接口将是更好的选择。
如果您正在开发一个多核或需要同时调试多个设备的系统，则应考虑使用JTAG接口。

深入探讨在项目初期选择ST-Link V2还是V3时应考虑的因素，并给出针对不同项目类型的推荐。

在项目初期选择ST-Link V2还是V3时，应考虑以下几个因素：

性能需求：如果您需要更高的数据传输速率和更低的延迟，那么ST-Link V3是更好的选择。
成本控制：如果预算有限，而性能需求不高，可以选择ST-Link V2。
未来扩展性：如果您预计未来可能会有更复杂的需求，例如支持更多类型的内核或额外的功能，那么ST-Link V3将提供更大的灵活性。
团队技能水平：对于新手开发者来说，ST-Link V2可能更容易上手；但对于有经验的开发者，ST-Link V3提供了更多的可能性。

五、应用设计题（每题15分，共15分）

设计一个简单的温度监控系统，该系统使用STM32微控制器、温度传感器以及LCD显示器。请详细描述你将如何根据系统的性能需求选择合适的调试接口（JTAG或SWD），并说明选择的理由。此外，请概述如何利用所选接口的功能来优化开发流程和系统性能。

设计思路：

硬件选择：选用带有ADC模块的STM32微控制器来读取温度传感器的模拟信号，并通过SPI/I2C接口连接LCD显示器显示测量结果。
软件架构 ：
- 库的选择：考虑到这是一个相对简单的应用，且需要快速开发和良好的用户体验，我们选择了HAL库。这是因为HAL库提供了易于使用的API，可以大大缩短开发时间，同时也保证了足够的性能来满足日常监控的需求。
- 初始化配置：使用STM32CubeMX工具生成初始化代码，自动配置时钟、ADC、SPI/I2C等外设。
- 数据采集与处理：利用HAL库提供的ADC驱动程序定期采样温度传感器的数据，并通过SPI/I2C库发送给LCD显示器。
- 用户界面：编写简单的菜单系统供用户查看当前温度值或其他相关信息。
- 优化措施 ：
  - 使用DMA传输方式来提高ADC采样的速度和稳定性。
  - 如果LCD支持，采用双缓冲技术来减少屏幕刷新时的闪烁现象。
  - 实现低功耗模式，在没有新的传感器数据到来之前让MCU进入休眠状态以节省电量。

调试接口选择：

选择理由：对于这样一个相对简单的单片机应用，SWD接口是理想的选择。它只需两根信号线，减少了引脚占用，并且在大多数情况下性能已经足够。除非未来计划扩展到多核或多设备链路调试，否则SWD接口能够满足所有调试需求。
优化开发流程 ：
- 简化硬件设计：由于只需要两根信号线，PCB布局更加简单，降低了制造成本。
- 加快调试速度：ST-Link V3搭配SWD接口提供了较快的数据传输速率，使得调试过程更为流畅。
- 便于故障排除：通过SWD接口可以直接访问内部状态信息，帮助快速定位问题。

综上所述，通过对调试接口的合理选择，不仅可以加速开发进度，还能保持较高的代码可读性和维护性，从而有效提升系统的整体性能。

STM32项目初始化设置与`main()`函数编写

在本节中，我们将详细介绍如何使用STM32CubeMX进行项目初始化，并自动配置时钟树、GPIO和其他外设。然后，我们将编写main()函数作为应用程序的入口点，同时提供详细的代码解释和注释。

1. 使用STM32CubeMX进行项目初始化

步骤1：创建新项目

打开STM32CubeMX软件。
点击"New Project"按钮，选择您的STM32型号（例如STM32F407VG），然后点击"Start"。

步骤2：配置系统时钟

在主界面左侧的"Pinout & Configuration"标签页中，找到并点击"Clock Configuration"。
根据您的应用需求调整PLL设置，确保系统时钟达到所需的频率。对于STM32F4系列，常见的配置是168MHz或更高。
确认所有设置后，点击"Project"菜单下的"Generate Code"，这将根据您的配置生成初始化代码。

步骤3：配置GPIO和其他外设

回到"Pinout & Configuration"标签页，配置所需的GPIO引脚。例如，如果您需要控制一个LED，可以选择一个GPIO引脚（如PD12）并将其模式设置为推挽输出。
对于其他外设（如UART、SPI、I2C等），在相应的外设列表中找到它们，并配置其参数。比如，启用USART1用于串行通信，配置波特率等参数。
如果需要，还可以配置定时器、ADC、DAC等其他外设。

步骤4：生成代码

完成所有配置后，点击"Project"菜单下的"Generate Code"。这一步会根据您的配置自动生成初始化代码，并打开STM32CubeIDE或其他指定的IDE。

2. 编写 `main()` 函数

在生成的代码框架中，您需要编辑main.c文件来实现应用程序逻辑。以下是一个完整的示例，它实现了LED闪烁的功能，并详细解释了每个部分的作用。

#include "main.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"

// 定义LED引脚
#define LED_PIN GPIO_PIN_12
#define LED_GPIO_PORT GPIOD

// 主函数入口
int main(void)
{
    // 初始化HAL库，准备使用HAL库中的API
    HAL_Init();

    // 配置系统时钟，确保MCU运行在正确的频率下
    SystemClock_Config();

    // 初始化所有已配置的外设，包括GPIO、定时器等
    MX_GPIO_Init();
    
    // 主循环
    while (1)
    {
        // 切换LED状态，即开/关LED
        HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_PORT, LED_PIN);
        
        // 延迟500毫秒，使LED闪烁效果明显
        HAL_Delay(500);
    }
}

// GPIO初始化函数，由STM32CubeMX自动生成
static void MX_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    // 启用GPIOD端口的时钟，这是操作该端口之前必须做的
    __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
    
    // 配置LED引脚为推挽输出模式
    GPIO_InitStruct.Pin = LED_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(LED_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

    // 初始化完成后，先关闭LED
    HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_PORT, LED_PIN, GPIO_PIN_RESET);
}

// 系统时钟配置函数（由STM32CubeMX自动生成）
void SystemClock_Config(void)
{
    // 此处省略具体时钟配置代码，因为这取决于具体的STM32型号和需求
}

3. 详细讲解知识点和代码案例

初始化HAL库 (`HAL_Init()`)

HAL_Init() 函数初始化HAL库，设置全局变量并准备使用HAL库中的API。这是任何基于HAL库的应用程序的第一步。

配置系统时钟 (`SystemClock_Config()`)

SystemClock_Config() 函数配置系统的时钟树，确保微控制器以正确的工作频率运行。此函数由STM32CubeMX根据您的配置自动生成，您可以在此函数中调整PLL设置等参数。

初始化外设 (`MX_GPIO_Init()`)

MX_GPIO_Init() 函数初始化所有已配置的外设，包括GPIO、定时器等。这个函数也是由STM32CubeMX根据您的配置自动生成的。它负责设置引脚模式、速度、上下拉电阻等属性。

主循环 (`while (1)`)

主循环是应用程序的主要执行区域。在这个例子中，我们通过调用HAL_GPIO_TogglePin()切换LED的状态，并使用HAL_Delay()函数产生500毫秒的延迟，从而实现LED的闪烁效果。

GPIO初始化 (`MX_GPIO_Init()`)

这个函数配置特定的GPIO引脚（如PD12）为推挽输出模式，并设置初始状态为关闭LED。__HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE()启用GPIOD端口的时钟，这是操作该端口的前提条件。

系统时钟配置 (`SystemClock_Config()`)

该函数配置系统的时钟树，确保MCU工作在正确的频率。具体配置内容由STM32CubeMX根据所选的微控制器型号和用户设定的参数自动生成。

通过上述步骤，可以轻松地使用STM32CubeMX进行项目初始化，并编写main()函数作为应用程序的入口点。STM32CubeMX生成的代码提供了一个良好的起点，可以专注于特定的应用需求而不必担心底层硬件细节。

试卷

一、选择题（每题2分，共10分）

下列哪一项不是ST-Link的主要用途？
- A) 在线调试
- B) 烧录程序
- C) 直接访问硬件寄存器
- D) USB转串口适配
关于ST-Link V3相比V2的优势，以下说法正确的是：
- A) 更低的数据传输速率
- B) 减少I/O引脚数量
- C) 支持更少类型的内核
- D) 增强了调试能力
SWD接口相比于JTAG接口的主要优点是什么？
- A) 需要更多信号线
- B) 占用较少引脚资源
- C) 不适用于ARM Cortex-M内核MCU
- D) 功能更加全面
如果需要同时调试多个核心或设备链路，应该优先选择哪种接口？
- A) SWD
- B) JTAG
- C) UART
- D) SPI
在STM32CubeMX中生成初始化代码时，默认使用的库是哪一个？
- A) LL库
- B) HAL库
- C) Standard Peripheral Library
- D) 自定义库

二、简答题（每题10分，共30分）

解释为什么对于大多数STM32应用来说，ST-Link V3搭配SWD接口是一个理想的选择，并列出至少两个理由。
描述如何在STM32CubeMX中配置项目以确保使用SWD接口进行调试。
举例说明一个场景，在这个场景中你会选择JTAG而不是SWD接口来进行调试，并解释原因。

三、编程题（每题20分，共40分）

编写一段C代码，使用HAL库配置并启动一个定时器，使其每隔1秒触发一次中断。请包括必要的初始化步骤，并添加适当的注释。
编写一段C代码，使用LL库实现GPIO引脚的配置为推挽输出模式，并使LED连接到该引脚上闪烁。要求代码适用于STM32系列微控制器，并附上详细注释。

四、分析题（每题15分，共30分）

比较JTAG和SWD接口在实际应用中的优缺点，并说明在什么情况下应该选择其中一个而不是另一个。
深入探讨在项目初期选择ST-Link V2还是V3时应考虑的因素，并给出针对不同项目类型的推荐。

五、应用设计题（每题15分，共15分）

设计一个简单的温度监控系统，该系统使用STM32微控制器、温度传感器以及LCD显示器。请详细描述你将如何根据系统的性能需求选择合适的调试接口（JTAG或SWD），并说明选择的理由。此外，请概述如何利用所选接口的功能来优化开发流程和系统性能。