STM32 学习笔记（四）：OLED 显示屏与 Keil 调试
本文以 STM32F103C8T6、0.96 寸 OLED 模块、STM32F10x 标准外设库和 Keil μVision 为例，学习显示屏的基本使用方法，并介绍 Keil 调试器的常用功能。
一、程序调试
单片机程序调试，常用的方法主要有三种：串口调试、显示屏调试和 Keil 调试。它们就像三种不同的"观察窗口"：串口和显示屏适合观察程序运行时主动输出的信息，Keil 调试则可以暂停程序，查看它当前执行到了哪一步。
串口调试
串口调试是最常见的调试方法之一。单片机通过串口通信把变量值、运行状态或错误提示发送给电脑，电脑再使用串口助手显示这些信息。
在设计 PCB 时，常常会在板边预留串口引脚或调试接口。需要调试程序时，把单片机的串口与电脑连接起来，就可以在串口助手中观察程序运行状态。例如，可以输出当前传感器数值、按键状态或某个函数是否被执行。
串口调试的优点是运行过程中不会频繁暂停程序，适合观察连续变化的数据；缺点是需要额外的串口硬件和通信代码，而且输出过多的信息可能影响程序的实时性。
显示屏调试
显示屏调试是把单片机内部的调试信息直接显示在屏幕上，例如显示变量值、状态编号或传感器结果。这种方法不需要电脑一直连接在旁边，适合在脱离电脑的情况下观察设备运行状态。
不过，显示屏本身也需要初始化和驱动。如果显示屏驱动还没有调通，就不能把它作为唯一的调试手段，否则容易出现"为了调试显示屏，先要调试显示屏"的循环问题。
Keil 调试
Keil 调试需要借助 ST-Link 等硬件调试器。进入调试模式后，可以单步运行程序、设置断点、查看变量、寄存器、内存以及反汇编代码，还可以观察程序运行到哪一行后出现异常。
可以把它想象成给程序装上了"暂停键"和"慢放键"：程序正常运行时速度很快，调试器可以让它停在某一行，再逐条观察每一步执行后的结果。
二、OLED 简介与驱动函数
OLED 简介
OLED 是 Organic Light Emitting Diode 的缩写，中文称为有机发光二极管显示屏。OLED 的每个像素都可以自行发光，不需要像普通液晶屏那样依靠背光，因此具有功耗较低、响应速度快、可视角度大、厚度较小等特点，常用于嵌入式设备显示数据。
0.96 寸 OLED 模块
课件中介绍的 0.96 寸 OLED 模块具有体积小、接口较少、使用方便等特点。常见参数如下：
- 供电电压：常见模块标注为
3~5.5V，但实际仍要以模块说明书为准； - 通信协议：常见为
I2C或SPI； - 分辨率：
128 × 64，表示横向有 128 个像素点，纵向有 64 个像素点； - 主控芯片：常见为 SSD1306 或兼容控制器，具体型号要以模块资料为准。
分辨率可以理解为屏幕上的"方格数量"。128 × 64 就是横向排列 128 列、纵向排列 64 行，总共 8192 个像素点。驱动程序通过通信协议把要显示的图形或字符写入 OLED 内部显存，屏幕再根据显存内容点亮对应像素。
OLED 硬件连接
4 针 OLED
4 针模块通常使用 I²C 通信，但仍要以模块丝印和驱动程序为准：
| 引脚 | 作用 |
|---|---|
GND |
接地 |
VCC |
接电源，课件中接 3V3 |
SCL |
I²C 时钟线 |
SDA |
I²C 数据线 |
I²C 的 SCL 是时钟线，SDA 是数据线。I²C 通常采用开漏输出，并需要上拉电阻；许多 OLED 模块已经在板上集成了上拉电阻，但不能默认所有模块都有，使用前应查看电路或模块说明。
7 针 OLED
7 针模块通常使用 SPI 通信：
| 引脚 | 作用 |
|---|---|
GND |
接地 |
VCC |
接电源，课件中接 3V3 |
D0 |
SPI 时钟线 |
D1 |
SPI 数据线 |
RES |
复位信号 |
DC |
数据/命令选择 |
CS |
片选信号 |
SPI 模块比 I²C 模块多出复位、数据/命令选择和片选等控制信号。实际接线时必须确认模块型号和驱动程序，不能只根据引脚数量猜测通信协议，也不能把 SPI 模块的 D0/D1 与 I²C 模块的 SCL/SDA 混用。
OLED 驱动函数
不同 OLED 驱动库的函数名和参数含义可能略有差异。下面这些函数来自本次使用的驱动模块：
c
OLED_Init(); // 初始化 OLED
OLED_Clear(); // 清屏
OLED_ShowChar(1, 1, 'A'); // 显示一个字符
OLED_ShowString(1, 3, "HelloWorld!"); // 显示字符串
OLED_ShowNum(2, 1, 12345, 5); // 显示十进制数字
OLED_ShowSignedNum(2, 7, -66, 2); // 显示有符号十进制数字
OLED_ShowHexNum(3, 1, 0xAA55, 4); // 显示十六进制数字
OLED_ShowBinNum(4, 1, 0xAA55, 16); // 显示二进制数字通常，前两个参数表示显示位置，例如行号和列号；最后一个参数通常表示显示的位数。但这些参数的具体含义取决于所使用的 OLED 驱动库，使用前应查看 OLED.h 或函数定义。
常见调用步骤是：
c
OLED_Init();
OLED_Clear();
OLED_ShowString(1, 1, "STM32");一般先初始化 OLED，再根据需要清屏，最后调用显示函数输出字符、字符串或数字。部分驱动在初始化过程中已经完成清屏，因此 OLED_Clear() 是否必须调用，要以驱动程序实现为准。
本节先掌握 OLED 相关函数的基本用法，暂时不深入研究显示缓存、字库和通信时序。等到能够稳定显示内容后，再回头理解驱动函数内部是如何把字符转换成像素数据的。
三、实战演练
准备工作
把之前的工程复制一份，修改工程名称，然后删除上一节实验中不需要的函数和语句，使工程回到可以重新添加 OLED 驱动的状态。
打开程序源码，找到 OLED 驱动模块，把适合当前硬件的 4 针 OLED 版本文件复制到工程的 Hardware 文件夹中，并在 Keil 工程中添加对应的 .c 文件和 .h 文件，同时配置头文件路径。
打开 OLED.c。驱动文件中的大部分内容通常不需要修改，主要检查引脚宏定义和 GPIO 初始化部分。
修改引脚配置
c
/*引脚配置*/
#define OLED_W_SCL(x) GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_8, (BitAction)(x))
#define OLED_W_SDA(x) GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_9, (BitAction)(x))这里要根据实际硬件接线修改。如果 OLED 的 SCL 接到了 PB8，SDA 接到了 PB9，那么宏定义中的端口和引脚就应当写成 PB8、PB9。如果改了硬件接线，宏定义也必须同步修改，否则程序会把数据发送到错误的引脚。
这份驱动使用的是软件模拟 I²C：程序通过 GPIO_WriteBit 手动改变 SCL 和 SDA 的电平，而不是直接调用 STM32 硬件 I²C 外设。PB8、PB9 只是本例选择的普通 GPIO，并不意味着所有 OLED 都必须接在这两个引脚上。
修改引脚初始化
c
/*引脚初始化*/
void OLED_I2C_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
OLED_W_SCL(1);
OLED_W_SDA(1);
}这里要把 SCL 和 SDA 两个引脚都初始化好，并且配置为开漏输出。开漏输出输出低电平时可以主动拉低总线，输出高电平时则释放总线，由上拉电阻把总线拉高，这正是 I²C 总线常用的电气方式。
初始化结束时把 SCL 和 SDA 写为 1，是为了让总线处于释放状态，避免程序刚开始运行时把总线强行拉低。若模块没有上拉电阻，还需要根据 I²C 速度和总线电容补充合适的外部上拉电阻。
剩余驱动代码通常不需要修改，可以直接调用。
实战演练
先初始化 OLED，再显示字符和字符串：
c
/* Main */
int main()
{
OLED_Init();
OLED_ShowChar(1,1,'A');
OLED_ShowString(1,3,"Real World?");
while(1)
{
}
}在这份驱动中，前两个参数表示显示位置，后面的参数表示显示内容。编译并下载后，如果屏幕坐标和驱动库采用常见的行列定义，第一行应显示 A Real World?。如果显示位置或字符间距不同，应以当前 OLED 驱动库的字库和坐标规则为准。
显示无符号和有符号十进制数字：
c
OLED_ShowNum(2,1,114514,6);//无符号
OLED_ShowSignedNum(2,8,-6,1);//有符号这两个函数用于显示十进制整数。前两个参数表示行和列，第三个参数是要显示的数字，第四个参数是显示长度。如果长度参数比数字实际位数长，通常会在前面补 0；如果长度参数比实际位数短，高位数字可能被截掉。
对于有符号数字，长度参数通常只计算数字部分，不包含负号，但具体规则仍要以驱动函数定义为准。显示内容较长时，还要注意列数不能超过屏幕范围。
显示十六进制数和二进制数：
c
OLED_ShowHexNum(3,1,0xAA55,4);//显示十六进制
OLED_ShowBinNum(4,1,0xAA55,16);//显示二进制这两个函数分别用于显示十六进制和二进制数字。传统 C 语言标准通常不支持直接写二进制字面量，因此可以先写十六进制数，再由函数内部逐位转换为二进制显示。这里的长度参数表示转换后要显示的二进制位数。
清除屏幕内容：
c
OLED_Clear();这个函数会清除屏幕上的全部内容。如果只想清除部分位置，可以在对应位置显示空格，但要注意空格的宽度必须覆盖原字符占用的显示区域。
四、Keil 调试
进入调试模式
点击工具栏上的"魔术棒"按钮，打开 Options for Target，进入 Debug 页面。这里通常有两种选择：
Use ST-Link Debugger：使用真实的 STM32 芯片和 ST-Link 硬件进行调试；Use Simulator：使用 Keil 软件模拟器运行部分程序。
本章使用硬件调试，因此选择 Use ST-Link Debugger。在调试前要先编译工程，确认代码能够正常编译和链接，然后点击右上角放大镜中带有 d 的图标，进入调试模式。
软件模拟器不需要连接开发板，但它不能完整模拟真实 OLED、按键和传感器等外部硬件。要观察真实屏幕显示和 GPIO 电平，仍然需要使用开发板和 ST-Link。
调试界面
进入调试界面后，主窗口通常显示 C 语言源程序，上方或其他窗口可以显示编译后的汇编代码。寄存器窗口能够显示 CPU 和外设寄存器的当前值，状态标志位则反映处理器当前的运行状态。
调试工具栏中的按钮用于控制程序运行，常见功能包括：
- 复位程序；
- 全速运行；
- 停止运行；
- 单步运行；
- 单步跳过函数内部执行；
- 单步跳出当前函数；
- 运行到光标所在位置。
不同版本的 Keil 图标位置可能略有不同，但把鼠标悬停在按钮上通常会显示功能名称。
在源代码窗口中，黄色箭头表示下一条即将执行的语句。程序暂停后，可以单步执行，观察变量、寄存器和屏幕状态如何变化。单步执行就像把视频逐帧播放，适合分析程序为什么进入了某个分支。
设置断点
可以单击代码左侧的深灰色区域设置断点，再点击全速运行。程序运行到断点所在位置后会自动暂停，黄色箭头会指向下一条待执行语句。
断点适合观察某个函数是否被调用、某个条件是否成立以及变量在某一时刻的值。硬件调试器的断点数量通常有限，调试时应优先设置在最关键的位置，不要一次设置过多断点。
常用观察窗口
调试界面还可以打开以下窗口：
- 命令窗口：输入调试命令；
- 反汇编窗口：查看 C 代码对应的汇编指令；
- 符号或变量窗口：实时查看变量的值；
- 内存窗口：查看指定地址中的数据；
- 串口显示窗口：观察串口相关信息；
- 逻辑分析仪：观察部分信号或变量随时间的变化。
调试时可以把源代码、变量窗口、寄存器窗口和反汇编窗口结合起来使用。例如，OLED 没有显示时，可以先在源代码中确认 OLED_Init() 是否执行，再查看 GPIOB 的配置寄存器和 SCL/SDA 输出状态，最后检查 I²C 时序和接线。
五、附录
下面汇总本文使用的代码，正文中的代码保留在对应章节，附录方便集中查看和复制。
c
//main.c
/* 头文件声明区域 */
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "LED.h"
#include "Key.h"
#include "OLED.h"
/* 变量声明区域 */
/* Main */
int main()
{
OLED_Init();
OLED_ShowChar(1,1,'A');
OLED_ShowString(1,3,"Real World?");
OLED_ShowNum(2,1,114514,6);
OLED_ShowSignedNum(2,8,-6,1);
OLED_ShowHexNum(3,1,0xAA55,4);
OLED_ShowBinNum(4,1,0xAA55,16);
while(1)
{
}
}