everything i should kown about control

Posted on 2026-04-02 Edited on 2026-04-09 In article , control

预备知识

单片机构成（mcu）

运算器：负责执行算术和逻辑运算。
控制器：计算机的大脑中枢，它协调和控制计算机各部件的工作。控制器从存储器中取出指令，分析指令的内容，并根据指令要求向其他部件发出控制信号，以确保整个计算机系统有条不紊地运行。
存储设备：用于存储数据和程序。它可以分为主存储器（如随机存取存储器RAM）和辅助存储器（如硬盘、固态硬盘等）。
- 主存储器：暂时存储正在运行的程序和数据。
- 辅助存储器：长期存储大量的数据和程序。

调试接口标准

为什么需要调试接口标准
电脑和单片机之间的一条“调试通道”，用来给芯片下载程序、调试程序、读取芯片内部状态。GDB / GDB Server / 这类硬件调试器很多就是通过 JTAG 或 SWD 这类调试接口和单片机通信的。

JTAG：线更多，功能更完整，传统一些。
SWD：线更少，STM32里非常常用，只能用于ARM内核的单片机。

boot 电路

为什么需要boot 电路

单片机一上电，CPU 必须先找一个起点去取第一条指令

这个起点可能有 3 个地方：

主 Flash
系统存储器
内部 SRAM

启动模式的选择

STM32 通过 BOOT0、BOOT1 的电平组合 （见表格）来决定选哪个区域启动

X表示无所谓，0 或 1 都行。

BOOT0 = 0，BOOT1 = X
- 芯片复位后，直接从 Flash 里执行你的程序（也就是你写的 main() 前面的启动代码，最终都会从这里开始跑。
- 启动地址：0x08000000 是STM32内置的Flash，一般我们使用JTAG或者SWD模式下载程序时，就是下载到这里，重启后也直接从这启动程序。基本上都是采用这种模式。
BOOT0 = 1，BOOT1 = 0
- 系统存储器一般放的是 STM32 官方出厂烧好的 BootLoader。
- 作用是：
  - 你可以不靠 JTAG / SWD。
  - 而是通过串口、USB、CAN 等某些方式下载程序。
BOOT0 = 1，BOOT1 = 1
- 启动到内部 SRAM也就是从 RAM 启动。
- 这个模式平时很少用，更多用于：
  - 调试
  - 特殊测试
  因为 RAM 掉电就没了，通常不会拿来做正常程序启动。

电路原理

该电路图本质上是在给 BOOT0 / BOOT1 选择高低电平

你可以看到：

上面接了 VCC3V3，表示高电平
下面接了 GND，表示低电平
中间通过排针跳帽来选择连到哪边

也就是说：

跳帽接到 3.3V → 这个 Boot 引脚为 1
跳帽接到 GND → 这个 Boot 引脚为 0

电阻 R3、R4 是 100k，一般起到：

限流
上拉 / 下拉辅助
保证引脚状态稳定

时钟

时钟树

STM32 里通常不是“一个时钟管全部”，而是有一套时钟树

也就是说：

先有几个“原始时钟源”
再经过选择、分频、倍频
最后分给 CPU 和各个外设

这就叫 时钟树

时钟控制器（RCC）

它主要管两大类事情：

时钟管理

它负责：

选择时钟源
打开某个外设的时钟
设置分频、倍频
让系统时钟分配给各总线和外设

比如：

你要用 GPIOA
先得开 GPIOA 的时钟
这个动作通常就是 RCC 在管

如果时钟没开，你去操作 GPIO 寄存器，往往就不生效。

这就是为什么很多 STM32 程序都会先写类似：

1	__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

这句话本质就是：

通过 RCC 把 GPIOA 的时钟打开。

复位管理

RCC 还可以对某些外设进行复位。

比如一个外设状态乱了，可以：

给它复位一下
再重新配置

所以 RCC 不只是时钟模块，它还带“复位控制”。

常见时钟源

HSI（High Speed Internal）：高速内部时钟，芯片内部自带的 RC 振荡器
- 不需要外部晶振
- 上电就能用
- 成本低，方便
- 但精度一般不如外部晶振
HSE（High Speed External）：高速外部时钟，通常来自板子上的外部晶振。
- 精度更高
- 更稳定
- 常用于需要较准频率的场景
- 但要外接晶振电路
LSI（Low Speed Internal）：低速内部时钟。
- 频率低
- 精度一般
- 常给独立看门狗、RTC 等低速模块使用
LSE（Low Speed External）：低速外部时钟，一般是 32.768kHz 晶振。

这个频率很经典，因为适合做：
- RTC 实时时钟
- 日历计时

Crystal/ceramic resonator（晶体/陶瓷振荡器）

一种外部谐振元件

开发板上常见有一个小小的晶振器件，它不是 MCU 内部自己生时钟，而是：

接在 STM32 的时钟引脚上
配合 MCU 内部振荡电路
产生稳定时钟

晶体振荡器

一般说“晶振”，通常指石英晶体。

特点：

精度高
稳定性好
很常用

比如板子上常见：

8MHz 晶振
12MHz 晶振
25MHz 晶振

陶瓷振荡器

也能用来提供振荡源，但一般精度会比石英晶体差一些。

Bypass clock source（旁路时钟源）

由外部其他设备主动给出该时钟信号，不经过 MCU 内部时钟电路驱动，可直接作为单片机时钟

系统时钟（SYSCLK）

芯片当前最核心的主工作时钟（是 CPU 和很多总线时钟的基础来源

系统时钟可以由这些来源之一提供：

HSI
HSE
PLL 输出

通常 STM32 不会直接一直拿原始时钟跑，而是常常通过 PLL 倍频 之后得到更高的系统时钟。

例如：

外部晶振 HSE = 8MHz
经过 PLL 倍频
得到 SYSCLK = 72MHz

这样芯片主频就提高了。

PLL

PLL 就是 锁相环，一个“倍频器”或者“调频器”

例如：

输入 8MHz
PLL 倍频后输出 72MHz

这样就能让芯片从一个较低频率的时钟源，得到一个更高的主频。

所以很多 STM32 的典型配置都是：

HSE → PLL → SYSCLK

分频

意思就是把时钟变慢。

例如：

系统时钟 72MHz
分频 2
得到 36MHz

为什么要分频？

因为不是所有模块都能跑一样快，也不是所有模块都需要那么快。

所以 STM32 会把系统时钟再分给不同总线和外设。

AHB/APB

AHB：高速总线时钟

通常给：
- 内核
- DMA
- 内存接口
- 高速外设
APB1 / APB2：低速 / 高速外设总线时钟

常给：
- USART
- SPI
- I2C
- TIM
- ADC
- GPIO 等外设
不同系列分法略有差异，但核心思想一样：

系统时钟不会直接一股脑送到所有外设，而是先分到不同总线。

比如常见一种理解方式：
- SYSCLK → AHB
- AHB → APB1
- AHB → APB2
然后外设再挂在 APB1 或 APB2 上。

与时钟树相关的参数

串口波特率
定时器定时：定时器溢出时间 = 预分频 × 自动重装值 × 时钟周期
ADC采样速度
USB、CAN 等外设

GPIO

MCU与外部元件沟通的接触点，一般沟通的是电压信息俗称引脚

工作模式

输入模式

下拉输入

意思是：
- 引脚默认通过一个电阻接地
- 所以在没人管它时，默认是 低电平
如果外部给它高电平，它才会变成 1。

用途：
- 防止引脚悬空
- 让默认状态明确
上拉输入

意思是：
- 引脚默认通过一个电阻接到 VDD
- 所以默认是 高电平
如果外部把它拉低，它才会变成 0。

这个在按键电路里特别常见。

比如：
- 默认高电平
- 按键按下接地
- 读到低电平表示按下
浮空输入

意思是：
- 不上拉，也不下拉
- 引脚完全“飘着”
这样如果外部没明确驱动，就可能：
- 一会高
- 一会低
- 很容易受干扰
所以浮空输入一般只在：
- 外部已经有明确驱动
- 或特殊场景
才会使用。
模拟输入

这个和前面几种数字输入不一样。

它不是判断 0 / 1，而是读取一个连续变化的电压值。

比如：
- 0.3V
- 1.2V
- 2.7V
这种通常给：
- ADC
- 模拟传感器输入
用了模拟输入模式后，GPIO 的数字输入那一套比较器之类通常会被关掉，减少干扰和功耗。

输出模式

推挽输出

这是最常用的输出模式。

特点是：
- 想输出高电平，就能主动拉高
- 想输出低电平，就能主动拉低
也就是：

高低电平都由单片机主动驱动。

适合：
- 点亮 LED
- 输出普通数字信号
- 控制一般器件
开漏输出

这个模式下：
- 只能主动拉低
- 不能主动拉高
当它“输出高”时，本质上不是主动输出高电平，而是：
- 把上面的管子关掉
- 引脚处于“放开”的状态
- 需要靠外部上拉电阻把它拉高
所以开漏输出通常要配合：
- 外部上拉
- 或内部上拉
复用推挽输出、复用开漏输出

这里的“复用”意思是：

这个引脚不再只是普通 GPIO，而是交给某个外设使用。

比如这个脚可能不再单纯输出 0 / 1，而是变成：
- USART_TX
- SPI_SCK
- I2C_SCL
- TIM_PWM
所以：
- 复用推挽输出：给外设输出信号，底层输出结构是推挽
- 复用开漏输出：给外设输出信号，底层输出结构是开漏
比如：
- UART TX 常常用复用推挽
- I2C 常常用复用开漏

总示例图讲解

顺序：从右到左

I/O 引脚和保护二极管

这是 GPIO 引脚真正连到芯片外部的地方

保护二极管的作用主要是：

防止静电冲击
防止电压过高或过低对内部电路造成损伤

输入电路（中上部分）

上拉电阻、下拉电阻

图里标了大约 50K。

这表示 STM32 内部通常集成了弱上拉 / 弱下拉电阻。

所以配置成：

上拉输入
下拉输入

其实就是在控制内部这个电阻是否接上。

注意这个电阻值通常比较大，是“弱上拉/弱下拉”，不是特别强的驱动。

TTL 施密特触发器

把外部不是特别干净的电压信号，转换成芯片内部更稳定的数字 0 / 1 判断

因为外部输入电压可能不是一下子从 0V 跳到 3.3V，而是慢慢变化，还可能有噪声。

施密特触发器可以提高抗干扰能力，让芯片更稳定判断：

这是高电平
这是低电平

IDR：输入数据寄存器

这个寄存器里保存的是当前引脚读到的输入状态。

比如：

引脚现在是高电平 → 对应位是 1
引脚现在是低电平 → 对应位是 0

所以你程序里读取 GPIO 输入，本质上就是在读这个寄存器对应位

模拟输入 / 复用功能输入

模拟输入

这个脚可以接到 ADC 等模拟模块，不走数字输入判断。

复用功能输入

这个脚也可以送给某个片上外设当输入。

比如：

串口 RX
定时器输入捕获
外部中断输入
SPI MISO

也就是说，GPIO 虽然叫 GPIO，但它还经常是很多外设功能的“入口”。

输出电路（中下部分）

ODR：输出数据寄存器

你给某个 GPIO 输出 1 或 0，本质上就是改这个寄存器里的某一位。

比如：

写 1 → 希望该引脚输出高
写 0 → 希望该引脚输出低

然后这个值再去控制后面的输出驱动电路。

BRR / BSRR

BSRR：位设置 / 复位寄存器
BRR：位复位寄存器

它们的作用是：

可以更方便、更原子地对某一位 GPIO 置 1 或清 0。

为什么不用直接改 ODR？

因为直接改 ODR 可能涉及：

先读
再改
再写回

在某些场景下不够安全，尤其在中断或并发访问时。

而 BSRR 可以做到：

写某位到 set 区 → 置 1
写某位到 reset 区 → 清 0

所以很多底层库都喜欢用它来快速控制引脚。

输出控制

这块逻辑会根据你配置的模式决定：

是普通 GPIO 输出
还是复用输出
是推挽
还是开漏

也就是控制下面那两个 MOS 管怎么工作。

P-MOS 和 N-MOS

这两个是输出驱动核心。

你可以简单理解成：

P-MOS 负责把引脚往 高电平 拉
N-MOS 负责把引脚往 低电平 拉

推挽输出时

输出高：P-MOS 开，N-MOS 关
输出低：P-MOS 关，N-MOS 开

所以推挽可以主动输出高和低。

开漏输出时

通常上面的拉高能力被禁掉，只保留下拉能力：

输出低：N-MOS 开，把引脚拉到低电平
输出高：N-MOS 关，引脚悬空，由外部上拉拉高

这就是为什么开漏不能主动输出高。

复用功能输出

意思是：

这个引脚输出的数据不一定来自 ODR，也可能来自某个外设模块。

比如：

定时器输出 PWM
USART 输出发送数据
SPI 输出时钟/数据

这时候你虽然看到的是这个 GPIO 脚在变化，但其实背后是外设在控制它，不是你手动写 ODR 了。

分示例图讲解

输入模式

下拉输入（右上角）

PC13 这个引脚通过一个 10k 电阻接地
按键另一端接 VCC
按键没按下时，引脚通过电阻被拉到地，所以是 低电平
按键按下时，引脚直接接到 VCC，所以变成 高电平

所以它叫：

下拉输入

因为“默认状态”被电阻拉向 GND。

结论：

松开按键：0
按下按键：1

上拉输入（右下角，标号3）

PC13 通过一个 10k 电阻接 VCC
按键另一端接地
按键没按下时，引脚被电阻拉到 VCC，所以是 高电平
按键按下时，引脚直接接地，所以是 低电平

所以它叫：

上拉输入

因为“默认状态”被电阻拉向 VCC。

结论：

松开按键：1
按下按键：0

浮空输入（标号2）

PC13 接一个按键
按键一端接地
但是 没有上拉电阻，也没有下拉电阻

这时如果按键没按下，引脚其实谁都没接，相当于“悬空着”。

按下时：

引脚接地，明确是 低电平

没按下时：

引脚没有明确高低，电平可能乱跳

所以浮空输入最大的问题就是：

不稳定，容易受干扰。

为什么要加电阻，不能直接接 VCC 或 GND？

因为按键按下时，电路状态会改变。

比如上拉输入：

平时通过电阻接 VCC
按下时引脚直接接 GND

如果没有那个电阻，而是直接把 VCC 和引脚硬连在一起，那么一按键就等于：

VCC 直接短接到 GND

这就短路了。

所以电阻的作用有两个：

提供默认电平，让引脚在松开按键时不悬空。
限流保护，避免按键按下时电源和地直接短路。

输出模式

推挽输出

可以输出高电平和低电平
电平由芯片内部直接提供
只能提供3.3V电平（GPIO 高电平 ≈ 3.3V，GPIO 低电平 ≈ 0V）
无法提供大电流

开漏输出

只能提供低电平
- Q2 导通时，输出点被拉到地 → 低电平
- Q2 截止时，输出点不会被主动拉高，而是变成 高阻态
需要外部提供上拉电路
- 就像图里那个 R1 接到 3.3V：
  - Q2 关断 → GPIO 不管这根线了
  - 这时 R1 把线拉到 3.3V → 线变高电平
所以开漏输出通常都要配：

外部上拉电阻

没有上拉的话，Q2 关断时这根线就会悬空。
可以提供除3.3V之外的电平
可以提供大电流
- 开漏结构更容易配合外部电源和器件实现更强的驱动能力。
- 真正的大电流通常还是由外部电源和外部器件承担，GPIO 本身只是控制“是否导通到地”。
可以实现“线与”的功能

所谓线与，意思是多个器件的输出端可以直接连到同一根线上，再接一个上拉电阻

这时逻辑规则是：
- 只要有任意一个器件把线拉低，整根线就是低电平
- 只有当所有器件都“松手”（都不拉低）时，这根线才会被上拉成高电平
所以表现出来就像逻辑“与”：
- 都为 1，线才是高
- 有一个为 0，线就是低
这就是“线与”。

操作GPIO常用的函数

`HAL_GPIO_ReadPin()`

读取某个 GPIO 引脚当前的电平状态

1	GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

返回类型：GPIO_PinState

通常就是两种：

GPIO_PIN_RESET：低电平
GPIO_PIN_SET：高电平

例子：

if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_13) == GPIO_PIN_RESET)
{
    // 按键按下
}

这里的意思就是读取 PC13 的状态

`HAL_GPIO_WritePin()`

给某个 GPIO 引脚写入高电平或低电平

1	void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState);

GPIOx：哪个 GPIO 组，比如 GPIOA、GPIOB、GPIOC
GPIO_Pin：哪个引脚，比如 GPIO_PIN_5
PinState：写成高还是低

例子：

1 2	HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET); // 输出高电平 HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET); // 输出低电平

`HAL_GPIO_TogglePin()`

把当前引脚电平翻转一次

1	void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

例子：

1	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);

NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）

嵌套向量中断控制器

它是 Cortex-M 内核里专门管理中断的硬件模块，用来完成“哪个中断先响应、能不能打断别的中断、CPU 响应后跳到哪里执行”这些事情。

你可以把它理解成一个“中断调度中心”：

外设产生中断请求，比如按键 EXTI、定时器 TIM、串口 USART
这些请求送到 NVIC
NVIC 根据优先级判断：
谁先执行，谁后执行，当前中断能不能被更高优先级中断打断
然后 CPU 根据中断向量表，跳到对应的中断服务函数里执行

省流版：外设提请求，NVIC 排队和裁决，CPU 去执行。

some definitions

程序计数器（PC）

处理器系统在执行代码的时候，会从存储器依次取出指令和数据，这种能力需要在处理器里保存一个存储器的地址，就是所谓的程序计数器（Program Counter，PC），也叫程序指针。

EXTI（外部中断）

当连接到某个GPIO引脚的中断线检测到预设的电平变化或边沿变化时，就会产生一个中断请求，使CPU暂停当前任务，转而去执行相应的中断服务程序。这样，单片机就能够及时地处理外部事件，提高了系统的实时性和灵活性。

按键没按下时

GPIO 通过 10K 电阻被拉到 VCC
所以此时引脚读到的是 高电平 1

按键按下时

开关闭合
GPIO 被直接接到地
此时引脚读到的是 低电平 0

三种触发模式

External Interrupt Mode with Rising edge trigger detection

只在 0 变 1 时触发中断。

比如这个按键电路里：
- 按键松开那一瞬间：0 变 1
- 会触发中断
External Interrupt Mode with Falling edge trigger detection

只在 1 变 0 时触发中断。

比如：
- 按键按下那一瞬间：1 变 0
- 会触发中断
这个在按键检测里很常用，因为一般更关心“按下”的那一刻。
External Interrupt Mode with Rising/Falling edge trigger detection

上升沿和下降沿都触发

也就是：
- 按下触发一次
- 松开再触发一次
适合既想知道“按下”，又想知道“松开”的场景。

EXTI 线路复用关系

STM32 的 EXTI 线是怎么和 GPIO 引脚对应起来的。

从图中可见：相同编号的引脚，共用同一条 EXTI 线

中间的“选择器”是什么意思

图里像多路开关一样的那个结构，表示：

同一条 EXTI 线只能从若干候选 GPIO 里选一个。

例如 EXTI0：

候选有 PA0、PB0、PC0、PD0…
但最终只能选其中一个接到 EXTI0

不能同时让：

PA0 触发 EXTI0
PB0 也触发 EXTI0

因为它们抢的是同一条线。

所以一个特别重要的结论

PA0 和 PB0 不能同时作为独立外部中断源使用

因为它们都占 EXTI0

同理：

PA1 和 PC1 不能同时独立用 EXTI1
PA13 和 PB13 不能同时独立用 EXTI13

`AFIO_EXTICR` 是什么

图上写了：

在 AFIO_EXTICR1 寄存器的 EXTI0[3:0] 位
在 AFIO_EXTICR1 寄存器的 EXTI1[3:0] 位
…
在 AFIO_EXTICR4 寄存器的 EXTI15[3:0] 位

这说明：

STM32 通过这些寄存器来决定：

EXTI0 到底接 PA0 还是 PB0 还是 PC0
EXTI1 到底接 PA1 还是 PB1 还是 PC1

也就是说，这些寄存器就是“选择器的控制开关”。

如果你在 CubeMX 里配置了某个引脚为外部中断，CubeMX 最终就是帮你改这些寄存器。

中断事件的优先级

抢占优先级，高的可以直接中断掉低优先级的中断服务函数直接处理
子优先级，在多中断事件发生时，高的可以插队到低的前面先处理，决定同级中断的先后顺序

中断优先级分组

示例解释：

`NVIC_PriorityGroup_0`

0 bit 给抢占优先级
4 bit 给子优先级

所以结果是：

没有抢占优先级
子优先级范围 0~15

这意味着：

所有中断都不能互相打断。

因为压根没有“抢占”这一说。
只能在“大家同时等着处理”时，按子优先级排先后。

`NVIC_PriorityGroup_2`

2 bit 给抢占优先级
2 bit 给子优先级

所以：

抢占优先级 0~3
子优先级 0~3

这是一种比较均衡的分法。

意思是：

有 4 档“打断能力”
每档里再分 4 档先后顺序

这个分组很常见，因为比较平衡。

假设现在有三个中断：

串口中断：抢占 1，子 2
定时器中断：抢占 0，子 3
按键中断：抢占 1，子 0

情况1：按键中断正在执行，定时器中断来了

按键抢占优先级 = 1
定时器抢占优先级 = 0

因为 0 比 1 高，所以定时器中断可以打断按键中断。

情况2：串口中断和按键中断同时到来

串口：抢占 1，子 2
按键：抢占 1，子 0

它们抢占优先级一样，所以谁也不能打断谁。
但如果这两个中断都在等待响应，那么子优先级更高的先执行。

通常 STM32 里是 数字越小优先级越高，所以：

子优先级 0 比 2 高
先执行按键中断

需要用到的函数

外部引脚变化
   ↓
EXTI 检测到边沿
   ↓
NVIC 允许这个中断进入 CPU
   ↓
进入 EXTIx_IRQHandler()
   ↓
HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_x)
   ↓
HAL_GPIO_EXTI_Callback(GPIO_PIN_x)
   ↓
你自己写的业务代码

`HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(uint32_t PriorityGroup)`

设置 中断优先级分组

例：

1	HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_2);

表示通常把优先级位分成：

2 位抢占优先级
2 位子优先级

一般在系统初始化时设置一次就行。

`HAL_NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t PreemptPriority, uint32_t SubPriority)`

设置 某个具体中断 的优先级。

IRQn：中断号
PreemptPriority：抢占优先级
SubPriority：子优先级

例：

1	HAL_NVIC_SetPriority(EXTI9_5_IRQn, 1, 0);

设置 EXTI9_5_IRQn 这个中断
抢占优先级 = 1
子优先级 = 0

`HAL_NVIC_EnableIRQ(IRQn_Type IRQn)`

使能某个中断。

例：

1	HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI9_5_IRQn);

意思是把 EXTI9_5_IRQn 这个中断在 NVIC 里打开

为什么需要它：

即使：

GPIO 配好了
EXTI 配好了
边沿也来了

如果 NVIC 里没使能，CPU 还是不会进去执行中断函数。

所以你可以把它理解成：

给这个中断发“通行证”

`EXTI9_5_IRQHandler(void)`

这是 真正的中断服务函数入口

当 EXTI5 ~ EXTI9 这些外部中断线触发时，CPU 会进入这个函数。

例如如果你用的是 PA6 做外部中断，那一般就会进这个函数，因为 6 属于 5~9 这一组。

为什么叫 `EXTI9_5_IRQHandler`

因为 STM32 的 EXTI 中断不是每条线都单独一个 IRQ。

常见分组是：

EXTI0_IRQn → EXTI0
EXTI1_IRQn → EXTI1
EXTI2_IRQn → EXTI2
EXTI3_IRQn → EXTI3
EXTI4_IRQn → EXTI4
EXTI9_5_IRQn → EXTI5 ~ EXTI9
EXTI15_10_IRQn → EXTI10 ~ EXTI15

所以：

GPIO5~9 的外部中断，共用 EXTI9_5_IRQHandler
GPIO10~15 的外部中断，共用 EXTI15_10_IRQHandler

例：

你通常不会在这个函数里直接写业务代码，而是调用 HAL 提供的处理函数：

void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_6);
}

`HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)`

这是 HAL 给你预留的回调函数，当 HAL 确认某个 EXTI 线触发后，会调用它。

例：

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_6)
    {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
    }
}

如果是 6 号引脚触发了中断
就翻转一次 LED

为什么要判断 GPIO_Pin:

因为一个回调函数可能服务多个引脚, 所以通常要用 if 或 switch 区分。

这几个函数的调用关系

一个“按下按键翻转 LED”的简单例子

假设：

按键接在 PA6
LED 接在 PC13
按键为上拉输入，按下产生下降沿
使用 EXTI6，所以会进 EXTI9_5_IRQHandler

// 1. 初始化
HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_2);
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI9_5_IRQn, 1, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI9_5_IRQn);

// 2. 中断入口
void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_6);
}

// 3. 回调处理
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_6)
    {
        // 这里写你的逻辑
    }
}

虚函数（_weak)

弱函数

__weak 的作用，就是给库函数留一个“默认版本”，你如果自己写了同名函数，就优先用你写的那个。

比如 HAL 库里有这样一个函数(弱定义：空实现)

//弱函数
__weak void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    UNUSED(GPIO_Pin);
}

库先给你放了一个空壳版本。你需要时，可以自己在用户文件里写一个同名函数把它顶掉。

实函数

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_6)
    {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
    }
}

优先级更高
一旦存在，就会替代弱定义版本
一般只能有一个同名定义，否则链接报错

编译器最终怎么选

只有弱函数，没有你自己写的普通函数

那就用库里那个弱函数。

也就是执行空壳版本，通常什么都不做。

你自己写了一个同名普通函数

那就用你写的普通函数。也就是说：

你的函数把 HAL 库那个 __weak 版本覆盖了。

实验

按键控制LED亮灭

把PB9设置为GPIO_EXTI模式
设置上拉电阻
设置为下降沿触发
设置中断优先级分组
设置EXTI优先级

/* main.c */

#include "main.h"

uint32_t last_key_time = 0;

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

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();

    // PC13 初始输出高电平，常见小蓝板上对应 LED 熄灭
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);

    while (1)
    {
    }
}

// EXTI 回调函数：PB9 按下后翻转 LED
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_9)
    {
        uint32_t now = HAL_GetTick();

        // 20ms 软件消抖
        if(now - last_key_time > 20)
        {
            last_key_time = now;
            HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
        }
    }
}

static void MX_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    // 开启 GPIOB、GPIOC、AFIO 时钟
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE();

    // PC13 配置为推挽输出，用来控制 LED
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

    // PB9 配置为下降沿触发外部中断，上拉输入
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
    HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

    // 配置并使能 EXTI9_5 中断
    HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_2);
    HAL_NVIC_SetPriority(EXTI9_5_IRQn, 1, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI9_5_IRQn);
}

/* stm32f1xx_it.c */

#include "main.h"
#include "stm32f1xx_it.h"

// EXTI5~9 共用这个中断入口，PB9 属于其中
void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_9);
}

按键消抖

按键抖动指的是在机械按键在按下或释放时由于机械元件的特性，导致开关多次闭合或断开，从而在单片机IO口上检测到电压信号出现抖动的现象

硬件消抖原理

硬件消抖通常通过‌RC电路实现。在RC消抖电路中，电阻起到限流的作用，电容则用来储存电荷。当输入信号发生变化时，电容会通过电阻进行充放电，从而实现对信号的平滑处理。通过合理选择电阻和电容的数值，可以达到最佳的消抖效果。

RC 电路:由电阻 R（Resistor）和电容 C（Capacitor）组成的电路

软件消抖方法

延时消抖法

在检测到按键按下时延时一段时间（比如10ms）再次读取按键IO的电平，检测两次读取的结果是否相同，相同则认为按键被按下。

按下按键进入中断回调函数
在函数中把某个变量置1
在主函数里开始延时
延时后再读取引脚电平，如果发现是低电平即认为按键被按下

计数消抖法

周期执行按键扫描程序在检测到按键变化时备份输入状态，清零计数器并开始计数，直到检测到按键弹起，如果计数值大于某个设定值则认为按键动作有效，否则按键动作无效

TIM（Timer定时器）

3个重要的参数

PSC (定时器分频系数)

它的作用就是：把输入给定时器的时钟先“降速”

比如定时器输入时钟是 72 MHz，说明 1 秒钟来 7200 万个计数脉冲。这个速度太快了，直接计数不方便，所以先用 PSC 分频。

STM32 里通常可以理解成：

计数频率 = 定时器时钟 / (PSC + 1)

例：

如果定时器时钟是 72 MHz：

PSC = 71
那么计数频率 = 72 MHz / (71 + 1) = 1 MHz

这就表示：计数器每 1 微秒加 1 次

所以 PSC 决定的是：定时器“走得多快”

ARR （自动重装载值）

它的作用是：规定计数器最多数到多少

计数器不是无限加下去的。它从 0 开始数，数到 ARR 之后，就会产生一次更新事件，然后重新开始。

通常可以理解成：

从 0 数到 ARR
一共会经历 ARR + 1 个计数

所以定时器溢出周期一般是：定时时间 = (PSC + 1) × (ARR + 1) / 定时器时钟

一个完整例子

假设：

定时器时钟 = 72 MHz
PSC = 7199
ARR = 9999

先算分频后频率：

72 MHz / (7199 + 1) = 10 kHz

也就是计数器每 0.1 ms 加 1。

再数到 ARR=9999：

一共 10000 次

所以总时间：

10000 × 0.1 ms = 1000 ms = 1 s

也就是说：

这个定时器每 1 秒触发一次更新事件/中断

Counter Mode（计数模式）

计数模式决定的是：计数器 CNT 按什么方式变化

边沿对齐模式

一般就是：

从 0 一直加到 ARR
然后回到 0
再继续加

这叫 向上计数

也可能反过来：

从 ARR 往下减到 0

这叫 向下计数

这种模式因为计数过程只朝一个方向走，所以叫“边沿对齐”。

中心对齐模式

先从 0 数到 ARR
再从 ARR 数回 0
然后再上去

周期计算公式

定时器输出的频率取决于：

主频：即 MCU 的主时钟频率，通常是 72 MHz
PSC：定时器的预分频器，它控制定时器的输入频率
ARR：定时器的自动重载寄存器，它决定计数器达到多少就会触发事件

例

假设我们有以下信息：

MCU 主频 = 72 MHz
PSC = 3600 - 1，即 PSC = 3599
ARR = 10000 - 1，即 ARR = 9999

我们想让 LED 闪烁 1 次每 0.5 秒。

计算定时器的主频

首先，定时器的输入时钟频率：

主频=72 MHz=72,000,000 Hz

计算定时器分频后的频率

根据公式：

$定时器频率主频$

代入数值：

$定时器频率$

结果分析

定时器的频率是 2 Hz，这意味着每 0.5 秒触发一次更新事件。

预备知识

单片机构成（mcu）

调试接口标准

boot 电路

为什么需要boot 电路

启动模式的选择

电路原理

时钟

时钟树

时钟控制器（RCC）

时钟管理

复位管理

常见时钟源

Crystal/ceramic resonator（晶体/陶瓷振荡器）

晶体振荡器

陶瓷振荡器

Bypass clock source（旁路时钟源）

系统时钟（SYSCLK）

PLL

分频

AHB/APB

与时钟树相关的参数

GPIO

工作模式

输入模式

输出模式

总示例图讲解

I/O 引脚和保护二极管

输入电路 （中上部分）

上拉电阻、下拉电阻

TTL 施密特触发器

IDR：输入数据寄存器

模拟输入 / 复用功能输入

模拟输入

复用功能输入

输出电路（中下部分）

ODR：输出数据寄存器

BRR / BSRR

输出控制

P-MOS 和 N-MOS

推挽输出时

开漏输出时

复用功能输出

分示例图讲解

输入模式

下拉输入（右上角）

上拉输入（右下角，标号3）

浮空输入（标号2）

为什么要加电阻，不能直接接 VCC 或 GND？

输出模式

推挽输出

开漏输出

操作GPIO常用的函数

HAL_GPIO_ReadPin()

HAL_GPIO_WritePin()

HAL_GPIO_TogglePin()

NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）

some definitions

程序计数器（PC）

EXTI（外部中断）

三种触发模式

EXTI 线路复用关系

中间的“选择器”是什么意思

所以一个特别重要的结论

AFIO_EXTICR 是什么

中断事件的优先级

中断优先级分组

NVIC_PriorityGroup_0

NVIC_PriorityGroup_2

情况1：按键中断正在执行，定时器中断来了

情况2：串口中断和按键中断同时到来

需要用到的函数

HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(uint32_t PriorityGroup)

HAL_NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t PreemptPriority, uint32_t SubPriority)

HAL_NVIC_EnableIRQ(IRQn_Type IRQn)

EXTI9_5_IRQHandler(void)

为什么叫 EXTI9_5_IRQHandler

HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)

这几个函数的调用关系

虚函数（_weak)

输入电路（中上部分）

`HAL_GPIO_ReadPin()`

`HAL_GPIO_WritePin()`

`HAL_GPIO_TogglePin()`

`AFIO_EXTICR` 是什么

`NVIC_PriorityGroup_0`

`NVIC_PriorityGroup_2`

`HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(uint32_t PriorityGroup)`

`HAL_NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t PreemptPriority, uint32_t SubPriority)`

`HAL_NVIC_EnableIRQ(IRQn_Type IRQn)`

`EXTI9_5_IRQHandler(void)`

为什么叫 `EXTI9_5_IRQHandler`

`HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)`

Counter Mode（计数模式）

`HAL_TIM_Base_Start()`

`HAL_TIM_Base_Start_IT()`

`TIM3_IRQHandler(void)`

`HAL_TIM_PeriodElapsedCallback()`