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Keil4与Proteus联合仿真实现流水灯实验&&STM32实现通过寄存器实现流水灯_keil和proteus联合仿真

作者：繁依Fanyi0 | 2024-05-29 01:34:35

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keil和proteus联合仿真

目录

一、Keil4与Proteus联合仿真实现流水灯实验

1.  安装 Proteus&&Keil4

2.  在Proteus创建工程，完成原理图的绘制

      ​编辑

3. 在keil4创建新工程，并且编写一个流水灯程序

4. 将Keil4生成的hex文件导入Proteus，进行仿真

5.  仿真结果

二、STM32流水灯实验（程序解释在第三大点）

         1. 安装Keil5软件

         2.  新建工程文件，编写、编译STM32流水灯程序

         3. Jlink烧录程序

         4. 实验效果

三、STM32F103系列芯片的地址映射和寄存器映射原理，GPIO初始化设置的一般步骤及流水灯程序解释

         1. 寄存器映射简介

2. 操作GPIO端口的一般步骤

3. 程序编写

       1. GPIOA端口时钟使能

2. 端口配置

3. 端口操作，具体程序实现 

  4. 思考

    1. 嵌入式C程序代码对内存(RAM)中的各变量的修改操作，与对外部设备（寄存器--->对应相关管脚）的操作有哪些相同与差别？

    2. 为什么51单片机的LED点灯编程要比STM32的简单？

四、嵌入式register、volatile 关键字的作用

1. register关键字

2. volatile关键字

五、总结

 

一、Keil4与Proteus联合仿真实现流水灯实验

1.  安装 Proteus&&Keil4

       proteus安装可参考 Protues 8.9 仿真（安装包和安装步骤） - 知乎 (zhihu.com)

       keil4安装可参考         Keil uVision4保姆级安装教程 - 知乎 (zhihu.com)

2.  在Proteus创建工程，完成原理图的绘制

        1. 打开Proteus,点击新建工程

          c38d87b65bac4fc9bdbb4f492059cc60.png

          8ef27ce2646a4a4a8833d785fd2adccf.png

         2. 名称处输入工程文件名称，路径选择工程保存的路径，

          点击下一步。

      b790b7e67ba745c5a85bcce9587d1d6a.png

       3.  选择从选中的模板中创建原理图，选择默认：DEFAULT

         点击下一步。

       427d07e7d2884fda8b6b3ce6b28b6e55.png

      4. 由于此仿真实验不需要绘制PCB，所以不需要创建PCB布板设计，

       点击下一步。

      91dc75ac36f440bca0e1cae3976e3bc6.png

     5. 选择创建固件项目，在第二个选项栏的下拉选项中选择AT89C51，其他的默认都是51，

     点击下一步。

     a005bb4dda054b9b9fda96431754b78e.png

    点击完成。

    6. 进入原理图绘制界面：

   0afc468d984241b3b40736dcf8522bbb.png

    7. 在界面中左上角有标识符P，P表示放置元器件，里面有很多仿真电子器件，点击P

   c51653c30b9c4f3cb82d18f5b8f03967.png

  8. 在关键词处搜索“LED-”，找到发光二极管，可以看到有很多型号，选择绿色发光二极管

 75631d1466274c39809318afd20d3343.png

  9. 开始放置LED灯，旋转角度

  8a67cb817c4342bd91a050c9ed0ebed7.png

 10. 一端连接到P2-0接口，另一端准备接地，接地在左边选择栏中的终端处，选择选择ground

   acfb683f25254f158a46fe20e1042dc1.png

   808dedc750c14ceb8a1c9732c8bbf528.png

   6f6348c5e5a44a8895b19c072e812ebc.png

  11 .放置8个led灯，分别连接到P2-0~7端口采用共阴极接法

   a72e93764df549a9b7af4d5fc0980a0c.png

   至此，原理图创建完成。

3. 在keil4创建新工程，并且编写一个流水灯程序

      1. 打开keil4，点击工程project，选择创建一个新的工程，New uVision Project

       046a2a9e3dfa4600b8ff5831a82cf358.png 

       2. 在新弹出的窗口中输入工程文件名称和选择工程的保存路径

      ed2ceb2e71a74e0aa9bfc5a53514fc2d.png

      3. 在弹出的窗口中选择数据库，选择Atmel,在下拉选项中选择AT89C51

       513778e5254242a48e23150a22f693c8.png

        5198939d4cd94bbd9f51d2371b8e65ed.png

       4. 在弹出的窗口中选择  是

       ed5b3f0f203548bfa609f4f112d6c718.png

       5. 进入主页面，创建一个新文件，点击保存，命名为led.c

        f8173941286147809bedec5bc02094df.png

        9ce247cdb8044e8493045d9191b14d9a.png

       5cce3840d4d7488c96633602067ef76c.png

       6. 在里面编写程序

       75ef039737264c86b249597a79491770.png

       7. 在文件夹下添加led.c文件

       右键点击文件夹，点击Add Files to Group ……

       8c7609959a094580bd0453c77008c9ac.png

      8. 点击魔术棒，在output中勾选输出hex文件

       18be97d0412d41c59a36aa36df0170a1.png

      b3dba40dc3f444e59354777a21ae64b7.png

     9. 编译文件，生成hex文件

    依次点击  translate  build rebuild   

    26f984a13b514a1bb24d5e47a0ccc3a6.png

   查看编译输出文件，build output：

   68581d4708a7466f88b947ca337623fe.png

    无警告和错误，且生成了hex文件，编译通过。

4. 将Keil4生成的hex文件导入Proteus，进行仿真

     1. 双击51单片机

      2955dc08b15e4dba9badfeac2c6b0c53.png

     2. 在Programe File 中选择刚才Keil4生成的hex文件

     8e8fe2fefefe4e0c90954a8bc5632f9c.png

    3.  点击右下角仿真按钮，进行仿真

    2ce3ac0fb5da4e75844c2b9fb389bbbb.png

5.  仿真结果

     bd0a2b6b740b4296bb3d91ecc1732e96.gif

 

二、STM32流水灯实验（程序解释在第三大点）

  1. 安装Keil5软件

        Keil5安装参考：keil5安装教程_Matcha_ice_cream的博客-CSDN博客

  2.  新建工程文件，编写、编译STM32流水灯程序

          1. 创建新的工程，点击project ，new uvision project

               5db866d1e9d442109030d8715183c9a5.png

           2. 输入工程文件名，选择工程路径

              73637e357b4a46c29706303bfaa69ea4.png

            3. 选择stm32f103zet6对应的库文件，搜索stm32f103ze，点击ok

               e4ebfe12cbcf418eaba9b32d8960a4dd.png

            4. 选择ok

             18a308bbe64f401189857c3c9ae9baf6.png

            5. 创建led.c文件，并且进行编译，和keil4操作基本一样，不再赘述

             在led.c中输入如下代码：

              

  1. #define PERIPH_BASE           ((unsigned int)0x40000000)//AHB的地址
  2. #define APB2PERIPH_BASE       (PERIPH_BASE + 0x10000) //APB2地址
  3. #define GPIOA_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x0800) //GPIOA地址
  4. #define GPIOA_ODR_Addr    (GPIOA_BASE+12) //0x4001080C   //GPIOA_ODR地址
  5. #define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))
  6. #define MEM_ADDR(addr)  *((volatile unsigned long  *)(addr))
  7. typedef  struct{
  8.  
  9.    volatile  unsigned  int  CR;
  10.    volatile  unsigned  int  CFGR;
  11.    volatile  unsigned  int  CIR;
  12.    volatile  unsigned  int  APB2RSTR;
  13.    volatile  unsigned  int  APB1RSTR;
  14.    volatile  unsigned  int  AHBENR;
  15.    volatile  unsigned  int  APB2ENR;
  16.    volatile  unsigned  int  APB1ENR;
  17.    volatile  unsigned  int  BDCR;
  18.    volatile  unsigned  int  CSR;
  19. } RCC_TypeDef;
  20.  
  21. #define RCC ((RCC_TypeDef *)0x40021000)
  22. typedef  struct
  23. {
  24. volatile  unsigned  int  CRL;
  25. volatile  unsigned  int  CRH;
  26. volatile  unsigned  int  IDR;
  27. volatile  unsigned  int  ODR;
  28. volatile  unsigned  int  BSRR;
  29. volatile  unsigned  int  BRR;
  30. volatile  unsigned  int  LCKR;
  31. } GPIO_TypeDef;
  32. #define GPIOA ((GPIO_TypeDef *)GPIOA_BASE)
  33. void delay(unsigned int  time)
  34. {
  35.  unsigned int i=0;
  36. 	while(time--)
  37. 	{
  38.    i=12000;
  39.    while(i--);		
  40. 	}
  41. }
  42.  
  43. int main(void)
  44. {
  45. 	RCC->APB2ENR|=1<<2;      	  	 
  46. 	GPIOA->CRL&=0x00000000;
  47. 	GPIOA->CRL|=0x33333333;	
  48.   GPIOA->ODR=0x01;      
  49.   while(1)
  50. 	{
  51. 	delay(1000);
  52. 	GPIOA->ODR=GPIOA->ODR<<1;
  53. 	if(GPIOA->ODR==0x0100)
  54. 	{
  55. 		GPIOA->ODR=0x01;
  56. }
  57. }
  58. }

         6. 进行编译

            3bbd5875ca914a0a9d42579442c6048c.png

3. Jlink烧录程序

          1. 安装Jlink驱动

                参考网站：jlink驱动安装_洛殿的博客-CSDN博客

           2. 配置Jlink烧录环境

              点击魔法棒

            cf58a922256442489f4f751a6910ec90.png

           点击debug

          ca397d846b1a4b349f74c1c5a0fabc27.png

          选择ST-LIN/v2 端口选择sw

         aea2eb0ec4aa4f7b87efd686a0b130dc.png

       3. 烧录程序

         点击下载程序

         2a40016d31284b4491f92e5e660359ce.png

4. 实验效果

        ​​​：连接图4e5d9bbf80b84db4ae6dd581c2759f1a.png

         实验效果： 

STM32流水灯实验效果

 

 

三、STM32F103系列芯片的地址映射和寄存器映射原理，GPIO初始化设置的一般步骤及流水灯程序解释

  1. 寄存器映射简介

       stm32采用的是Cortex-M3处理器，32位操作系统，具有：

       32位寄存器、32位内部数据通路以及32位总线接口。那么其寻址能力就是2^32bit=4G

       Cortex-M3采用的是哈佛计算机结构，即数据、指令分开存储，具有数据存储器和指令存储器

      其最大4G的地址分配如下：

    45067700205649a7a3914b1f9fa00ace.png

 

24e3dc78d11243ea9236cfa84f820966.png

       将4GB的大小分为代码区0.5GB、SRAM0.5GB、外设0.5GB、外部存储器RAM1G、外部设备   1G和私有外设0.5GB

       一个典型的CPU是由运算器、控制器、寄存器等器件构成，这些器件都通过内部总线相连，CPU中，运算器进行信息处理、寄存器进行信息存储、控制器控制各种器件进行工作、内部总线连接各种器件，在它们之间进行数据的传输。

     寄存器的作用是信息存储，通常存储的类型有数据、指令和地址。从本质上来讲，寄存器都是存放的01二进制编码，我们可以把其当作数据、指令和地址进行处理，根据不同的情况和需求，做对应的变换。

    简单来说：

    寄存器映射就是通过给绝对地址取一个别名，然后通过寄存器，修改该绝对地址的状态。

      我们知道，一个单片机是通过CPU、存储器和许多外设组成

      如下是stm32的系统架构

dc2619ee4b4e4c1cb19df3c43e177588.png

  从图中可以看出，CPU连接有ICode总线、Dcode总线、系统总线和DMA总线

  ICode总线连接着Flash接口，通过FLASH可以烧录程序

  DCode,System和DMA通过总线矩阵连接着各种外设，如SRAM、FSMC

  通过总线矩阵，又引出了AHB总线，AHB总线通过桥接的方式分为APB1和APB2总线

  APB1和APB2连接着不同的外设，我们需要操作对应的外设，就要通过总线连接，找到对应地址

 stm32参考手册中给出了寄存器映像，即外设的地址分布：

924cecf055b64355bc20646ede98ebc0.png

  这里没有给完整，详情可以在参考手册中查看。

  GPIO也是外设，其地址分布在0x40000000~0x5fffffff之内，和上面从Cortex的存储映像符合

  那么如果我们要操作GPIOA的某一个端口，就需要修改对应寄存器的值，从图中可以找到寄存器    的范围在0x40010800-0x400100BFF

2. 操作GPIO端口的一般步骤

     1. 时钟使能

        为什么要时钟使能？因为外设的状态都是保存在寄存器中的，如果我们要修改外设的状态，那么就要修改对应寄存器的值，stm32内部寄存器都是采用的D触发寄存器，因此需要时钟使能才能使能D触发，才能修改寄存器中的值，从而改变外设的状态

     2. IO口初始化（端口配置）

        stm32的输出口有很多种模式，IO口初始化是用配置系统最开始的模式

     3. 操作IO口

       操作IO口一般是在循环中要完成的操作

3. 程序编写

    1. GPIOA端口时钟使能

    根据上面的操作步骤首先是时钟使能

    通过查看stm系统架构，知道了GPIOA是连接在APB2这条总线上，因此我们使能GPIOA口需要      操作APB2的外设时钟使能寄存器，查看APB2的外设时钟使能寄存器：
   63700235d72744a5aa6b19df7afff746.png

  因此我们修改APB2时钟使能寄存器的第二位为1，就成功使能GPIOA端口了。

  那么APB2的使能寄存器在哪里呢？

98fdd29b50d0481eb058f9aee521cef0.png

 通过查表发现在AHB总线 复位和时钟控制 RCC的起始地址为0x4002100，

 为什么APB2的时钟使能控制寄存器在AHB1上呢？

 因为系统架构是通过AHB桥接成APB1和APB2的，换句话说就是通过AHB上面的时钟频率分频给   APB1和APB2

 RCC总共有8个寄存器：CR 、CF、GR、CIR、APB2RSTR、APB1RSTR、AHBENR、   APB2ENR、APB1ENR、BDCR、CSR，我们需要使能GPIOA时钟，用到的是APB2ENR寄存器

7b2cb0ab55a647e3bc81b85037b1b557.png

其相对于RCC的偏移地址为0x18，那么使能寄存器映射地址就为：

0x40021000+0x18=0x40021018

在上面的程序中是通过volatile关键字声明了8个寄存器的RCC结构体完成的，其作用和直接声明寄存器映射地址效果是一样的：

1b2276d529514c679bd7ef38bc6a27fa.png

可以简化为：#define APB2ENR  ((unsigned int)0x40021018)

下一步就是使能时钟了，就是将该寄存器第二位设置为1：

e53b95f258e94333ba74285bafeb8146.png

  现在就已经完成了GPIOA端口时钟使能了。

2. 端口配置

 stm32的GPIO口总共分为8种模式

 输入：上拉输入、下拉输入、浮空输入、模拟输入

 输出： 复用推挽输出、普通推挽输出、复用开漏输出、普通开漏输出

 在此次实验中所需要配置的类型为普通推挽输出，那么如何配置呢？还是通过操作寄存器配置

 需要用到的两个寄存器分别为端口配置低寄存器（端口配置高寄存器），端口输出数据寄存器

 那么首先应该找到这两个寄存器的映射地址：

 这两个寄存器都在GPIOA寄存器组里面,因此首先要找到GPIOA寄存器的映射地址：

c3272d29bba642d88d8a47b3fd18cf24.png

 在表中APB2的起始地址为0x4001 0000，GPIOA寄存器组的起始地址为0x40010800

 其次找到对应的两个寄存器偏移地址：

  c0ef16307fc24585acdfea2d9a08a6bd.png

   859db2485c114997b0f1638fdd073061.png

  所以端口配置低寄存器映射地址为0x40010800+0x00=0x40010800

  端口输出数据寄存器映射地址为：0x40010800+0x0c=0x4001080c

  同样也可以通过直接声明寄存器的映射地址来完成

  在代码中也是通过创建volatile关键词的GPIO结构体完成的：

472a102894384817aa4e82965844c018.png

ad4a128ac292446e86d248c229056af1.png

前面说过，stm32是32位操作系统，端口配置低寄存器控制32个bit，每4位为一个端口，从小到大分别为PA0~PA8

3571253df77e44319338053a6e663f03.png

每个4位的高两位CNF选择配置上面说的GPIO的8种的一种模式

第两位选择输入模式或者输出模式的输出频率

7224b69279ec4a208d176ac2e2070f85.png

 我们需要配置的是通用推挽输出模式，速度选择50Mhz，因此为00 11 在16进制里面为3

  因为需要用到8个端口，所以可以将这8个端口全部设置为推挽输出，速度为50MHz：

c9cba19fd3aa4bfe88c31d63af6df64d.png

这时端口输出模式选择完成了，但是不知道输出是0，还是1，因此需要端口输出数据寄存器

1347a7bbf5cf406aada9ba1781630782.png

  一个bit对应一个端口，最小系统板只有8个端口，则其有效位位0-8，当配置为0的时候，PA0则输出低电平，配置为1的时候，则输出高电平

初始化的时候，将PA0设置为高电平，其他为低电平，即该寄存器的值可以设置为：0x0001

     38fc53a579a3493cae1f56df75a597c2.png

到这里，初始化就完成了

3. 端口操作，具体程序实现 

     完成上述程序配置后，PA的8个端口全部为推挽输出模式，并且输出速度为50Mhz

    流水灯程序还需要一个延时程序

    在程序中采用的是软件延时的方法：

     8328712dedf24b8ca920d5e8ef2da858.png

     在此次实验中，采用的是共阴极接法，8个led的阴极全部接地，阳极接PA的8个端口，当PA端       口输出高电平的时候灯亮，输出高电平的时候灯灭。

    程序思路：初始化PA0为高电平，在循环中，先延时，然后左移，PA1为高电平，再判断是否0      ~8端口是否全为0，如果是的话，则又赋值为0x0001

   程序流程图：

   10e82e336aac4bad9e71e42c1ae12170.png

  4. 思考

    1. 嵌入式C程序代码对内存(RAM)中的各变量的修改操作，与对外部设备（寄存器--->对应相关管脚）的操作有哪些相同与差别？

      对外部的设备操作是通过找到寄存器地址，然后修改寄存器的值，从而修改外部设备的状态，一般可以通过宏定义一个指针，指向寄存器的地址：

     793392ec22e84844ab932cb2e3edf099.png

     对内存的修改操作也可以通过指针变量的方式进行修改。

     寄存器是CPU内部的组成部分，通过内部总线与CPU直接相连，内存是通过外部地址总线与C        PU相连，通过外部总线寻址，通过寄存器修改变量的值比内存更快。

     

     2. 为什么51单片机的LED点灯编程要比STM32的简单？

       因此在GPIO端口配置的时候，需要时钟信号来使能D触发器（寄存器），从而修改端口状态

       51单片机的时钟只有一个，且没有进行分频等操作

       将STM32虽然也只有一个系统时钟，但是可以通过分频，将APB1或者APB2的时钟时钟频率           更改，比51单片机多一个分频的操作，所以在开始修改寄存器时，51单片机直接能对寄存器           进行操作，而stm32则需要进行时钟配置使能。

       此外，stm32是32位单片机，而51是位8单片机,stm32能够实现的功能能多，也就意味着其更         复杂。

四、嵌入式register、volatile 关键字的作用

1. register关键字

     register声明的变量直接存在在CPU的寄存器中，程序可以直接对该变量进行读写。访问内存的变量比访问寄存器的变量更慢，因此将需要快速访问的变量放入寄存器能提高程序的效率。

 比较如下了两个c语言程序：

  1. for(int i=0;i<=100000000;i++)
  2. {
  3.  
  4.  
  5.  
  6.  
  7. }
  8.  
  9. for(register int i=0;i<100000000;i++)
  10. {
  11.  
  12.  
  13.  
  14. }

 

这里访问了变量i很多次，如果把i定义在内存中，那么CPU每次都会从内存中访问i，这样相比在寄存器中就会很慢；如果把i用 register关键字修饰，那么访问CPU就会通过寄存器的方式访问它，从而能提高程序运行的效率。

2. volatile关键字

  volatile声明的变量表示可以被某些编译器未知的因素更改，比如操作系统、硬件或者其他线程，    遇到这个关键字声明的变量，编译器对访问改变量的代码不在进行优化，从而可以提供对特殊地    址的访问。每次使用它的时候必须从内存中取出它的值，不会从寄存器中使用，从而保证了对某    特殊地址的稳定访问。

 在嵌入式开发中，往往在宏定义的时候会看到这样的代码：

#define GPIOB_BASE ((unsigned int)0x40010800)

这样的好处便是在嵌入式编程中，硬件寄存器和内存映射设备常常需要使用volatile关键字，以确保编译器不会对其进行优化，从而保证与硬件的交互是准确的。

五、总结

 1. C51不需要分频，且为8位单片机，STM32需要时钟分频且为32位单片机，功能更复杂，C51         编写流水灯程序时比STM32更简单。

 2. stm32存储器映射是给绝对地址命名个别名，通过寄存器更改绝对地址里面的值。

 3.  寄存器是CPU内部的组成部分，通过内部总线与CPU直接相连，内存是通过外部地址总线与C        PU相连，通过外部总线寻址，通过寄存器修改变量的值比内存更快。

 4. register声明的变量尽可能直接放在寄存器中存储，volatile声明的变量只能从绝对地址中访问。

 

PS：参考网站：

     proteus安装可参考 Protues 8.9 仿真（安装包和安装步骤） - 知乎 (zhihu.com)

     Keil5安装参考：keil5安装教程_Matcha_ice_cream的博客-CSDN博客       

     keil4安装可参考   Keil uVision4保姆级安装教程 - 知乎 (zhihu.com)​​​​​

     4个案例代码告诉你，C语言中volatile关键字的高级玩法 (baidu.com)

     参考网站：jlink驱动安装_洛殿的博客-CSDN博客 

 

 

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