徐 磊，劉 瑜，許耀華，方紅雨①

（安徽大學(xué) 集成電路學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引言

集成電路是現(xiàn)代信息技術(shù)的核心，屬于高端設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域.在高校，集成電路是一個(gè)多學(xué)科交叉、高技術(shù)密集的專業(yè)，其基礎(chǔ)與應(yīng)用研究遍及從電子工程到計(jì)算機(jī)科學(xué)的整個(gè)信息技術(shù)領(lǐng)域，單片機(jī)課程的知識(shí)模塊已成為集成電路專業(yè)教育與交叉融合研究的重要基礎(chǔ)［1-2］.單片機(jī)的類型很多，其中STM32單片機(jī)憑借其產(chǎn)品線的多樣化、極高的性價(jià)比、簡單易用的庫開發(fā)方式，在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和科技文化賽中已經(jīng)成為熱門首選［3-5］.

匯編指令系統(tǒng)是編程過程中極其重要的內(nèi)容，學(xué)生如果對(duì)匯編指令的理解不夠透徹、準(zhǔn)確，將嚴(yán)重影響對(duì)單片機(jī)工作原理的了解和后期的使用［6-7］.指令集作為軟硬件之間的接口規(guī)范，是信息技術(shù)生態(tài)的起始原點(diǎn).匯編指令與芯片設(shè)計(jì)密切相關(guān)，已經(jīng)作為集成電路學(xué)院各專業(yè)必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)［8-10］.但Proteus仿真案例的設(shè)計(jì)需基于C語言標(biāo)準(zhǔn)庫，在教學(xué)課時(shí)有限的情況下，2種語言的同時(shí)講授為教學(xué)開展帶來極大挑戰(zhàn).另外，傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)往往以課堂理論教學(xué)為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)為輔，一般先理論后實(shí)踐.如果理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)脫節(jié)，無法保證“新工科”建設(shè)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求，不能提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，也不能充分發(fā)揮學(xué)生自身的學(xué)習(xí)積極性［11］.案例式教學(xué)通過課件與虛擬仿真案例的融合，注重真表現(xiàn)力、交互性、共享性3個(gè)特性，化靜為動(dòng)、化抽象為形象，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為課程教學(xué)效果的提升提供可靠保障［12］.Proteus平臺(tái)能夠?qū)⒂布到y(tǒng)軟件化，能夠模擬硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，并能夠?qū)崟r(shí)驗(yàn)證程序的正確性［13］.另外，基于Proteus和STM32CubeMx的STM32聯(lián)合開發(fā)方式的線上項(xiàng)目式教學(xué)方法可關(guān)聯(lián)當(dāng)前的產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目，并用以創(chuàng)建和講解運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)解決復(fù)雜工程問題的新型案例［14］.結(jié)合Proteus平臺(tái)和案例式教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)閰R編指令的無縫融合提供可行性，但在目前STM32教學(xué)中缺乏有效的教學(xué)案例.

綜上所述，本文提出一種STM32案例式教學(xué)的匯編指令無縫融合方法.以軟件延時(shí)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)為例，基于Proteus虛擬仿真平臺(tái)，詳細(xì)說明所提方法的案例式教學(xué)設(shè)計(jì).通過該案例式教學(xué)，使學(xué)生在完成單片機(jī)軟硬件開發(fā)任務(wù)時(shí)，不僅知其然，而且知其所以然，理解計(jì)算與算法背后的芯片與指令基礎(chǔ)，為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和科技文化競(jìng)賽中，創(chuàng)新性作品的制作奠定一個(gè)良好的基礎(chǔ).

1 軟件延時(shí)案例和問題描述

在單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)中，經(jīng)常會(huì)碰到較短的時(shí)間延時(shí)情況.當(dāng)使用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器不方便實(shí)現(xiàn)時(shí)，利用軟件延時(shí)子程序完成一些延時(shí)的需求是非常有必要的.軟件延時(shí)的精確性往往也直接關(guān)乎應(yīng)用效果的實(shí)現(xiàn).

1.1 案例簡介

案例名稱：系統(tǒng)工作指示燈［15］.LED燈慢閃（間隔時(shí)間300 ms）表示系統(tǒng)正常運(yùn)行.

該案例電路可在Proteus虛擬仿真平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，其包含STM32單片機(jī)，具體型號(hào)為STM32F103R6；包含示波器，用以觀察延遲量的大??；包含限流電阻和一端接地的LED燈，用以表示系統(tǒng)正常運(yùn)行.

1.2 源程序

#include“stm32f10x.h”

void delay_ms（unsigned ms）；//函數(shù)聲明

int main（void）

｛

/*LED（PA2引腳）初始化*/

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure；

RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOA，ENABLE）；

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_2；

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=

GPIO_Speed_50MHz；

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP；

GPIO_Ini（tGPIOA，&GPIO_InitStructure）；

GPIO_ResetBits（GPIOA，GPIO_Pin_2）；

/*正常運(yùn)行，LED燈慢閃（間隔時(shí)間300 ms）*/

while（1）

｛

GPIO_SetBits（GPIOA，GPIO_Pin_2）；//燈亮

delay_ms（300）；

GPIO_ResetBits（GPIOA，GPIO_Pin_2）；//燈滅

delay_ms（300）；

｝｝

/**

*@簡介：軟件延時(shí)函數(shù)，單位ms

*@參數(shù)：延時(shí)毫秒級(jí)

*@返回值：無

**/

void delay_ms（unsigned ms）

｛

int32_t i；

while（ms--）

｛

i=7500；//外部晶振8Mhz時(shí)的經(jīng)驗(yàn)值

while（i--）；

｝｝

其中，1 ms軟件延時(shí)函數(shù)void delay_ms（unsigned ms）需進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，其子程序中的局部變量i是重點(diǎn)調(diào)整對(duì)象.在源程序中，只給出“外部晶振8 Mhz時(shí)的經(jīng)驗(yàn)值i=7 500”的注釋說明，但并未給出對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行配置的相關(guān)程序.此問題在大部分STM32開發(fā)板案例教程中也同樣存在，這給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來很大的困惑和障礙.

1 .3問題描述

示波器的掃描速度為200 ms/div，如圖1可以看出，低電平信號(hào)在水平方向所占的格數(shù)約為8.5 div，則實(shí)際低電平的延時(shí)量為200*8.5=1700 ms=1.7 s.這與預(yù)想設(shè)計(jì)的300 ms延時(shí)相差很大，問題的本質(zhì)在于1 ms軟件延時(shí)函數(shù)不夠精確.

圖1 i=7 500時(shí)，示波器顯示的延時(shí)量

2 問題分析

當(dāng)STM32單片機(jī)上電啟動(dòng)的時(shí)候會(huì)首先啟動(dòng)文件“startup_stm32f10x_ld.s”，執(zhí)行這里的匯編指令，從而建立起C語言的運(yùn)行環(huán)境.因此需通過對(duì)啟動(dòng)文件的分析，進(jìn)行匯編指令的教學(xué)開展和系統(tǒng)時(shí)鐘的默認(rèn)配置情況的明確.

2.1 啟動(dòng)文件

啟動(dòng)文件“startup_stm32f10x_ld.s”的功能主要為：①初始化堆棧指針SP；②初始化程序計(jì)數(shù)器指針PC；③設(shè)置堆、棧的大小；④初始化中斷向量表；⑤配置外部SRAM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；⑥調(diào)用SystemIni（t）函數(shù)配置系統(tǒng)時(shí)鐘.⑦設(shè)置C庫的分支入口“__main”，用來調(diào)用main函數(shù).其中，STM32單片機(jī)復(fù)位后執(zhí)行的匯編指令段如下所示.

Line1：；Reset handler routine

Line2：Reset_Handler PROC

Line3：EXPORT Reset_Handler［WEAK］

Line4：IMPORT__main

Line5：IMPORT SystemInit//說明SystemInit這個(gè)標(biāo)號(hào)在鏈接的時(shí)候需要到其他文件去尋找

Line6：LDR R0，=SystemInit//把SystemInit的地址加載到寄存器R0

Line7：BLX R0//程序跳轉(zhuǎn)到R0中的地址執(zhí)行程序，即執(zhí)行SystemInit函數(shù)的內(nèi)容

Line8：LDR R0，=__main

Line9：BX R0

Line10：ENDP

上述匯編指令是Cortex-M3內(nèi)核支持的指令，可以在MDK-＞Help-＞Uvision Help中搜索到，也可參考《ARM Cortex-M3權(quán)威指南》中指令集章節(jié)進(jìn)行指令格式、尋址方式和指令功能的規(guī)范性講解，從而實(shí)現(xiàn)匯編指令和STM32案例式教學(xué)的無縫融合.結(jié)合啟動(dòng)文件的功能描述，并完成這段指令的分析后，可以明確：STM32單片機(jī)上電后，會(huì)執(zhí)行SystemIni（t）函數(shù)，最后執(zhí)行C語言源程序中的main函數(shù).System-Ini（t）是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，在system_stm32f10x.c這個(gè)庫文件中被定義，其主要作用是配置系統(tǒng)時(shí)鐘.因此要明確系統(tǒng)時(shí)鐘的默認(rèn)配置情況，還需對(duì)SystemIni（t）進(jìn)行深入剖析.

2.2 SystemInit（）函數(shù)

system_stm32f10x.c中SystemIni（t）的部分代碼如下

Line1：void SystemInit（void）

Line2：｛

Line3：/*Reset the RCC clock configuration to the default reset state（for debug purpose）*/

Line4：/*Set HSION bit*/

Line5：RCC-＞CR|=（uint32_t）0x00000001；//開啟8MHz內(nèi)部高速時(shí)鐘（HSI，High-Speed Internal）

//關(guān)閉外部高速時(shí)鐘（HSE，High-Speed Enternal）

Line6：/*Reset SW，HPRE，PPRE1，PPRE2，ADCPRE and MCO bits*/

Line7：#ifndef STM32F10X_CL

Line8：RCC-＞CFGR &=（uint32_t）0xF8FF0000；//選擇HSI作為SYSCLK；

//AHB、AP1、AP2的預(yù)分頻系數(shù)均為1

Line9：#else

Line10：RCC-＞CFGR &=（uint32_t）0xF0FF0000；

Line11：#endif/*STM32F10X_CL*/

寄存器的具體配置效果可查看STMF103xx參考手冊(cè).經(jīng)過上述代碼的剖析，可以明確案例中的系統(tǒng)時(shí)鐘的默認(rèn)配置為8 MHz內(nèi)部高速時(shí)鐘，并且AHB、AP1、AP2的預(yù)分頻系數(shù)均為1.結(jié)合STMCubeMX圖形界面化的優(yōu)勢(shì)，將STM32單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘的默認(rèn)配置效果進(jìn)行顯示，如圖2所示.

由圖2可以看出，STM32單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘的默認(rèn)配置與啟動(dòng)文件的分析結(jié)論是一致的.在案例中使用的是PA2引腳，其隸屬于APB2外設(shè)，所以其工作時(shí)鐘與APB2外設(shè)時(shí)鐘保持一致，具體為8 MHz.

圖2 基于STMCubeMX的系統(tǒng)時(shí)鐘默認(rèn)配置效果

3 實(shí)驗(yàn)效果

為保障1 ms軟件延時(shí)函數(shù)的精確性，將源程序中2處delay_ms（300）改為delay_ms（1）.根據(jù)示波器顯示的延時(shí)量，不斷調(diào)整i的數(shù)值，最終確定1 ms軟件精確延時(shí)的經(jīng)驗(yàn)值為1 320，其對(duì)應(yīng)的示波器顯示的延時(shí)量如圖3所示.

圖3 i=1 320時(shí)，示波器顯示的延時(shí)量

示波器的掃描速度為1 ms/div，如圖3可以看出，高、低電平信號(hào)在水平方向所占的格數(shù)為1 div，則實(shí)際的高電平延時(shí)量為1 ms/div*1 div=1 ms.將示波器的掃描速度設(shè)置為更小數(shù)值時(shí)，可以得到同樣的結(jié)果.因此，驗(yàn)證1 ms軟件延時(shí)函數(shù)的精確性和上述分析過程的正確性.

4 結(jié)語

結(jié)合案例式教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，本文提出一種STM32案例式教學(xué)的匯編指令無縫融合方法.首先，以軟件延時(shí)的精確設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)Proteus虛擬仿真電路.其次，以問題為導(dǎo)向，通過啟動(dòng)文件和系統(tǒng)啟動(dòng)函數(shù)的聯(lián)合分析，明確系統(tǒng)時(shí)鐘的默認(rèn)配置情況，并進(jìn)行匯編指令的無縫融合.最后，進(jìn)行延時(shí)變量的不斷修正，得到保障1 ms軟件精確延時(shí)的延時(shí)變量經(jīng)驗(yàn)值.通過該方法，能夠引導(dǎo)學(xué)生不僅掌握STM32單片機(jī)的工作原理，促進(jìn)課堂教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程的全面優(yōu)化，而且能夠有效提升學(xué)生的實(shí)踐及創(chuàng)新能力.