呼吸灯案例

概述

最小化的呼吸灯案例：只用 CMSIS 寄存器直接操作 GPIO，配合软件延时逐级调整 PWM 占空比，让 PA0 上的 LED 呈现「渐亮 → 渐灭」的呼吸效果，不依赖 HAL 库，也不用硬件定时器。

• 引脚：PA0 配置为推挽输出，高电平点亮 LED（外接 LED + 限流电阻到 GND）。
• 时钟：复位后默认 HSI 8 MHz 作 SYSCLK，不配 PLL，跑起来最简单。
• 原理：软件 PWM —— 一个周期里高电平占 on 拍、低电平占 period - on 拍，缓慢改变 on 就能得到连续变化的亮度。

引脚分析：为什么是 PA0

这个案例最小只用到三类信号，其余引脚是实物接线时才需要的：

• 电源：VDD / VSS 供电，必接，但代码里不用写。
• 调试：PA13（SWDIO）、PA14（SWCLK）默认被调试占用，本案例不碰，留着烧录调试。
• 输出：选 PA0 作推挽输出，高电平点亮 LED。

代码里那几条寄存器操作，都是沿「PA0 → GPIOA → 总线」这条链推出来的：

要做什么	依据	对应代码
让 GPIOA 可被访问	GPIOA 挂在 APB2 总线上，由 RCC 时钟门控	`RCC->APB2ENR
把 PA0 配成推挽输出	CRL 低 4 位控制 PA0：CNF=00 推挽、MODE=10 2 MHz 输出	`GPIOA->CRL = (GPIOA->CRL & ~0xFu)
输出高 / 低电平	BSRR / BRR 是原子写，比「读改写 ODR」更不易被中断打乱	GPIOA->BSRR = (1u << 0) / GPIOA->BRR = (1u << 0)

剩下「怎么变成呼吸灯」是纯软件的事：不靠硬件定时器，用一个空转延时 delay_cycles() 控制高 / 低电平的拍数，逐级改占空比即可，见下方代码。

上面用到的寄存器定义见《STM32F10xxx 参考手册（中文版）》RM0008：RCC_APB2ENR 在 6.3.7，GPIOx_CRL / GPIOx_BSRR / GPIOx_BRR 分别在 8.2.1 / 8.2.5 / 8.2.6，原子位设置/清除见 8.1.2。

GPIO 输出方式：推挽与开漏

GPIOx_CRL / CRH 里每个引脚占 4 位，拆成两段：MODE[1:0] 定方向与速度，CNF[1:0] 定电路形态。只要 MODE 非 00，引脚就是输出，此时 CNF 有 4 种搭配（参考手册 8.1.8、表 17）：

CNF	输出方式	说明
00	通用推挽输出	既能主动拉高、也能主动拉低，接 LED（阳极接 IO）最常用
01	通用开漏输出	只能主动拉低，拉高靠外部上拉；多设备线与、接 5 V 器件常用
10	复用推挽输出	输出交给外设（USART_TX、PWM 等），驱动方式同推挽
11	复用开漏输出	输出交给外设，驱动方式同开漏（如 I2C 的 SCL / SDA）

「通用」和「复用」的区别只在于电平由谁控制：通用输出由你写 ODR / BSRR / BRR 决定；复用输出则把引脚交给片上外设（定时器 PWM、串口 TX 等）驱动。推挽和开漏的区别在输出级的 MOS 管：

• 推挽：上 P-MOS、下 N-MOS 两个管子。写 1 时 P-MOS 导通拉到 VDD，写 0 时 N-MOS 导通拉到 VSS，高低电平都能主动驱动，带载能力强。
• 开漏：只有下 N-MOS 一个管子。写 0 时拉到地，写 1 时 N-MOS 关断、引脚变高阻，必须靠外部上拉电阻把电平抬起来；好处是多个开漏输出可以直接「线与」，也便于和 5 V 器件做电平转换。

呼吸灯这里 LED 阳极接 PA0、阴极经限流电阻到 GND（高电平点亮），需要 PA0 能主动输出 1 点亮，所以选通用推挽输出（CNF=00）。对应代码里的 GPIOA->CRL = (GPIOA->CRL & ~0xFu) | 0x2u：低 4 位写成 0b0010，即 CNF=00、MODE=10（最大 2 MHz）。MODE 只是限制最大翻转速率，呼吸灯这种低速场景 2 MHz 足够。

源代码

/**
 * @file main.c
 * @brief 应用入口（本工程唯一自写业务代码）。
 *
 * CMSIS 寄存器操作 PA0：软件 PWM 呼吸灯。
 * 时钟：默认复位后 HSI(8MHz)，不配 PLL。
 */
#include "stm32f1xx.h" /* 引入 STM32F1 CMSIS 头文件，提供 RCC/GPIO 等寄存器定义 */

/**
 * 粗延时：空转指定拍数，时长随内核时钟变化，仅用于演示。
 * @param count 循环次数；声明为 volatile，防止编译器把空循环优化掉。
 */
static void delay_cycles(volatile uint32_t count)
{
  while (count--) { /* 每轮减一，直到减到 0 后退出 */
    __NOP();       /* 插入一条空操作指令，消耗少量时钟周期 */
  }
}

/**
 * 软件 PWM 一个周期：先高电平 on 拍，再低电平 (period-on) 拍。
 * @param on     高电平持续拍数（占空比分子）
 * @param period 一个 PWM 周期总拍数（占空比分母）
 */
static void pwm_cycle(uint32_t on, uint32_t period)
{
  GPIOA->BSRR = (1u << 0);       /* 写 BSRR 低 16 位：原子置位 PA0=1，点亮 LED */
  delay_cycles(on);              /* 保持高电平 on 个空转拍 */
  GPIOA->BRR = (1u << 0);        /* 写 BRR：原子清零 PA0=0，熄灭 LED */
  delay_cycles(period - on);     /* 保持低电平，凑满一个 period 周期 */
}

/**
 * 配置 PA0 为推挽输出，并以软件 PWM 做呼吸灯（高电平点亮）。
 */
int main(void)
{
  /* 1. 使能 GPIOA 外设时钟：未开时钟则读写 GPIOA 寄存器无效 */
  RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; /* APB2ENR 位置位 IOPAEN，打开 GPIOA 时钟 */

  /* 2. 配置 PA0 模式：CRL 低 4 位控制 PA0；CNF=00 推挽，MODE=10 输出 2MHz */
  GPIOA->CRL = (GPIOA->CRL & ~0xFu) | 0x2u; /* 清掉旧 CNF/MODE，再写入 0b0010 */

  /* 3. 呼吸参数：period 决定亮度阶数，hold 决定每个亮度停留多久 */
  const uint32_t period = 200u; /* PWM 周期拍数；越大亮度分级越细，循环越慢 */
  const uint32_t hold = 15u;    /* 每个占空比重复次数；越大呼吸越慢、越平滑 */

  while (1) { /* 主循环永不退出，持续呼吸 */
    /* 3.1 渐亮：占空比 d 从 0 增到 period */
    for (uint32_t d = 0; d <= period; d++) { /* d 即当前高电平拍数 */
      for (uint32_t i = 0; i < hold; i++) {  /* 同一亮度多打几轮 PWM，让眼睛能跟上 */
        pwm_cycle(d, period);                /* 按当前占空比输出一个 PWM 周期 */
      }
    }
    /* 3.2 渐灭：占空比 d 从 period 减到 1（回到 0 由下一轮渐亮衔接） */
    for (uint32_t d = period; d > 0; d--) { /* 逐级降低高电平时间 */
      for (uint32_t i = 0; i < hold; i++) { /* 同样在每个亮度上停留 hold 轮 */
        pwm_cycle(d, period);               /* 输出更暗一点的 PWM 周期 */
      }
    }
  }
}