4.5 实战：从点灯到呼吸灯

4.5 实战：从点灯到呼吸灯

本节摘要：本节用一条完整的项目线串起本章知识：从最朴素的按键控灯开始，两次迭代升级为带渐变效果的呼吸灯，最后加上串口上报变成一个小型演示系统。每一步按背景、操作、结果、解读、变式展开，重点不在代码本身，而在"每次升级动了哪个硬件机制、现象为什么变化"的因果链。这是第 4 章的汇演，也是全书第一台"能演示的作品"。

项目背景：为什么从点灯开始再抛弃点灯

"点灯"是嵌入式的 Hello World，但它只用了 GPIO 一个开关量——现实中的控制几乎都带"程度"：灯光要多亮、电机要多快、声音要多大。本节故意设计一条递进路线：先点灯（开关量），发现"开关灯太生硬"，于是引入 PWM（程度量），再用定时器让渐变自动发生，最后用串口把系统状态报出来。每一次迭代都被一个真实的不满驱动，这种"由需求拉动技术"的过程，正是产品开发的缩影。

第一轮：按键控灯——最朴素的闭环

操作：PA0 配输入上拉接按键，PC13 配推挽输出接 LED，主循环里轮询按键状态控制灯的亮灭。代码骨架在 4.1 节已经备齐：读按键加状态机消抖，读到有效按下就翻转 LED。

/* 第一轮：轮询式按键控灯 */
while (1) {
    debounce_scan();              /* 5ms 节拍扫描按键（定时器触发） */
    if (key_event) {              /* 消抖确认的状态变化 */
        key_event = 0;
        toggle_pc13();            /* 翻转灯 */
        printf("led=%d\r\n", read_pc13());
    }
}
​

结果：功能正常，但观察两个现象。其一，长按按键灯不连续翻转——状态机只在状态变化时报事件，这是对的；其二，把主循环里加一行 delay_ms(100) 模拟耗时任务，按键响应明显变得迟钝甚至漏检——扫描被阻塞了。解读：轮询架构的致命伤曝光——CPU 忙于别的事时，输入事件就会漏。这个现象不必现在修，记住它，第 5 章中断就是它的解药。变式：先试着自己用"长按切换连闪模式"改造一轮，体会轮询架构在多任务叠加时的力不从心。

第二轮：PWM 调光——从开关量到程度量

背景：开关灯太生硬，想要"调亮度"。操作：把 PC13 从 GPIO 输出改成定时器 PWM 输出（查复用表确认该引脚对应的定时器通道），配置 ARR = 71 得 1MHz 步频、周期 1kHz；CCR 从 0 到 72 可调。写一个简单循环让 CCR 阶梯变化。

/* 第二轮：PWM 调光，CCR 每 10ms 一档 */
for (;;) {
    for (uint8_t d = 0; d <= 72; d += 6) {   /* 渐亮 */
        set_pwm_compare(d);
        delay_ms(10);
    }
    for (uint8_t d = 72; d > 0; d -= 6) {    /* 渐暗 */
        set_pwm_compare(d);
        delay_ms(10);
    }
}
​

结果：灯真的会呼吸了，但有两个瑕疵：渐变有轻微的"台阶感"，且调到最低几档时亮度变化不均匀——前几档几乎不变暗，后几档骤灭。解读：台阶感来自 10ms 一档的粗颗粒；低占空比区的非线性来自人眼与 LED 的双重非线性（人眼在暗区更敏感）。变式与修正：把步进间隔缩到 2ms 台阶即消失；低区非线性用 gamma 校正——预先算好一张 72 项的查找表（用指数曲线生成），CCR 按表取值，渐变立刻均匀。查找表放 Flash（const 数组，4.4 与 3.3 的知识在此汇合）。

图 4-3：呼吸灯亮度曲线的线性与伽马校正对比

第三轮：定时器接管节拍——把 delay 赶出主循环

背景：delay 占着 CPU，主循环啥也干不了，且渐变节奏受主循环其他任务拖累。操作：启用另一个定时器产生 5ms 更新中断，在中断服务程序里只做一件事——更新 CCR 档位（查表取下一个值）；主循环从此没有 delay，只剩业务逻辑。结果：渐变节奏稳定精确，主循环空出来了，就算插入串口打印也不影响呼吸节奏。解读："时间任务归定时器、主循环干业务"是裸机架构的分水岭——这一步迈过去，程序从"演示"变成"系统"。同时注意：中断里改 CCR 时主循环可能也在改（第三轮只有中断改，暂无冲突），若两边都改就产生了竞态——这正是第 5 章要正面处理的问题，此处先埋伏笔。

第四轮：串口上报——让系统会说话

操作：初始化串口 1（4.2 的配置），定时器每秒触发一次上报，把当前 CCR 值、按键计数打包成一行文本发出。为了不阻塞，上报采用"主循环查询标志位"方式：定时器中断置标志，主循环发现标志就组装发送。结果：串口终端每秒收到一行状态，呼吸灯照常运行两不误。解读：这个"中断置标志、主循环干活"的模式是裸机编程最常用的低配协作——比在中断里直接 printf 安全得多（printf 慢，中断里调它就是 5.3 节要批判的"ISR 干重活"）。变式：把文本协议换成二进制帧（帧头加长度加校验），为第 7 章可靠性设计里的协议校验提前热身。

项目复盘：四个机制各自的贡献

回顾整条路线：GPIO 提供了开关量与按键输入的物理基础；定时器提供了精确节拍与 PWM 输出的硬件自动化；串口提供了可观测性；而对"程度量"的需求驱动了从 GPIO 到 PWM 的架构升级。四个知识点不是并列的清单，而是在真实需求里相互咬合的齿轮。建议亲手把四轮都做一遍——尤其体会第一轮的"按键漏检"与第三轮的"节奏稳定"，这两个现象分别通向第 5 章中断与第 6 章程序架构的大门。

交付标准：这份代码凭什么能带走

四轮迭代完成后，用什么标准判断它已经从"能跑的实验"变成"能复用的模块"？给一份自检清单。一看初始化的完整性：外设初始化函数是否自洽——时钟使能、引脚复用、参数配置、中断使能四件套齐全，换一块板只改宏定义就能用，不用到处补配置。二看时间的来源：全工程检索 delay，应当一个都不剩（或只剩上电瞬间的粗延时）——任何业务节奏都应来自定时器或节拍计数，这是第 6 章程序架构的地基。三看共享数据的纪律：中断与主循环共同读写的变量，类型是否 atomic（单条指令可完成）、是否加了 volatile——两个关键词现在记不住没关系，第 5 章会给完整解释，但清单先立在这。四看可观测性：状态能否随时用串口问出来——产品化的代码都留调试口，"哑巴系统"在现场等于盲飞。四条全过，这套骨架就值得存进你的个人代码库，它会在未来每个项目里反复生长。

两个延展方向：把这套骨架继续长大

带走骨架之后，给它留两个生长方向。方向一，把串口上报升级为命令通道：接收侧加一行解析（收到特定字节就调灯的开关或调档），系统就从"会汇报"变成"可遥控"——顺手体会命令解析该放主循环还是中断（答案是主循环，中断只收字节，这正是 ISR 纪律的应用）。方向二，给呼吸灯加渐变曲线的配置接口：把 gamma 表改成可由串口下发刷新的 RAM 表，重启后从 Flash 读回——一次小小的"参数持久化"，把第 3.3 节的 Flash 写入知识用上。两个方向加起来不到一百行代码，却把本章四个外设拧成了真正的系统雏形，强烈建议做完再进第 5 章。

本节要点回顾

• 迭代由不满驱动：开关量生硬引出 PWM，delay 霸占 CPU 引出定时节拍，不可观测引出串口上报。
• 调光的两个修正：细颗粒步进消台阶，gamma 查找表消低区非线性——现象背后的感知非线性要用人眼特性解释。
• 架构分水岭：时间任务归定时器中断、主循环只干业务，是从演示到系统的门槛。
• 中断置标志、主循环干活：裸机下最安全的协作模式，ISR 保持轻短的原则从这一刻建立。
• 体系位置：主循环与中断开始分工协作，它们的交界处正是下一章的主战场——中断、优先级与竞态。