本月刚开始的时候，由于学校里教的东西实在是无聊，在找一些新的事情做；@t123yh 劝我学习单片机，从此便入了单片机的坑。我先买了个 arduino Uno R3 官方开发板，以及一些 esp8266、esp32 的板子，在上面用 arduino 和 micropython 写了些程序。但 arduino 是一个 toy model，接口抽象程度非常高，方便了新手的学习，但不可避免地掩盖了底层的功能；micropython 亦然。采用 arduino 很难组织稍微大一点的项目，迫使我考虑其他开发板和开发环境。
esp32 有官方 C++ SDK，叫 esp-idf，搭建起来本身就是个麻烦事。我在 windows 下始终不得要领，于是切换到 debian 上装 esp-idf。装上之后用 VS Code 写代码确实顺利，不过很缺乏 IDE 的支持。加之 esp32 虽然是个好模块，但库和框架都少，对我这种新人的学习可能不利，后来我又买了点 stm32 的板子，用 Jetbrains 的 CLion 开发程序，终于觉得很方便了。今天把途中遇到的坑写一下。
0x01 环境配置
这个开发环境还是很容易配的，Linux 下就不说了，win10 可以采用 choco 这个程序把 OpenOCD 和 gcc-arm-embedded 装上。但有一个大坑：choco 虽然可以通过软件包 mingw-w64 装上 gcc/g++，但没有带 gdb！我也不知道软件源维护者的脑子里进了什么东西，总之评论区全是吐槽：
最后我用 mingw 官方的程序装上了 gcc 全家桶。gcc 版本很旧，只有 6.x（与之对比，mingw-w64 的版本是 8.x），但够我用来开发单片机了。总之折腾一下午之后终于配好了环境。
顺便说一句为什么不用官方的 STM32CubeIDE。我买了几块 stm32 的板子，其中只有一块 F3 Discovery 板子是官方版，自带 ST-LINK V2；另外几块板子是需要外部 ST-LINK 的。我在淘宝买了个寨版 ST-LINK，发现栽了跟头：寨版固件版本是 V2.J17.S4，而想用 STM32CubeIDE 进行调试，必须先把 ST-LINK 固件升级到 V2.J37.S7，升级失败。看了一下淘宝评价，发现这寨版根本不能升。于是放弃了 STM32CubeIDE，去寻替代品。Jetbrains 家的 IDE 我用得挺熟练的，所以选了 CLion 来开发。
0x02 初始化
CLion 采用 CubeMX 来生成初始代码，交互上做得还很不好。总之我们先点击左上角的 MCU 型号，把板子换成 F3 Discovery；于是原来的项目名就木大了，变成「Untitled」。给项目改名（要和 CLion 项目的名字一模一样），最终如下：
然后配置 GPIO 用途。我们把 PB12、PB13 、PB14 用于数字信号输出。
0x03 关于 74LS595
我们的目标是控制 8 个 LED 的通断。如果按一般的做法，那就是从单片机上的 8 个 GPIO 各引一条线到对应的 LED。然而 MCU 上的 GPIO 是很宝贵的，这样一次性占 8 个 GPIO 对很多应用场景来说，都不合适。
首先说一下这里为什么用 74LS 芯片而不用 74HC 芯片。
- 我打算用 3.3V 的电源去驱动芯片和 LED，而 74HC 芯片是 5V 电平，虽然逻辑上也能工作，但我毕竟第一次用这块芯片，还是准备按标准来。
- 74LS 芯片默认上拉，管脚悬空视为高电平。这样我可以少接几根线。
来看 74LS595 的管脚定义：
我手上的芯片是右上角那种。各个引脚的定义如下：
QA-QH是数据输出，我用来控制 8 个 LED。SER是数据输入。SRCK是时钟信号，上升沿触发。触发后，把SER的值压进移位寄存器中。这里只是把数据压进 shift register 里面去，并不改变输出。RCK也是上升沿触发的时钟信号，触发后用 shift register 的值覆盖掉 storage register，改变芯片的输出。QH'是级联输出，如果级联多个 74LS595 的话，把QH'连到下一个芯片的SER管脚，就能把自己移位时抛掉的 bit 送进下一个芯片。我这里只需要操控 8 个 LED，不用级联，故把这个管脚悬空。G在高电平时阻止输出（把输出变成高阻态），换句话讲就是低电平的时候使能输出端。我们希望 LED 常亮，所以G应该接到GND来拉低。SRCLR是低电平有效的清零端，方便我们用程序直接清零芯片（而不是连续压 8 个 0 进去）。不过我们这里为了节省 GPIO，不采用这个清零渠道，故把SRCLR拉到 VCC。
74LS595 提供了「锁定输出端」的功能，这是为了防止在移位过程中产生的各种中间状态被输出。我们之后会演示这个情形。这个特性是我们选择 74LS595 而非普通移位寄存器的主要原因。顺便一提，SN74LS595 的官方描述是「Shift Registers With Output Latches」，带输出锁的移位寄存器。
现在我想把这 8 个 LED 设为一个状态（例如 10101010），需要干的事情如下：
- 把
SER置为对应的信号。 - 做一个
SRCK的上升沿，把刚刚设置的信号压进去。 - 重复上述过程 8 次，于是 shift register 里面变成了我们期望的那 8 位数据。做一个
RCK的上升沿，来把 storage register 改成这 8 位，从而点亮我们期望的那些 LED。
原理很简单。接下来开始焊板子。
0x04 焊 武 帝
至于为什么不用面包板来做，是因为 74LS595 芯片是 DIP16 封装，而我的 LED 的直径大于 100mil（2.54mm），占用面包板的不止一列，所以如果要采用面包板，杜邦线必须飞得到处都是……最终决定在万能板上面飞线来做这个事。
首先摆好芯片、LED 和排针，五个排针分别对应 GND, VCC, SER, RCK, SRCK ，然后开始焊。
这个飞线采用的是漆包线，外面有一层绝缘膜，但是在焊点处是接通的，所以不用刮漆，非常好用。具体原理我也不知道，也许是加热过程会破坏外层漆吧……总之好用就完事了。然后连接板子和 stm32 开发板，最终是下面的样子：
0x05 写代码
我们开始写代码。为了方便复用，我们写一个 led595.h 来定义几个函数：
然后在 led595.c 里面实现之。注意 .h 和 .c 的文件放置位置不一样，前者目录是 Core/Inc ，后者目录是 Core/Src 。在使用的时候，只需要包含 led595.h ，如下：
具体实现如下，写在 led595.c 里面：
//
// Created by blue on 2021/5/26.
//
#include <main.h>
#define PIN_SER GPIO_PIN_12
#define PIN_RCK GPIO_PIN_13
#define PIN_SCK GPIO_PIN_14
#define MS_TO_DELAY 1
void set_led_state(unsigned state) {
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, PIN_SCK, 0); // 拉低 SCK、RCK，以便之后产生上升沿
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, PIN_RCK, 0);
for(int i=7; i>=0; i--)
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, PIN_SER, (state & (1<<i)) > 0); // 写 state 的对应位
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, PIN_SCK, 1);
HAL_Delay(MS_TO_DELAY);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, PIN_SCK, 0);
HAL_Delay(MS_TO_DELAY);
}
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, PIN_RCK, 1); // 从移位寄存器的暂存值，输出到数据寄存器
HAL_Delay(MS_TO_DELAY);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, PIN_RCK, 0);
}
void set_led_state_with_shifting(unsigned state) {
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, PIN_SCK, 0); // 拉低 SCK、RCK，以便之后产生上升沿
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, PIN_RCK, 0);
for(int i=7; i>=0; i--)
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, PIN_SER, (state & (1<<i)) > 0); // 写 state 的对应位
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, PIN_SCK, 1);
HAL_Delay(MS_TO_DELAY);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, PIN_SCK, 0);
HAL_Delay(MS_TO_DELAY);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, PIN_RCK, 1); // 从移位寄存器的暂存值，输出到数据寄存器
HAL_Delay(MS_TO_DELAY);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, PIN_RCK, 0);
}
}
我们这里演示了两种方法，set_led_state 是按照我们之前描述的方案来做，而 set_led_state_with_shifting 是模拟了一个纯粹的移位寄存器，直接把 shift register 的内容输出。为了演示这两种方案的不同，我们把 MS_TO_DELAY 设成几百毫秒。烧录程序，开跑：
0x06 两种移位寄存器方案的比较
常规的移位寄存器是这样的：
可见，为了输出 10101010 ，不得不经过一大堆中间状态。而带锁的移位寄存器是这样的：
一步到位，非常文明！
0x07 二进制计时器
KDE plasma 里面有个桌面部件叫做「二进制时钟」，拿像素块来显示时间，很有意思。我们这边的 LED 数量不够做二进制时钟，但是可以做个二进制计时器：LED 显示 cnt 的二进制值，每隔 300ms 执行一次 cnt++ 。
最终效果如图所示：
0x08 总结
我们用三个输出端口（一个数据、两个时钟），完成了 8 个 LED 的控制。串口转并口要付出频率的代价，不过我们这个应用里面，频率除以 8 是毫无问题的。事实上，用这三个输出端口可以控制更多的 LED，只需要级联几块 74LS595。
GPIO 直接连接 LED 的情况下，可以通过 PWM 来调控 LED 亮度。74LS595 的速度很快，我隐约感觉 PWM 调 8 个 LED 亮度是可行的。但是现在的代码跑得太慢，即使 MS_TO_DELAY 设成 0，计数 256 也要耗掉 2s 左右，算下来切换得最频繁的 LED0 大概才 100Hz，闪烁很明显。优化一下，改一改时钟频率，也许能达到 PWM 的要求，但是我要复习去了。复习完了再摸一摸罢。