NUCLEO-F103RB 评测：硬件接口与板载外设实测

F103 的开发板有很多，Nucleo-F103RB 吸引我的地方，是上面那半块 ST-LINK。给 MCU 下载程序、打断点、看串口日志，这些写代码时天天要做的事，一根 USB 线就接齐了。选开发板时，这一点在我心里的分量，比多焊几颗传感器还大。

这块板的设计取舍很明确：把下载、调试和串口观察放在 ST-LINK 这一侧，把完整的 MCU 引脚留给外部电路。它适合从 GPIO、串口开始，逐步加入定时器、DMA、SPI 和 RTOS，项目变复杂以后，原来的调试器和扩展接口仍然派得上用场。

这次我只接一根 USB 数据线，用板载 LED、USER 按键和虚拟串口写了一个综合实验：定时器控制闪烁，按键切换周期或暂停，电脑通过串口修改参数、读取运行统计。文章后半部分给出了实际下载记录、按键事件和定时采样结果，代码也一并保留。

板卡正面。上方的 Mini-B USB 接口属于 ST-LINK，中间的开槽把调试器和目标板分成了两个区域。

板卡布局与硬件组成

照片上能看到 NUCLEO-F103RB 的型号贴纸，PCB 标着 MB1136 rev C。上面是 ST-LINK/V2-1，下面是 STM32F103RB；蓝色的是 USER 按键，黑色的是 RESET。两侧排针里，靠内的一组采用 Arduino Uno V3 接口布局，外侧长长的双排针则是 ST morpho。

这种布局看一眼就能明白大概怎么用。还没接外设时，板上的 LED 和按键就能做输入输出实验；要接现成的扩展板，先看 Arduino 接口；需要更多引脚，再从 Morpho 引出来。主控周围没有挤满显示屏和传感器，杜邦线接上去以后，仍然比较容易找到自己用的引脚。

Nucleo-64 里的“64”对应目标 MCU 的引脚数。主控丝印分成两行，上面是 STM32F103R，下面接着 BT6，完整型号就是 STM32F103RBT6。

STM32F103RBT6，LQFP64 封装。F103 常见的外设，在这颗芯片上都能找到对应的练手机会。

把和日常开发有关的规格列出来，大致是这样：

项目STM32F103RB 的配置

这些资源可以组合成一个完整的小控制系统：定时器给出采样节拍，ADC 采集数据，DMA 负责搬运，USART 输出结果，再接上 SPI 屏幕或 I2C 传感器。各个外设之间的配合关系，在这块板上比较容易逐步验证。

ST-LINK/V2-1 功能与串口连接

在 Linux 下接入这块板时，系统识别到的 USB ID 是 0483:374B，产品名为 STM32 STLink，同时出现 /dev/ttyACM0 和卷标为 NOD_F103RB 的存储盘。调试、串口、存储三个接口，来自同一个 USB 复合设备。

连接 ST-LINK 的 USB 接口后，系统出现 NOD_F103RB 存储卷，里面有 DETAILS.TXT 和 MBED.HTM。

这里的存储盘其实是 ST-LINK 提供的编程入口，支持拖入编译好的 BIN 或 HEX 文件。它看起来像一个小 U 盘，但用途是把固件送进目标 MCU。卷容量约 156 KiB，里面的 DETAILS.TXT 显示固件版本 0221，构建时间为 2019 年 1 月 7 日。NOD_F103RB 只是这次枚举出的卷标，认板卡型号还是看 PCB 和贴纸更直接。

下载之外，板载调试器也适合用来定位程序问题。程序停在断点上以后，可以沿着调用过程单步走，查看变量、寄存器和内存。比如按键中断没有按预期触发，可以先确认中断函数有没有进来，再去查引脚、触发沿和中断配置，不必靠不停加延时来猜。

虚拟串口则负责程序运行时的观察。F103RB 在默认焊桥配置下，把 USART2 的 PA2、PA3 接到了 ST-LINK。打开串口终端，目标程序通过 USART2 发出的日志就能从同一根 USB 线送到电脑。

这两个引脚值得提前记住。很多 F103 工程用的是 USART1，发送和接收脚常写成 PA9、PA10；把那份代码原样搬过来，电脑虽然能看到 ST-LINK 串口，日志却不会自动从这里出来。工程使用 USART2 时，少接一个 USB 转串口模块，也少了一组 TX、RX 交叉接线。

Linux 下如果要给日志脚本固定设备名，还可以用之前生成的序列号路径：

/dev/serial/by-id/usb-STMicroelectronics_STM32_STLink_066CFF485753667187155936-if02

ttyACM0 的编号会随设备插拔变化，这种路径更适合放进自己的脚本里。

还有一个很容易混淆的地方：板上的 USB 插座连着 ST-LINK，目标 F103 自己的 USB 外设则使用 PA11、PA12。写 USB 键盘、鼠标或自定义设备时，需要为目标芯片另外处理 USB 接口电路。板载虚拟串口已经替普通日志做好了连接，开发目标 USB 功能时，再把两条链路分开看就很清楚。

用户 LED、按键与 GPIO 映射

F103 的入门项目通常从闪灯开始，这块板上对应的是 PA5 上的绿色 LD2。蓝色 USER 按键 B1 接 PC13，黑色 B2 则负责复位。三个名字对上以后，板上现成的输入输出就够写一个小程序了。

这次实验把它们放进了同一个程序：TIM2 控制 LD2，PC13 负责用户输入，USART2 接收命令并输出日志。按键处理和串口解析都在主循环里完成，中断只负责计时、翻转输出和搬运字节。

PA5 同时还对应 Arduino 接口的 D13，也可复用为 SPI1 的时钟脚。所以接 SPI 外设前，要记得检查原来的 LED 程序有没有继续操作它。类似的引脚共用关系，在开发板上看得见、查得到，很适合拿来熟悉 STM32 的复用配置。

工具方面，可以先用 STM32CubeIDE 配合 CubeMX 的图形配置建立工程，再顺着初始化代码去看时钟和外设寄存器。熟悉流程后，换成 Makefile、GCC 或其他编辑器也不难，板载 ST-LINK 的下载和调试方式不受影响。

定时器、按键与串口综合实验

实验配置与程序结构

实验使用前面这块 MB1136 rev C 板卡，保留默认跳线和焊桥连接，USB 线接板载 ST-LINK。电脑运行 Linux，通过 OpenOCD 下载，串口配置为 115200 bit/s、8N1、无流控。LED、按键和串口都使用板上的现成连接，不需要另接模块。

固件采用 C 和寄存器配置，不依赖 HAL 或 RTOS。主要功能如下：

功能实现方式

默认完整周期是 1000 ms，点亮和熄灭各约 500 ms。短按从当前档位切换到下一档，所以从默认状态开始，第一次短按会变为 2000 ms。长按触发后只产生一次事件，松开时不再补发短按。

串口接收队列为 256 字节，发送队列为 1024 字节，环形队列各保留一个空槽。中断里不做命令解析，也不等待一整行日志发完；队列满时记录丢字节数。主循环每轮最多处理 32 个接收字节，给按键采样留出执行机会：

void app_poll(void)
{
    button_poll();
    char ch;
    for (unsigned n = 0; n < 32u && hw_rx(&ch); ++n) {
        input(ch);
    }
}

这一轮处理结束后，主循环执行 WFI，等待 SysTick 或外设中断唤醒。TIM2 的中断优先级高于 EXTI、SysTick 和 USART2，LED 节拍不依赖串口命令的处理速度。

时钟与定时器配置

STM32F103RB 支持最高 72 MHz，本实验使用 64 MHz：内部 HSI 8 MHz 经二分频后，再由 PLL 倍频 16 倍。这样可以直接使用芯片内部时钟，不依赖板卡的 HSE、ST-LINK MCO 或相关焊桥接法。

AHB 为 64 MHz，APB1 为 32 MHz。由于 APB1 配置了分频，其定时器时钟倍频，TIM2 仍使用 64 MHz。预分频器 PSC=6399，计数频率就是 10 kHz，每个计数为 0.1 ms。

程序中的 period_ms 表示一次完整亮灭周期，每次中断只推进半个周期，因此自动重装载值为：

TIM2 计数频率 = 64000000 / (6399 + 1) = 10000 Hz
ARR = period_ms × 5 - 1

设置 1000 ms 时，ARR=4999，每 500 ms 更新一次。允许的完整周期范围是 20～10000 ms，且必须为偶数；最大 ARR=49999，在 TIM2 的 16 位计数范围内。修改周期时先停止定时器，更新 ARR 和计数器，通过 UG 装载配置，再清除更新标志及挂起中断，最后从 LED 点亮状态重新开始。

编译、下载与命令验证

工程源码、构建说明和测试用例已放在 GitHub 公开仓库。编译器使用 GNU Arm GCC 13.2.1，优化等级为 -Os，通过 Makefile 生成 ELF、BIN 和 HEX：

git clone https://github.com/NyaRu-Kiss/nucleo-f103rb-lab.git
cd nucleo-f103rb-lab
make -j2 all size
make test
make backup
make flash

下载前，我先用 ST-LINK 读取了原程序的全部 128 KiB 主 Flash。随后通过 OpenOCD 写入新固件、执行校验并复位，日志中的关键结果是：

** Programming Finished **
** Verify Started **
** Verified OK **
** Resetting Target **

下载终端截图：识别到 128 KiB Flash，写入后返回 Verified OK，随后复位运行程序。

打开控制台后，可以直接输入命令：

python3 tools/board_tool.py console

命令操作结果

除了正常设置，我也检查了错误输入。period 19、period 21、period 10002、负数、带字母的参数和过长数字均返回错误，原设置保持不变。20 ms 和 10000 ms 两个边界值可以正常接受。一行超过 63 个字符时，程序丢弃该行，换行后可以继续接收 status。

这些检查由配套脚本执行，正常使用不需要逐条手动输入：

python3 tools/board_tool.py verify

最终复测的 13 项检查全部通过，包括参数检查、超长行恢复、LED 命令状态、暂停后定时器停止计数，以及两档周期的计数与间隔检查。每次运行都保存原始串口日志和 JSON 报告，方便把终端输出与设备状态对起来。

定时统计与中断耗时

我分别设置 200 ms、1000 ms 完整周期，在每组采样前清空统计。设备记录的结果如下：

完整亮灭周期设备时基观察窗口TIM2 中断增量相邻中断间隔（最近/最小/最大）RX/TX 丢字节串口错误

200 ms 档每 100 ms 翻转一次，1235 ms 的窗口内记录到 12 次中断；1000 ms 档每 500 ms 翻转一次，2235 ms 内记录到 4 次。观察窗口不一定从定时器更新沿开始，也不一定在更新沿结束，所以计数比较要留出一个中断的边界差异，不能只做除法后要求完全相等。

例如，200 ms 档采样结束时，status 中与本组实验有关的字段如下。这里从原始状态行摘取并分行显示：

period_ms=200 timer_irqs=12 edges=12
last_interval_ms=100 min_interval_ms=100 max_interval_ms=100
last_isr_cycles=90 min_isr_cycles=79 max_isr_cycles=90
rx_dropped=0 tx_dropped=0 uart_errors=0

edges 是中断内执行 LED 翻转的次数，这两组采样中都与中断数一致。间隔由 SysTick 的毫秒计数记录，与 TIM2 共用 HSI 时钟参考，反映的是固件内部定时是否吻合；绝对频率精度还取决于 HSI 本身的误差。

此外，我用 Cortex-M3 的 DWT 周期计数器记录了 TIM2 中断内一段代码的耗时，两组结果均为最小 79、最近及最大 90 个 CPU 周期。按标称 64 MHz 换算约为 1.23～1.41 μs，覆盖标志处理、间隔统计和 LED 翻转等取样范围内的操作。这个数值不包含完整的异常入栈、出栈及取样后的统计开销，因此不能直接当成完整中断响应时间。

实体按键与异常处理

实际短按蓝色 USER 后，状态记录为 presses=1 short=1 long=0 period_ms=2000 button_irqs=2，与默认 1000 ms 档切到 2000 ms 一致。button_irqs=2 对应这次操作记录到的原始边沿中断；应用层则只确认一次短按。

随后长按按键，串口收到：

EVENT button=long uptime_ms=188156 period_ms=1000 mode=paused

后续状态中，long=1、mode=paused、led=0，程序已经暂停定时翻转并关闭 LED 输出。这次长按恰好落在自动采样期间，采样窗口内的中断数少于预期，脚本也因此报出计数不匹配。停止按键操作后重新采样，两档定时检查都通过了。做计数测试时，需要把手动操作与自动采样分开，否则测到的会是操作前后两种状态的混合结果。

下面是另一次手动复测的终端截图，与前面的自动采样记录分开。先设置 200 ms 完整周期并查询状态，再设置 1000 ms、清空统计，依次操作短按和长按。短按将周期切到 2000 ms，随后长按暂停；最终状态为 short=1 long=1 mode=paused led=0。

手动复测截图：200 ms 档的最近、最小和最大中断间隔均为 100 ms；下方记录了短按切换周期、长按暂停及最终状态。计数随本次操作和等待时间变化。

串口初次连接还出现过一次输入错误，后续会话开始同步时也收到过 ERR line too long or invalid character。目前工具在连接后先发送空行，结束可能残留的半行输入，再开始正式命令检查。错误原因还没有定位，日志仍保留；清空统计后的两档定时采样中，UART 硬件错误和收发队列丢字节数均为零。

固件资源占用

这一版固件的链接结果如下：

项目占用占板载资源的比例

RAM 合计还包含 4 字节对齐空间。这里的 2 KiB 栈是链接脚本预留的预算，没有测量运行时栈峰值。默认 size 输出会把 .stack 算入 bss，因此看到 bss=3528 时，要结合分节结果解释，不能全部算成全局变量。

应用逻辑另外在电脑上通过了 44 项检查，串口工具通过了 11 项 Python 测试。它们覆盖命令解析、消抖状态机、计时回绕、串口分段读取和超时等情况；板上运行记录则用于确认实际下载、通信和外设行为。具体实现见 工程说明、应用逻辑、STM32 外设驱动、主机测试和串口工具。

做完这组实验，ST-LINK 的便利就比较具体了：下载、串口命令和运行日志都走同一根线，PA5、PC13 和 USART2 可以直接组成一个能交互、能查询状态的小程序。后面增加传感器或显示器时，可以继续沿用这套命令和统计接口。

MAX7219 点阵扩展示例

板载实验之后，还可以增加 MAX7219 驱动的 8×8 LED 点阵，在上面运行康威生命游戏。Electronut 的这个参考项目同时使用 HAL、C++ 和 FreeRTOS，适合继续研究通信、任务和显示的组织方式。下面的接法与任务代码用于说明扩展方案，本次板载实验运行的是上一节的寄存器工程。

生命游戏很适合这样的小显示器：每个格子只有亮和灭两种状态，下一代的状态由周围格子决定。程序持续计算，点阵上就能看到图案变化。它有实际的计算任务，也有可见的输出，比单独翻转一个 GPIO 更容易让人想继续改。

接口分配如下，SPI2 负责显示数据，USART2 留作输出日志：

NUCLEO-F103RB 引脚连接或用途

MAX7219 只接收数据，这里不需要 MISO，PB14 可以配置为普通 GPIO。点阵另用 5 V 供电；模块的输入电平要求也要核对，必要时在 STM32 与模块之间加电平转换。

软件里，一个任务翻转板载 LED，并发信号给生命游戏任务；后者平时等待信号，收到后推进一代状态，再把显示数据发给 MAX7219。计算和刷新由同一个任务按顺序完成，避免显示驱动读到只更新了一半的图像。

采用 CMSIS-RTOS v1 信号接口时，显示任务的结构可以简化为下面这样。代码为任务逻辑示意，省略外设初始化和驱动实现；节拍任务通过 osSignalSet(displayTaskHandle, 0x01) 触发一次更新。

void DisplayTask(void const *argument)
{
    for (;;) {
        osEvent event = osSignalWait(0x01, osWaitForever);
        if (event.status == osEventSignal) {
            conway_next_frame();       /* 计算下一代状态 */
            max7219_write_frame();     /* 通过 SPI2 更新显示 */
        }
    }
}

MAX7219 每条写入命令包含 1 字节寄存器地址和 1 字节数据。更新一幅 8×8 图像，需要依次写入 8 个显示数据寄存器，共发送 16 字节；每条命令发送前拉低 LOAD/CS，16 位数据发送完成后再拉高，锁存本次写入。驱动层按这个顺序组织后，应用层只需要提交图像缓冲区。

8×8 的亮灭状态一共只有 64 bit，用 8 字节就能表示一张图。如果分别保存当前状态和下一代状态，两份图像缓冲区合计 16 字节。任务栈、邻居计数等临时变量、驱动对象和 RTOS 内核还要另外占用内存，不能把图像大小当成整个工程的 RAM 占用。

这样的项目适合用来熟悉 F103RB 的进阶用法。入门时先用主循环把功能写出来，后面可以加中断、DMA，或者改成几个任务协作。硬件和调试器继续使用，注意力可以集中在程序本身。相关的完整代码也可以作为实现参考。

Arduino 与 ST morpho 扩展接口

板卡背面，贴纸标着 MB1136-F103RB-C05。排针焊点之间，还能看到不少用于调整信号连接的焊桥。

两套接口面向的使用方式不同：Arduino 布局方便利用现成扩展板，Morpho 则把更多芯片引脚交给开发者。F103RB 把这两种方式都留了下来。

刚开始可以接一块 I2C 传感器，通过虚拟串口看读数；想做得完整些，再接显示器、按键或存储器。等外围电路多起来，也可以做一块自己的转接板，把分散的杜邦线收起来。板子中间留得比较清爽，接口又分布在两侧，适合按项目需要一点点往上加东西。

Nucleo 系列共用的接口布局，也让扩展硬件比较容易复用。以后换另一款 Nucleo-64，已有的扩展板有机会继续用，只需重新核对该型号的引脚功能、电源和软件配置。对想接触不同 STM32 型号的人来说，这比每次都从散线接起舒服。

背面那些标着 SB 的小焊桥，也解释了这块板为什么能有几种不同的连接方式。例如 SB13、SB14 管着目标 MCU 与 ST-LINK 之间的串口连接，SB62、SB63 则关系到 PA2、PA3 是否连向扩展排针。平时不用动它们，等项目确实需要换接法时，手册里有图可查。

接 Arduino 扩展板时，电平也要一起看。F103 使用 3.3 V 逻辑，部分数字引脚具有 5 V 容忍能力，模拟输入等引脚仍要按数据手册的条件来接。默认接到 ST-LINK 的 USART2，也不等于已经接通了 Arduino 的 D0、D1。接口形状熟悉，具体信号还得按 F103RB 的图来认。

芯片内置 CAN 控制器，做总线实验时再加一颗 CAN 收发器即可。USB、CAN、SPI 屏幕这些功能，都可以从同一块板子上继续扩展，不必在点亮 LED 之后马上换硬件。

功耗测量与供电配置

板子中部有个标着 IDD 的 JP6，这个小跳线很值得认识。移除跳线、串入电流表，就可以测目标 MCU 的电流。开发板把这个位置留出来，比自己割线找测量点方便得多。

做电源预算时，可以先看数据手册给出的典型值。在 3.3 V、25 °C、外部 8 MHz 时钟经 PLL 倍频、HCLK 为 72 MHz 的条件下，STM32F103RB 的典型电流如下：

工作状态所有外设使能所有外设关闭

表中 ADC 的模拟部分还需按每个 ADC 约 0.8 mA 另计。这些数字只对应 MCU，不是 USB 端整板电流；ST-LINK、指示灯、稳压器以及外接模块都有各自的消耗，JP6 正好把关注点收到了目标芯片这一侧。

按 Run 模式的 36 mA 算，3.3 V 下对应约 0.12 W 的 MCU 供电功率。这组参数适合估算电源容量；上面的实验使用 64 MHz HSI PLL，主循环还会进入 WFI，工作条件不同，不能直接套用为该程序的电流。要做电池项目，我会优先研究哪些时钟能关、什么时候能睡眠，再通过 JP6 比较改动前后的电流。

供电扩展也有章可循。JP1 断开时，USB 枚举后的板卡及扩展板总电流上限为 300 mA；JP1 接通对应 100 mA 配置。接小传感器可以按这个预算安排，电机、继电器或多块亮度较高的显示模块，则更适合规划独立供电。外接 VIN、5 V 或 3.3 V 时，需要选择相应跳线，别只看接口旁边有一个电压标记就往上接。

ST-LINK 外接调试与项目迁移

Nucleo 上下两部分之间的开槽挺有辨识度，但我更在意旁边的 CN2 和 CN4。CN2 的两个跳线接通时，ST-LINK 连着板载 MCU；取下这两个跳线，就可以从 CN4 把 SWD 引到另一块目标板上。复位信号和 SB12 的连接关系，也要随目标接法一起核对。

这样，Nucleo 的用途就能延续到自己画 PCB 之后。先在 F103RB 上把传感器驱动、串口协议和控制逻辑理顺，换成自己的板子以后，仍然能用这块 ST-LINK 下载和调试。目标硬件变了，熟悉的断点、变量窗口和下载工具还能继续用。

从开发板迁移到自制板时，软件通常不需要全部推倒重来。需要重新确认的是时钟来源、供电方式、复位电路和每个外设的引脚复用。比如 USART2 在 Nucleo 上已经接到 ST-LINK，换到自制板后就要决定它是接 USB 转串口、无线模块，还是改用另一组 USART。把这些差异集中在板级初始化文件里，驱动和业务代码就能保持独立。

这种迁移方式也适合验证通信协议。先在 Nucleo 上接传感器或执行器，把数据格式、超时和错误处理跑通，再换成自己的接口板，问题会更容易定位。遇到异常时，ST-LINK 仍然可以读取寄存器和内存，串口日志也能继续保留，调试工具不会因为换了 PCB 就中断。

这次只用板载资源，我已经完成了定时翻转、实体按键输入、串口交互和运行统计，工程的 Flash 占用为 4204 B。NUCLEO-F103RB 适合作为这类控制程序的开发起点：先把交互和调试接口搭好，再通过两侧排针接入项目外设。等程序迁移到自制 PCB，板上的 ST-LINK 还可以继续使用。

参考资料

文中涉及的板卡规格、接口连接和示例工程，可通过下面的资料继续查阅。

• Elektor：Review: Nucleo, a broad platform for rapid prototyping，Nucleo 系列的平台评测，参考其对扩展接口与原型开发的讨论。

• Electronut Labs：Getting Started with STM32 ARM Cortex-M3 using GCC，使用 NUCLEO-F103RB 的入门记录，包含 LED、按键和 USART2。

• Electronut Labs：STM32 Returns，F103RB、MAX7219、C++ 和 FreeRTOS 的生命游戏项目；配套源码。

• ST：NUCLEO-F103RB 产品页。

• ST：UM1724，STM32 Nucleo-64 boards 用户手册，参考 ST-LINK、USART、扩展接口、供电和 IDD 测量章节。

• ST：STM32F103x8/xB 数据手册，参考芯片规格及表 17、表 18 的典型电流数据。