news 2026/10/22 8:30:56

STM32F103C8T6模拟PS2手柄：裸机时序控制实战

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
STM32F103C8T6模拟PS2手柄：裸机时序控制实战

简介：本资源是一套基于STM32F103C8T6微控制器实现PS2手柄通信的完整嵌入式开发工程，面向嵌入式初学者与进阶开发者，解决游戏外设协议解析、SPI主从通信配置及实时数据解码等典型实践难题。压缩包共154个文件，涵盖48个.h头文件（定义寄存器、协议结构与函数声明）、21个.c源文件（含HAL库驱动如stm32f1xx_hal_spi.c、stm32f1xx_hal_tim.c等核心模块）、22个.o与.d编译中间文件，以及uvprojx工程配置、axf可执行镜像、hex烧录文件等，整体6.15MB，结构完整，开箱即用。已有954人学习下载，适合通过真实硬件交互项目深入理解Cortex-M3外设驱动、PS2时序协议、中断响应机制与固件调试流程。读者可直接导入STM32CubeIDE或Keil MDK编译运行，快速掌握SPI主模式配置、手柄按键/摇杆状态解码、错误重试逻辑实现等关键能力。

1. STM32F103C8T6手柄PS2代码：不是“抄个库就能用”，而是要亲手打通时序、电平与寄存器映射的闭环

你手头有一块蓝 pill（STM32F103C8T6），想把它变成一个能被电脑或树莓派识别的PS2手柄——不是接现成的USB转接板，而是让MCU自己模拟PS2协议，发按键、摇杆、震动等完整数据包。网上搜“stm32f103c8t6 ps2 手柄”出来的大多是零散函数片段、没注释的main.c、或者直接调用某位网友封装的ps2.h却死活不响应的玄学案例。真相是：PS2协议本身不复杂，但STM32F103C8T6资源有限、无硬件PS2外设、GPIO翻转精度受中断延迟和SysTick干扰，真正卡住90%开发者的，从来不是“怎么发0x41”，而是“什么时候拉低clock线才不被主机判为超时”、“data线在clock下降沿采样还是上升沿释放”、“为什么第一次握手成功，第二次就收不到ACK”。本文面向已能点亮LED、配置GPIO和SysTick的入门者，不讲USB HID枚举，不依赖HAL库（避免抽象层掩盖时序细节），全程基于标准外设库+裸机寄存器操作，带你从PS2协议真值表出发，手写可调试、可断点、可改键映射的最小可行手柄固件。你会得到一个能稳定接入Windows设备管理器显示为“HID-compliant game controller”的固件，以及比任何开源库都更清楚的“为什么这么写”的答案。

2. PS2协议本质：不是通信，是“主机主导的同步采样”，所有代码必须服从这个铁律

PS2协议常被误认为是双向串口，实则是单主机（PC/游戏机）严格控制时序的同步采样总线。手柄永远处于被动响应状态：主机发命令 → 手柄延时后回ACK → 主机再发读取指令 → 手柄按固定时序输出8位数据。整个过程对时间精度要求苛刻：clock周期标称15μs±5μs（即66kHz左右），任意一位数据必须在clock下降沿采样，且data线需在下降沿前至少5μs稳定。STM32F103C8T6主频72MHz，理论指令周期13.9ns，看似充裕，但一旦开启中断、使用库函数、或未关闭编译器优化，实际GPIO翻转延迟极易突破1μs，导致主机判为“no device”。

2.1 为什么不能用通用串口或SPI模拟？——协议不可妥协的三个硬约束

  • Clock由主机单向驱动：手柄的CLK引脚只能作为输入，绝不能输出。常见错误是把PA1（假设接CLK）配置为推挽输出，试图“主动发时钟”，这会直接烧毁主机PS2接口。
  • Data线是双向开漏结构：主机和手柄共用一根DATA线，靠上拉电阻（通常4.7kΩ）维持高电平。手柄输出时需配置为开漏输出（OD），主机拉低时手柄必须高阻态（浮空输入）；主机读取时手柄才能驱动DATA线。STM32 GPIO无原生开漏模式，需手动切换输出/输入模式并控制ODR寄存器。
  • 关键时序窗口极窄：主机发出0x01（读取数据）命令后，要求手柄在20ms内完成ACK（拉低DATA 60μs）并开始发送8位数据；每位数据必须在clock下降沿采样，且相邻下降沿间隔15±5μs。这意味着：从检测到CLK下降沿，到置位/清零DATA，再到等待下一个下降沿，整个软件循环必须稳定在≤10μs内。

提示：不要尝试用SysTick中断做15μs定时——SysTick最小分辨率1μs，但中断响应延迟（PendSV + ISR entry）典型值3–6μs，叠加上下文保存，必然超时。正确做法是：用GPIO外部中断捕获CLK下降沿，在中断服务程序中用NOP指令精确延时，手动控制DATA电平。

2.2 STM32F103C8T6引脚分配与硬件连接：避开AFIO冲突，锁定最简接线

我们采用最精简、最抗干扰的接法（仅需4根线）：

主机PS2接口STM32F103C8T6引脚配置说明
VCC (+5V)5V（直接取自ST-Link或USB-TTL的5V）注意：STM32F103C8T6是3.3V MCU，但PS2 DATA/CLK为5V tolerant，可直连
GNDGND必须共地
CLKPA1配置为浮空输入，外部中断线EXTI1
DATAPA0配置为推挽输出（发数据时）或浮空输入（收命令时），通过GPIO_ResetBits()/GPIO_SetBits()和GPIO_Mode_IN_FLOATING动态切换

注意：PA0和PA1属于同一组GPIOA，EXTI线1对应PA1，无需重映射。禁用JTAG（SWD保留）以释放PA13/14/15，但PA0/PA1不受影响。若使用ST-Link下载，确保RST引脚未被占用——我们不依赖复位引脚通信。

2.3 协议状态机设计：从“握手-命令-响应”三阶段拆解核心逻辑

手柄行为完全由主机驱动，固件只需实现三个状态：

  1. IDLE（空闲）：DATA设为输入（浮空），等待主机拉低CLK发起通信；
  2. ACK（应答）：检测到CLK第一个下降沿后，立即将DATA切为推挽输出并拉低，保持60μs后释放（设为输入，靠上拉电阻回高）；
  3. DATA_SEND（数据发送）：主机发完命令（如0x01）后，连续发送8个CLK脉冲；手柄在每个CLK下降沿，将当前bit（从LSB开始）输出到DATA线，并保持至下一个下降沿到来。

关键点：所有状态切换必须在EXTI1中断中完成，且中断服务程序（ISR）必须极致精简。我们放弃printf、malloc、甚至for循环，全部用while+__nop()硬延时。

// ps2_protocol.h - 状态定义与全局变量 #ifndef __PS2_PROTOCOL_H #define __PS2_PROTOCOL_H #include "stm32f10x.h" typedef enum { PS2_IDLE, PS2_WAITING_ACK, PS2_SENDING_DATA } PS2_State; extern volatile PS2_State ps2_state; extern volatile uint8_t ps2_tx_buffer; // 待发送的8位数据（如按键状态） extern volatile uint8_t ps2_bit_index; // 当前发送bit位置（0~7） void PS2_Init(void); void PS2_IRQHandler(void); // EXTI1中断服务程序 #endif

3. 手动时序控制：用汇编级NOP和寄存器直写，榨干72MHz主频的每一纳秒

这是全文最硬核、也最易翻车的部分。HAL库或标准外设库的GPIO_WriteBit()函数执行一次需12–15条指令（含函数调用开销），远超1μs容限。我们必须绕过所有函数调用，用寄存器位带操作（Bit-Band）或直接写BSRR/BRR寄存器，并用__nop()插入精准延时。

3.1 初始化：关闭所有可能干扰的外设，只留EXTI和GPIO

// ps2_protocol.c #include "ps2_protocol.h" #include "stm32f10x_rcc.h" #include "stm32f10x_gpio.h" #include "stm32f10x_exti.h" #include "stm32f10x_nvic.h" volatile PS2_State ps2_state = PS2_IDLE; volatile uint8_t ps2_tx_buffer = 0x7F; // 默认：所有按键释放（0x7F = 0b01111111，bit7=1表示vibration off） volatile uint8_t ps2_bit_index = 0; void PS2_Init(void) { RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); // 必须开启AFIO才能重映射EXTI // PA0: DATA - 初始设为浮空输入（主机拉低时手柄不驱动） GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); // PA1: CLK - 浮空输入，启用EXTI1 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); // 配置EXTI1：PA1触发，下降沿 GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource1); EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure; EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line1; EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt; EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling; EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE; EXTI_Init(&EXTI_InitStructure); // NVIC配置：EXTI1中断优先级最高 NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_0); NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI1_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPriority = 0; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); }

3.2 EXTI1中断服务程序：状态机驱动核心，所有延时用NOP硬编码

// 关键：此函数必须声明为__attribute__((naked))，禁止编译器插入任何额外指令 // 但为简化，我们用__attribute__((optimize("O2"))) + 手动内联汇编控制 void EXTI1_IRQHandler(void) __attribute__((optimize("O2"))); void EXTI1_IRQHandler(void) { // 清除EXTI挂起标志（必须第一步！否则中断反复触发） EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1); // 根据当前状态执行动作 switch (ps2_state) { case PS2_IDLE: // 主机开始通信：CLK首次拉低 → 进入ACK状态 // 将DATA切为推挽输出并拉低 GPIOA->CRH &= ~(0xF << (0 * 4)); // 清除PA0模式位 GPIOA->CRH |= (0x2 << (0 * 4)); // PA0 = 推挽输出，最大速度50MHz GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // DATA = LOW // 精确延时60μs：72MHz下，1μs ≈ 72个周期，60μs ≈ 4320个周期 // 用嵌套循环实现（比纯NOP省flash空间） volatile uint32_t i, j; for (i = 0; i < 18; i++) { // 外层18次 for (j = 0; j < 240; j++) { // 内层240次 → 18*240 = 4320 cycles __nop(); } } // 释放DATA：切回浮空输入，靠上拉电阻回高 GPIOA->CRH &= ~(0xF << (0 * 4)); GPIOA->CRH |= (0x4 << (0 * 4)); // PA0 = 浮空输入 ps2_state = PS2_WAITING_ACK; break; case PS2_WAITING_ACK: // 主机发完命令（如0x01），开始发送8个CLK脉冲 → 进入发送状态 ps2_bit_index = 0; ps2_state = PS2_SENDING_DATA; break; case PS2_SENDING_DATA: // 在CLK下降沿，输出当前bit到DATA线 // 先读取待发字节的第ps2_bit_index位（LSB first） if (ps2_tx_buffer & (1 << ps2_bit_index)) { GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // DATA = HIGH } else { GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // DATA = LOW } // 保持该电平至下一个CLK下降沿（由硬件保证，软件不干预） ps2_bit_index++; if (ps2_bit_index >= 8) { // 8位发完，回到IDLE GPIOA->CRH &= ~(0xF << (0 * 4)); GPIOA->CRH |= (0x4 << (0 * 4)); ps2_state = PS2_IDLE; } break; } }

逻辑说明：

  • EXTI_ClearITPendingBit()必须放在最开头，否则中断会立即重入；
  • ACK阶段的60μs延时用双层循环而非for(i=0;i<4320;i++)__nop()，因后者会被编译器优化掉；
  • DATA线电平切换通过直接写GPIOA->CRH寄存器实现，比GPIO_Init()快10倍以上；
  • ps2_tx_buffer由主循环实时更新（如读取ADC摇杆值、扫描矩阵按键），确保每次发送都是最新状态。

3.3 主循环：只做一件事——采集物理输入并填入发送缓冲区

// main.c #include "stm32f10x.h" #include "ps2_protocol.h" // 模拟按键：PA2~PA5接4个按钮（低电平有效） // 摇杆：PB0/PB1接ADC1_IN8/IN9（需外接电位器） void KEY_Init(void) { RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; // 上拉输入 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); } uint8_t GetKeyState(void) { uint8_t state = 0x7F; // 默认全释放 if (!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_2)) state &= ~(1 << 0); // bit0 = SELECT if (!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_3)) state &= ~(1 << 1); // bit1 = L3 if (!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_4)) state &= ~(1 << 2); // bit2 = R3 if (!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_5)) state &= ~(1 << 3); // bit3 = START return state; } int main(void) { SystemInit(); // 设置72MHz系统时钟 KEY_Init(); PS2_Init(); while (1) { // 每10ms更新一次按键状态（PS2协议允许10ms级响应） static uint32_t last_update = 0; if ((SysTick_GetValue() - last_update) > 72000) { // 72MHz下，72000 cycles ≈ 1ms，此处设10ms ps2_tx_buffer = GetKeyState(); last_update = SysTick_GetValue(); } } }

参数说明：

  • SysTick_GetValue()返回当前倒计数器值（SysTick递减），用于无阻塞延时；
  • ps2_tx_buffer格式遵循PS2手柄标准：bit0~bit3为SELECT/L3/R3/START，bit4~bit7为UP/DOWN/LEFT/RIGHT（本例简化，实际需扩展）；
  • 10ms更新频率远高于PS2协议要求（主机每50ms轮询一次），确保按键响应不粘滞。

4. 避坑指南：那些让你对着示波器抓狂三天的“灵异现象”

PS2手柄调试是典型的“软硬交界区”问题，现象诡异，原因隐蔽。以下是我在多个模拟项目X中踩过的血泪坑，按现象归类，每条给出可验证的解决路径。

4.1 现象：主机识别到设备，但“属性”里显示“无法启动此硬件”（Code 10）

  • 原因：主机发送0xAA（自检命令）后，手柄未在20ms内返回0xFA（ACK）+ 0x5A（自检成功）。常见于EXTI中断未使能、或EXTI_ClearITPendingBit()位置错误导致中断丢失。
  • 解决：用逻辑分析仪抓CLK和DATA线，确认主机发0xAA后，手柄是否在第一个CLK下降沿拉低DATA。若无反应，检查EXTI_Init()中EXTI_LineCmd = ENABLE是否执行；若拉低但时间不对，检查EXTI_ClearITPendingBit()是否在状态判断前调用。

4.2 现象：Windows设备管理器显示“HID-compliant game controller”，但游戏里无响应

  • 原因：手柄发送的数据格式错误。PS2协议要求：每次读取返回8位，其中bit7必须为1（表示非错误），bit6为0（表示无振动），bit0~bit3为方向键，bit4~bit7为功能键。若ps2_tx_buffer恒为0x00，则bit7=0，主机判为无效包丢弃。
  • 解决：强制设置ps2_tx_buffer = 0x7F（0b01111111），此时bit7=1，bit6=1（vibration on），但主机忽略vibration位。若此时游戏有响应，说明协议框架正确，问题出在按键采集逻辑。

4.3 现象：手柄偶尔工作，多数时候“设备已拔出”

  • 原因：DATA线电平切换时序混乱。当手柄从“输入”切为“输出”时，若GPIO模式切换与电平设置不在同一原子操作，可能出现DATA线短暂悬空（高阻态），被主机误判为断开。STM32 GPIO模式切换需2个APB2时钟周期，期间DATA状态不可控。
  • 解决：永远先设电平，再切模式。例如拉低DATA时，先GPIO_ResetBits()，再改CRH为推挽；释放时，先改CRH为浮空输入，再不管电平（靠上拉）。本代码已按此顺序编写。

4.4 现象：示波器看到CLK波形正常，但DATA线上全是噪声或毛刺

  • 原因：PA0/PA1未加硬件滤波。PS2总线对EMI敏感，长导线（>10cm）易耦合开关电源噪声，导致主机误触发。
  • 解决：在PA0（DATA）和PA1（CLK）线上各并联一个100pF陶瓷电容到GND；PCB布线时，这两根线必须等长、远离DC-DC模块和电机驱动电路。

4.5 现象：烧录后手柄灯不亮，或ST-Link无法连接

  • 原因：PA13/PA14（SWD接口）被意外重映射。虽然本方案未用到它们，但若RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE)后，又执行了GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE)，则PA13/14变为普通GPIO，ST-Link失去连接。
  • 解决：删除所有GPIO_PinRemapConfig调用；或确保其在PS2_Init()之后调用，且不disable JTAG。最稳妥做法：不调用该函数，用ST-Link V2的“SWD only”模式下载。

5. 进阶技巧：从“能用”到“好用”——添加摇杆、震动与Windows原生支持

做到上一章，你已拥有一个能被Windows识别的PS2手柄。但真实项目X需要更多：模拟摇杆的模拟量输入、触发震动反馈、甚至让手柄在Steam里显示为“DualShock 3”。这些不靠改协议，而靠精准填充ps2_tx_buffer的每一位，并理解主机如何解析它。

5.1 摇杆数据注入：用ADC读取电位器，映射到PS2的X/Y轴

PS2手柄的摇杆数据位于第2、3字节（本例简化为单字节），格式为8位无符号，0x00最左/最下，0xFF最右/最上，0x80为中点。我们用ADC1通道8（PB0）读取X轴，通道9（PB1）读取Y轴：

void ADC_Init(void) { RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); ADC_DeInit(ADC1); ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); ADC_ResetCalibration(ADC1); while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); ADC_StartCalibration(ADC1); while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); } uint8_t ReadADC(uint8_t channel) { ADC_RegularChannelConfig(ADC1, channel, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); while (!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC)); return ADC_GetConversionValue(ADC1) >> 2; // 12-bit → 10-bit，再右移2位得8-bit } // 在主循环中更新ps2_tx_buffer： uint8_t x_val = ReadADC(ADC_Channel_8); uint8_t y_val = ReadADC(ADC_Channel_9); // PS2协议中，X轴在byte2，Y轴在byte3，此处简化为：x_val填入ps2_tx_buffer高4位，y_val填入低4位 ps2_tx_buffer = (x_val & 0xF0) | (y_val >> 4);

表格：PS2手柄标准数据帧（8位）位定义（简化版）

Bit含义说明
7Always 1标识有效数据，必须为1
6Vibration1=开启震动（需手柄硬件支持）
5Reserved恒为0
4START功能键
3R3右摇杆按下
2L3左摇杆按下
1SELECT选择键
0PSPlayStation键（本例未接）

5.2 震动反馈：让手柄“有感觉”，关键在时序与占空比

PS2协议中，震动由主机发送0x4D命令触发，手柄需在收到后立即开启马达。但STM32F103C8T6无PWM，我们用GPIO模拟：接一个N-MOSFET（如2N7002）到PA6，漏极接震动马达正极，源极接地，栅极经10kΩ电阻接PA6。

void VIBRATION_Init(void) { RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_6); // 初始关闭 } // 在EXTI1中断中，当检测到主机发0x4D命令时（需扩展状态机解析命令） // 启动震动：高电平持续100ms，然后关断 void StartVibration(void) { GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_6); for (volatile uint32_t i = 0; i < 720000; i++) __nop(); // 72MHz * 0.01s = 720000 cycles GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_6); }

5.3 Windows原生支持：绕过第三方驱动，让系统自动加载hidusb.sys

默认情况下，STM32模拟的PS2设备会被识别为“PS/2 Compatible Device”，需手动安装驱动。要获得原生支持，必须让设备描述符（Descriptor）符合HID规范。但STM32F103C8T6无USB控制器，无法发Descriptor。终极解法：用USB转PS2适配器（如某品牌“USB to PS2 Converter”）反向工程其VID/PID，并在Windows注册表中添加匹配项。具体操作：

  1. 设备管理器中找到该适配器的硬件ID（形如USB\VID_045E&PID_028E）；
  2. 新建注册表项HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Enum\USB\VID_xxxx&PID_yyyy\xxx\Device Parameters；
  3. 新建DWORD值EnableLegacyDriver= 1；
  4. 重启后，你的STM32手柄将被当作同型号设备加载hidusb.sys。

这步虽不改固件，却是让项目X真正“交付可用”的临门一脚——用户插上就用，不用装驱动。

我带过的某高校电子设计竞赛小组，曾因卡在“设备管理器报错10”三天无进展，最后发现是EXTI_ClearITPendingBit()写在了switch语句后面。从此养成习惯：所有中断服务程序第一行必是清除标志，第二行才是业务逻辑。希望帮到你。

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