入手STM32單片機(jī)的知識(shí)點(diǎn)總結(jié)

本文將以STM32F10x為例，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)開(kāi)發(fā)進(jìn)行概覽。主要分為三塊內(nèi)容：

STM32系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

寄存器

通過(guò)點(diǎn)燈案例，詳解如何基于標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)構(gòu)建STM32工程

STM32系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上圖，STM32f10xxx系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

內(nèi)核IP

從結(jié)構(gòu)框圖上看，Cortex-M3內(nèi)部有若干個(gè)總線接口，以使CM3能同時(shí)取址和訪內(nèi)（訪問(wèn)內(nèi)存），它們是：指令存儲(chǔ)區(qū)總線（兩條）、系統(tǒng)總線、私有外設(shè)總線。有兩條代碼存儲(chǔ)區(qū)總線負(fù)責(zé)對(duì)代碼存儲(chǔ)區(qū)（即 FLASH 外設(shè)）的訪問(wèn)，分別是I-Code 總線和D-Code 總線。

I-Code用于取指，D-Code用于查表等操作，它們按最佳執(zhí)行速度進(jìn)行優(yōu)化。

系統(tǒng)總線（System）用于訪問(wèn)內(nèi)存和外設(shè)，覆蓋的區(qū)域包括SRAM，片上外設(shè)，片外RAM，片外擴(kuò)展設(shè)備，以及系統(tǒng)級(jí)存儲(chǔ)區(qū)的部分空間。

私有外設(shè)總線負(fù)責(zé)一部分私有外設(shè)的訪問(wèn)，主要就是訪問(wèn)調(diào)試組件。它們也在系統(tǒng)級(jí)存儲(chǔ)區(qū)。

還有一個(gè)DMA總線，從字面上看，DMA是data memory access的意思，是一種連接內(nèi)核和外設(shè)的橋梁，它可以訪問(wèn)外設(shè)、內(nèi)存，傳輸不受CPU的控制，并且是雙向通信。簡(jiǎn)而言之，這個(gè)家伙就是一個(gè)速度很快的且不受老大控制的數(shù)據(jù)搬運(yùn)工。相關(guān)文章:詳解STM32中的DMA原理。

處理器外設(shè)（內(nèi)核之外的外設(shè)）

從結(jié)構(gòu)框圖上看，STM32的外設(shè)有串口、定時(shí)器、IO口、FSMC、SDIO、SPI、I2C等，這些外設(shè)按照速度的不同，分別掛載到AHB、APB2、APB1這三條總線上。

寄存器

什么是寄存器？寄存器是內(nèi)置于各個(gè)IP外設(shè)中，是一種用于配置外設(shè)功能的存儲(chǔ)器，并且有想對(duì)應(yīng)的地址。一切庫(kù)的封裝始于映射。 ????


是不是看的眼都花了，如果進(jìn)行寄存器開(kāi)發(fā)，就需要懟地址以及對(duì)寄存器進(jìn)行字節(jié)賦值，不僅效率低而且容易出錯(cuò)。


庫(kù)的存在就是為了解決這類問(wèn)題，將代碼語(yǔ)義化。語(yǔ)義化思想不僅僅是嵌入式有的，前端代碼也在追求語(yǔ)義特性。

從點(diǎn)燈開(kāi)始學(xué)習(xí)STM32

內(nèi)核庫(kù)文件分析

cor_cm3.h

這個(gè)頭文件實(shí)現(xiàn)了：

內(nèi)核結(jié)構(gòu)體寄存器定義。

內(nèi)核寄存器內(nèi)存映射。

內(nèi)存寄存器位定義。跟處理器相關(guān)的頭文件stm32f10x.h實(shí)現(xiàn)的功能一樣，一個(gè)是針對(duì)內(nèi)核的寄存器，一個(gè)是針對(duì)內(nèi)核之外，即處理器的寄存器。

misc.h

內(nèi)核應(yīng)用函數(shù)庫(kù)頭文件，對(duì)應(yīng)stm32f10x_xxx.h。

misc.c

內(nèi)核應(yīng)用函數(shù)庫(kù)文件，對(duì)應(yīng)stm32f10x_xxx.c。在CM3這個(gè)內(nèi)核里面還有一些功能組件，如NVIC、SCB、ITM、MPU、CoreDebug，CM3帶有非常豐富的功能組件，但是芯片廠商在設(shè)計(jì)MCU的時(shí)候有一些并不是非要不可的，是可裁剪的，比如MPU、ITM等在STM32里面就沒(méi)有。


其中NVIC在每一個(gè)CM3內(nèi)核的單片機(jī)中都會(huì)有，但都會(huì)被裁剪，只能是CM3 NVIC的一個(gè)子集。在NVIC里面還有一個(gè)SysTick，是一個(gè)系統(tǒng)定時(shí)器，可以提供時(shí)基，一般為操作系統(tǒng)定時(shí)器所用。misc.h和mics.c這兩個(gè)文件提供了操作這些組件的函數(shù)，并可以在CM3內(nèi)核單片機(jī)直接移植。

處理器外設(shè)庫(kù)文件分析

startup_stm32f10x_hd.s

這個(gè)是由匯編編寫的啟動(dòng)文件，是STM32上電啟動(dòng)的第一個(gè)程序，啟動(dòng)文件主要實(shí)現(xiàn)了

初始化堆棧指針 SP；

設(shè)置 PC 指針=Reset_Handler ；

設(shè)置向量表的地址，并 初始化向量表，向量表里面放的是 STM32 所有中斷函數(shù)的入口地址

調(diào)用庫(kù)函數(shù) SystemInit，把系統(tǒng)時(shí)鐘配置成 72M，SystemInit 在庫(kù)文件 stytem_stm32f10x.c 中定義；

跳轉(zhuǎn)到標(biāo)號(hào)_main，最終去到 C 的世界。

system_stm32f10x.c

這個(gè)文件的作用是里面實(shí)現(xiàn)了各種常用的系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置函數(shù)，有72M，56M，48， 36，24，8M，我們使用的是是把系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置成72M。

Stm32f10x.h

這個(gè)頭文件非常重要，這個(gè)頭文件實(shí)現(xiàn)了：

處理器外設(shè)寄存器的結(jié)構(gòu)體定義。

處理器外設(shè)的內(nèi)存映射。

處理器外設(shè)寄存器的位定義。

關(guān)于 1 和 2 我們?cè)谟眉拇嫫鼽c(diǎn)亮 LED 的時(shí)候有講解。

其中 3：處理器外設(shè)寄存器的位定義，這個(gè)非常重要，具體是什么意思？

我們知道一個(gè)寄存器有很多個(gè)位，每個(gè)位寫 1 或者寫 0 的功能都是不一樣的，處理器外設(shè)寄存器的位定義就是把外設(shè)的每個(gè)寄存器的每一個(gè)位寫 1 的 16 進(jìn)制數(shù)定義成一個(gè)宏，宏名即用該位的名稱表示，如果我們操作寄存器要開(kāi)啟某一個(gè)功能的話，就不用自己親自去算這個(gè)值是多少，可以直接到這個(gè)頭文件里面找。相關(guān)文章:C語(yǔ)言操作寄存器的常見(jiàn)手法。

我們以片上外設(shè) ADC 為例，假設(shè)我們要啟動(dòng) ADC 開(kāi)始轉(zhuǎn)換，根據(jù)手冊(cè)我們知道是要控制 ADC_CR2 寄存器的位 0：ADON，即往位 0 寫 1，即：

ADC->CR2=0x00000001;

這是一般的操作方法?，F(xiàn)在這個(gè)頭文件里面有關(guān)于 ADON 位的位定義：

#define ADC_CR2_ADON ((uint32_t)0x00000001)

有了這個(gè)位定義，我們剛剛的代碼就變成了：

ADC->CR2=ADC_CR2_ADON

stm32f10x_xxx.h

外設(shè) xxx 應(yīng)用函數(shù)庫(kù)頭文件，這里面主要定義了實(shí)現(xiàn)外設(shè)某一功能的結(jié)構(gòu)體，比如通用定時(shí)器有很多功能，有定時(shí)功能，有輸出比較功能，有輸入捕捉功能，而通用定時(shí)器有非常多的寄存器要實(shí)現(xiàn)某一個(gè)功能。

比如定時(shí)功能，我們根本不知道具體要操作哪些寄存器，這個(gè)頭文件就為我們打包好了要實(shí)現(xiàn)某一個(gè)功能的寄存器，是以機(jī)構(gòu)體的形式定義的，比如通用定時(shí)器要實(shí)現(xiàn)一個(gè)定時(shí)的功能，我們只需要初始化 TIM_TimeBaseInitTypeDef 這個(gè)結(jié)構(gòu)體里面的成員即可，里面的成員就是定時(shí)所需要操作的寄存器。

有了這個(gè)頭文件，我們就知道要實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能需要操作哪些寄存器，然后再回手冊(cè)中精度這些寄存器的說(shuō)明即可。

stm32f10x_xxx.c

stm32f10x_xxx.c：外設(shè) xxx 應(yīng)用函數(shù)庫(kù)，這里面寫好了操作 xxx 外設(shè)的所有常用的函數(shù)，我們使用庫(kù)編程的時(shí)候，使用的最多的就是這里的函數(shù)。

SystemInit

工程中新建main.c 。

在此文件中編寫main函數(shù)后直接編譯會(huì)報(bào)錯(cuò)：

Undefined symbol SystemInit (referred from startup_stm32f10x_hd.o).

錯(cuò)誤提示說(shuō)SystemInit沒(méi)有定義。從分析啟動(dòng)文件startup_stm32f10x_hd.s時(shí)我們知道。

;Reset handler
Reset_Handler PROC
EXPORT Reset_Handler [WEAK]
IMPORT __main
;IMPORT SystemInit
;LDR R0, =SystemInit
BLX R0
LDR R0, =__main
BX R0
ENDP

匯編中；分號(hào)是注釋的意思

第五行第六行代碼Reset_Handler調(diào)用了SystemInit該函數(shù)用來(lái)初始化系統(tǒng)時(shí)鐘，而該函數(shù)是在庫(kù)文件system_stm32f10x.c中實(shí)現(xiàn)的。我們重新寫一個(gè)這樣的函數(shù)也可以，把功能完整實(shí)現(xiàn)一遍，但是為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們?cè)趍ain文件里面定義一個(gè)SystemInit空函數(shù)，為的是騙過(guò)編譯器，把這個(gè)錯(cuò)誤去掉。

關(guān)于配置系統(tǒng)時(shí)鐘之后會(huì)出文章RCC時(shí)鐘樹(shù)詳細(xì)介紹，主要配置時(shí)鐘控制寄存器(RCC_CR)和時(shí)鐘配置寄存器(RCC_CFGR)這兩個(gè)寄存器，但最好是直接使用CubeMX直接生成，因?yàn)樗呐渲眠^(guò)程有些冗長(zhǎng)。

如果我們用的是庫(kù)，那么有個(gè)庫(kù)函數(shù)SystemInit，會(huì)幫我們把系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置成72M。

現(xiàn)在我們沒(méi)有使用庫(kù)，那現(xiàn)在時(shí)鐘是多少？答案是8M，當(dāng)外部HSE沒(méi)有開(kāi)啟或者出現(xiàn)故障的時(shí)候，系統(tǒng)時(shí)鐘由內(nèi)部低速時(shí)鐘LSI提供，現(xiàn)在我們是沒(méi)有開(kāi)啟HSE，所以系統(tǒng)默認(rèn)的時(shí)鐘是LSI=8M。

庫(kù)封裝層級(jí)

如圖，達(dá)到第四層級(jí)便是我們所熟知的固件庫(kù)或HAL庫(kù)的效果。當(dāng)然庫(kù)的編寫還需要考慮許多問(wèn)題，不止于這些內(nèi)容。我們需要的是了解庫(kù)封裝的大概過(guò)程。

將庫(kù)封裝等級(jí)分為四級(jí)來(lái)介紹是為了有層次感，就像打怪升級(jí)一樣，進(jìn)行認(rèn)知理解的升級(jí)。

我們都知道，操作GPIO輸出分三大步：

時(shí)鐘控制：

STM32 外設(shè)很多，為了降低功耗，每個(gè)外設(shè)都對(duì)應(yīng)著一個(gè)時(shí)鐘，在系統(tǒng)復(fù)位的時(shí)候這些時(shí)鐘都是被關(guān)閉的，如果想要外設(shè)工作，必須把相應(yīng)的時(shí)鐘打開(kāi)。

STM32 的所有外設(shè)的時(shí)鐘由一個(gè)專門的外設(shè)來(lái)管理，叫RCC（reset and clockcontrol），RCC 在STM32 參考手冊(cè)的第六章。

STM32 的外設(shè)因?yàn)樗俾实牟煌?，分別掛載到三條總系上：AHB、APB2、APB1，AHB為高速總線，APB2 次之，APB1 再次之。所以的IO 口都掛載到APB2 總線上，屬于高速外設(shè)。

模式配置：

這個(gè)由端口配置寄存器來(lái)控制。端口配置寄存器分為高低兩個(gè)，每4bit 控制一個(gè)IO 口，所以端口配置低寄存器：CRL 控制這IO 口的低8 位，端口配置高寄存器：CRH控制這IO 口的高8bit。

在4 位一組的控制位中，CNFy[1:0] 用來(lái)控制端口的輸入輸出，MODEy[1:0]用來(lái)控制輸出模式的速率，又稱驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)速度，注意此處速率與程序無(wú)關(guān)，GPIO引腳速度、翻轉(zhuǎn)速度、輸出速度區(qū)別輸入有4種模式，輸出有4種模式，我們?cè)诳刂芁ED 的時(shí)候選擇通用推挽輸出。

輸出速率有三種模式：2M、10M、50M，這里我們選擇2M。

電平控制：

STM32的IO口比較復(fù)雜，如果要輸出1和0，則要通過(guò)控制：端口輸出數(shù)據(jù)寄存器ODR來(lái)實(shí)現(xiàn)，ODR 是：Output data register的簡(jiǎn)寫，在STM32里面，其寄存器的命名名稱都是英文的簡(jiǎn)寫，很容易記住。

從手冊(cè)上我們知道ODR是一個(gè)32位的寄存器，低16位有效，高16位保留。低16位對(duì)應(yīng)著IO0~IO16，只要往相應(yīng)的位置寫入0或者1就可以輸出低或者高電平。

第一層級(jí)：基地址宏定義

時(shí)鐘控制：

在STM32中，每個(gè)外設(shè)都有一個(gè)起始地址，叫做外設(shè)基地址，外設(shè)的寄存器就以這個(gè)基地址為標(biāo)準(zhǔn)按照順序排列，且每個(gè)寄存器32位，（后面作為結(jié)構(gòu)體里面的成員正好內(nèi)存對(duì)齊）。

查表看到時(shí)鐘由APB2外設(shè)時(shí)鐘使能寄存器(RCC_APB2ENR)來(lái)控制，其中PB端口的時(shí)鐘由該寄存器的位3寫1使能。我們可以通過(guò)基地址+偏移量0x18，算出RCC_APB2ENR的地址為：0x40021018。那么使能PB口的時(shí)鐘代碼則如下所示：

 #define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018


 // 開(kāi)啟端口B 時(shí)鐘
 RCC_APB2ENR |= 1<<3;

模式配置：

同RCC_APB2ENR一樣，GPIOB的起始地址是：0X4001 0C00，我們也可以算出GPIO_CRL的地址為：0x40010C00。那么設(shè)置PB0為通用推挽輸出，輸出速率為2M的代碼則如下所示：

同上，從手冊(cè)中我們看到ODR寄存器的地址偏移是：0CH，可以算出GPIOB_ODR寄存器的地址是：0X4001 0C00 + 0X0C = 0X4001 0C0C?，F(xiàn)在我們就可以定義GPIOB_ODR這個(gè)寄存器了，代碼如下：

#define GPIOB_ODR *(volatile unsigned long *)0x40010C0C


//PB0 輸出低電平
GPIOB_ODR = 0<<0;

第一層級(jí)：基地址宏定義完成用STM32控制一個(gè)LED的完整代碼：

#define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018
#define GPIOB_CRL *(volatile unsigned long *)0x40010C00
#define GPIOB_ODR *(volatile unsigned long *)0x40010C0C


int main(void)
{
 // 開(kāi)啟端口B 的時(shí)鐘
 RCC_APB2ENR |= 1<<3;


 // 配置PB0 為通用推挽輸出模式，速率為2M
 GPIOB_CRL = (2<<0) | (0<<2);


 // PB0 輸出低電平，點(diǎn)亮LED
 GPIOB_ODR = 0<<0;
}


void SystemInit(void)
{
}

第二層級(jí)：基地址宏定義+結(jié)構(gòu)體封裝

外設(shè)寄存器結(jié)構(gòu)體封裝

上面我們?cè)诓僮骷拇嫫鞯臅r(shí)候，操作的是寄存器的絕對(duì)地址，如果每個(gè)寄存器都這樣操作，那將非常麻煩。我們考慮到外設(shè)寄存器的地址都是基于外設(shè)基地址的偏移地址，都是在外設(shè)基地址上逐個(gè)連續(xù)遞增的，每個(gè)寄存器占32個(gè)或者16個(gè)字節(jié)，這種方式跟結(jié)構(gòu)體里面的成員類似。

所以我們可以定義一種外設(shè)結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體的地址等于外設(shè)的基地址，結(jié)構(gòu)體的成員等于寄存器，成員的排列順序跟寄存器的順序一樣。這樣我們操作寄存器的時(shí)候就不用每次都找到絕對(duì)地址，只要知道外設(shè)的基地址就可以操作外設(shè)的全部寄存器，即操作結(jié)構(gòu)體的成員即可。

下面我們先定義一個(gè)GPIO寄存器結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體里面的成員是GPIO的寄存器，成員的順序按照寄存器的偏移地址從低到高排列，成員類型跟寄存器類型一樣。

typedef struct 
{
 volatile uint32_t CRL;
 volatile uint32_t CRH;
 volatile uint32_t IDR;
 volatile uint32_t ODR;
 volatile uint32_t BSRR;
 volatile uint32_t BRR;
 volatile uint32_t LCKR;
} GPIO_TypeDef;

在《STM32 中文參考手冊(cè)》8.2 寄存器描述章節(jié)，我們可以找到結(jié)構(gòu)體里面的7個(gè)寄存器描述。在點(diǎn)亮LED的時(shí)候我們只用了CRL和ODR這兩個(gè)寄存器，至于其他寄存器的功能大家可以自行看手冊(cè)了解。

在GPIO結(jié)構(gòu)體里面我們用了兩個(gè)數(shù)據(jù)類型，一個(gè)是uint32_t，表示無(wú)符號(hào)的32位整型，因?yàn)镚PIO的寄存器都是32位的。這個(gè)類型聲明在標(biāo)準(zhǔn)頭文件stdint.h 里面使用typedef對(duì)unsigned int重命名，我們?cè)诔绦蛏现灰@個(gè)頭文件即可。

另外一個(gè)是volatile作用就是告訴編譯器這里的變量會(huì)變化不因優(yōu)化而省略此指令，必須每次都直接讀寫其值，這樣就能確保每次讀或者寫寄存器都真正執(zhí)行到位。

外設(shè)封裝

STM32F1系列的GPIO端口分A~G，即GPIOA、GPIOB。。。。。。GPIOG。每個(gè)端口都含有GPIO_TypeDef結(jié)構(gòu)體里面的寄存器，我們可以根據(jù)手冊(cè)各個(gè)端口的基地址把GPIO的各個(gè)端口定義成一個(gè)GPIO_TypeDef類型指針，然后我們就可以根據(jù)端口名（實(shí)際上現(xiàn)在是結(jié)構(gòu)體指針了）來(lái)操作各個(gè)端口的寄存器，代碼實(shí)現(xiàn)如下：

#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 0800)
#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 0C00)
#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1000)
#define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1400)
#define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1800)
#define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1C00)
#define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 2000)

外設(shè)內(nèi)存映射

講到基地址的時(shí)候我們?cè)僖艘粋€(gè)知識(shí)點(diǎn)：Cortex-M3存儲(chǔ)器系統(tǒng)，這個(gè)知識(shí)點(diǎn)在《Cortex-M3權(quán)威指南》第5章里面講到。CM3的地址空間是4GB，如下圖所示：

我們這里要講的是片上外設(shè)，就是我們所說(shuō)的寄存器的根據(jù)地，其大小總共有512MB，512MB是其極限空間，并不是每個(gè)單片機(jī)都用得完，實(shí)際上各個(gè)MCU廠商都只是用了一部分而已。STM32F1系列用到了：0x4000 0000 ~0x5003 FFFF?，F(xiàn)在我們說(shuō)的STM32的寄存器就是位于這個(gè)區(qū)域。

APB1、APB2、AHB 總線基地址

現(xiàn)在我們說(shuō)的STM32的寄存器就是位于這個(gè)區(qū)域，這里面ST設(shè)計(jì)了三條總線：AHB、APB2和APB1，其中AHB和APB2是高速總線，APB1是低速總線。不同的外設(shè)根據(jù)速度不同分別掛載到這三條總線上。

從下往上依次是：APB1、APB2、AHB，每個(gè)總線對(duì)應(yīng)的地址分別是：APB1：0x40000000，APB2：0x4001 0000，AHB：0x4001 8000。

這三條總線的基地址我們是從《STM32 中文參考手冊(cè)》2.3小節(jié)—存儲(chǔ)器映像得到的：APB1的基地址是TIM2定時(shí)器的起始地址，APB2的基地址是AFIO的起始地址，AHB的基地址是SDIO的起始地址。其中APB1地址又叫做外設(shè)基地址，是所有外設(shè)的基地址，叫做PERIPH_BASE。

現(xiàn)在我們把這三條總線地址用宏定義出來(lái)，以后我們?cè)诙x其他外設(shè)基地址的時(shí)候，只需要在這三條總線的基址上加上偏移地址即可，代碼如下：

#define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)
#define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000)
#define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x20000)

GPIO 端口基地址

因?yàn)镚PIO掛載到APB2總線上，那么現(xiàn)在我們就可以根據(jù)APB2的基址算出各個(gè)GPIO端口的基地址，用宏定義實(shí)現(xiàn)代碼如下：

#define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
#define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
#define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
#define GPIOD_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)
#define GPIOE_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1800)
#define GPIOF_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1C00)
#defineGPIOG_BASE(APB2PERIPH_BASE+0x2000)

第二層級(jí)：基地址宏定義+結(jié)構(gòu)體封裝完成用STM32控制一個(gè)LED的完整代碼：

#include 
#define __IO volatile


typedef struct 
{
 __IO uint32_t CRL;
 __IO uint32_t CRH;
 __IO uint32_t IDR;
 __IO uint32_t ODR;
 __IO uint32_t BSRR;
 __IO uint32_t BRR;
 __IO uint32_t LCKR;
} GPIO_TypeDef;


typedef struct 
{
 __IO uint32_t CR;
 __IO uint32_t CFGR;
 __IO uint32_t CIR;
 __IO uint32_t APB2RSTR;
 __IO uint32_t APB1RSTR;
 __IO uint32_t AHBENR;
 __IO uint32_t APB2ENR;
 __IO uint32_t APB1ENR;
 __IO uint32_t BDCR;
 __IO uint32_t CSR;
} RCC_TypeDef;


#define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)


#define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000)
#define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x20000)


#define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
#define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
#define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
#define GPIOD_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)
#define GPIOE_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1800)
#define GPIOF_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1C00)
#define GPIOG_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x2000)
#define RCC_BASE (AHBPERIPH_BASE + 0x1000)


#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
#define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)
#define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)
#define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)
#define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)
#define RCC ((RCC_TypeDef *) RCC_BASE)




#define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018
#define GPIOB_CRL *(volatile unsigned long *)0x40010C00
#define GPIOB_ODR *(volatile unsigned long *)0x40010C0C


int main(void)
{
 // 開(kāi)啟端口B 的時(shí)鐘
 RCC->APB2ENR |= 1<<3;


 // 配置PB0 為通用推挽輸出模式，速率為2M
 GPIOB->CRL = (2<<0) | (0<<2);


 // PB0 輸出低電平，點(diǎn)亮LED
 GPIOB->ODR = 0<<0;
}


void SystemInit(void)
{
}

第二層級(jí)變化：

①、定義一個(gè)外設(shè)（GPIO）寄存器結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體的成員包含該外設(shè)的所有寄存器，成員的排列順序跟寄存器偏移地址一樣，成員的數(shù)據(jù)類型跟寄存器的一樣。

②外設(shè)內(nèi)存映射，即把地址跟外設(shè)建立起一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

③外設(shè)聲明，即把外設(shè)的名字定義成一個(gè)外設(shè)寄存器結(jié)構(gòu)體類型的指針。

④通過(guò)結(jié)構(gòu)體操作寄存器，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮LED。

第三層級(jí)：基地址宏定義+結(jié)構(gòu)體封裝+“位封裝”（每一位的對(duì)應(yīng)字節(jié)封裝）

上面我們?cè)诳刂艷PIO輸出內(nèi)容的時(shí)候控制的是ODR（Output data register）寄存器，ODR是一個(gè)16位的寄存器，必須以字的形式控制其實(shí)我們還可以控制BSRR和BRR這兩個(gè)寄存器來(lái)控制IO的電平，下面我們簡(jiǎn)單介紹下BRR寄存器的功能，BSRR自行看手冊(cè)研究。

位清除寄存器BRR只能實(shí)現(xiàn)位清0操作，是一個(gè)32位寄存器，低16位有效，寫0沒(méi)影響，寫1清0。現(xiàn)在我們要使PB0輸出低電平，點(diǎn)亮LED，則只要往BRR的BR0位寫1即可，其他位為0，代碼如下：

GPIOB->BRR = 0X0001;

這時(shí)PB0就輸出了低電平，LED就被點(diǎn)亮了。

如果要PB2輸出低電平，則是：

GPIOB->BRR = 0X0004;

如果要PB3/4/5/6。。。。。。這些IO輸出低電平呢？

道理是一樣的，只要往BRR的相應(yīng)位置賦不同的值即可。因?yàn)锽RR是一個(gè)16位的寄存器，位數(shù)比較多，賦值的時(shí)候容易出錯(cuò)，而且從賦值的16進(jìn)制數(shù)字我們很難清楚的知道控制的是哪個(gè)IO。

這時(shí)，我們是否可以把BRR的每個(gè)位置1都用宏定義來(lái)實(shí)現(xiàn)，如GPIO_Pin_0就表示0X0001，GPIO_Pin_2就表示0X0004。只要我們定義一次，以后都可以使用，而且還見(jiàn)名知意?！拔环庋b”（每一位的對(duì)應(yīng)字節(jié)封裝） 代碼如下：

#define GPIO_Pin_0 ((uint16_t)0x0001) /*!< Pin 0 selected */
#define GPIO_Pin_1 ((uint16_t)0x0002) /*!< Pin 1 selected */
#define GPIO_Pin_2 ((uint16_t)0x0004) /*!< Pin 2 selected */
#define GPIO_Pin_3 ((uint16_t)0x0008) /*!< Pin 3 selected */
#define GPIO_Pin_4 ((uint16_t)0x0010) /*!< Pin 4 selected */
#define GPIO_Pin_5 ((uint16_t)0x0020) /*!< Pin 5 selected */
#define GPIO_Pin_6 ((uint16_t)0x0040) /*!< Pin 6 selected */
#define GPIO_Pin_7 ((uint16_t)0x0080) /*!< Pin 7 selected */
#define GPIO_Pin_8 ((uint16_t)0x0100) /*!< Pin 8 selected */
#define GPIO_Pin_9 ((uint16_t)0x0200) /*!< Pin 9 selected */
#define GPIO_Pin_10 ((uint16_t)0x0400) /*!< Pin 10 selected */
#define GPIO_Pin_11 ((uint16_t)0x0800) /*!< Pin 11 selected */
#define GPIO_Pin_12 ((uint16_t)0x1000) /*!< Pin 12 selected */
#define GPIO_Pin_13 ((uint16_t)0x2000) /*!< Pin 13 selected */
#define GPIO_Pin_14 ((uint16_t)0x4000) /*!< Pin 14 selected */
#define GPIO_Pin_15 ((uint16_t)0x8000) /*!< Pin 15 selected */
#define GPIO_Pin_All ((uint16_t)0xFFFF) /*!< All pins selected */

這時(shí)PB0就輸出了低電平的代碼就變成了：

GPIOB->BRR = GPIO_Pin_0;

如果同時(shí)讓PB0/PB15輸出低電平，用或運(yùn)算，代碼：

GPIOB->BRR = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_15;

為了不使main函數(shù)看起來(lái)冗余，上述庫(kù)封裝 的代碼不應(yīng)該放在main里面，因?yàn)槠涫歉鶪PIO相關(guān)的，我們可以把這些宏放在一個(gè)單獨(dú)的頭文件里面。

在工程目錄下新建stm32f10x_gpio.h，把封裝代碼放里面，然后把這個(gè)文件添加到工程里面。這時(shí)我們只需要在main.c里面包含這個(gè)頭文件即可。

第四層級(jí)：基地址宏定義+結(jié)構(gòu)體封裝+“位封裝”+函數(shù)封裝

我們點(diǎn)亮LED的時(shí)候，控制的是PB0這個(gè)IO，如果LED接到的是其他IO，我們就需要把GPIOB修改成其他的端口，其實(shí)這樣修改起來(lái)也很快很方便。

但是為了提高程序的可讀性和可移植性，我們是否可以編寫一個(gè)專門的函數(shù)用來(lái)復(fù)位GPIO的某個(gè)位，這個(gè)函數(shù)有兩個(gè)形參，一個(gè)是GPIOX（X=A...G），另外一個(gè)是GPIO_Pin（0...15），函數(shù)的主體則是根據(jù)形參GPIOX 和GPIO_Pin來(lái)控制BRR寄存器，代碼如下：

void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
 GPIOx->BRR = GPIO_Pin;
}

這時(shí)，PB0輸出低電平，點(diǎn)亮LED的代碼就變成了：

GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);

同理， 我們可以控制BSRR這個(gè)寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)閉LED，代碼如下：

// GPIO 端口置位函數(shù)
void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
 GPIOx->BSRR = GPIO_Pin;
}

這時(shí)，PB0輸出高電平，關(guān)閉LED的代碼就變成了：

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);

同樣，因?yàn)檫@個(gè)函數(shù)是控制GPIO的函數(shù)，我們可以新建一個(gè)專門的文件來(lái)放跟gpio有關(guān)的函數(shù)。相關(guān)文章:STM32中GPIO工作原理詳解。

在工程目錄下新建stm32f10x_gpio.c，把GPIO相關(guān)的函數(shù)放里面。這時(shí)我們是否發(fā)現(xiàn)剛剛新建了一個(gè)頭文件stm32f10x_gpio.h，這兩個(gè)文件存放的都是跟外設(shè)GPIO相關(guān)的。

C文件里面的函數(shù)會(huì)用到h頭文件里面的定義，這兩個(gè)文件是相輔相成的，故我們?cè)趕tm32f10x_gpio.c 文件中也包含stm32f10x_gpio.h這個(gè)頭文件。別忘了把stm32f10x.h這個(gè)頭文件也包含進(jìn)去，因?yàn)橛嘘P(guān)寄存器的所有定義都在這個(gè)頭文件里面。

如果我們寫其他外設(shè)的函數(shù)，我們也應(yīng)該跟GPIO一樣，新建兩個(gè)文件專門來(lái)存函數(shù)，比如RCC這個(gè)外設(shè)我們可以新建stm32f10x_rcc.c和stm32f10x_rcc.h。其他外依葫蘆畫瓢即可。

實(shí)例編寫

以上，是對(duì)庫(kù)封住過(guò)程的概述，下面我們正在地使用庫(kù)函數(shù)編寫LED程序。

①管理庫(kù)的頭文件

當(dāng)我們開(kāi)始調(diào)用庫(kù)函數(shù)寫代碼的時(shí)候，有些庫(kù)我們不需要，在編譯的時(shí)候可以不編譯，可以通過(guò)一個(gè)總的頭文件stm32f10x_conf.h來(lái)控制，該頭文件主要代碼如下：

這里面包含了全部外設(shè)的頭文件，點(diǎn)亮一個(gè)LED我們只需要RCC和GPIO 這兩個(gè)外設(shè)的庫(kù)函數(shù)即可，其中RCC控制的是時(shí)鐘，GPIO控制的具體的IO口。所以其他外設(shè)庫(kù)函數(shù)的頭文件我們注釋掉，當(dāng)我們需要的時(shí)候就把相應(yīng)頭文件的注釋去掉即可。

stm32f10x_conf.h這個(gè)頭文件在stm32f10x.h這個(gè)頭文件的最后面被包含，在第8296行：

#ifdef USE_STDPERIPH_DRIVER
#include "stm32f10x_conf.h"
#endif

代碼的意思是，如果定義了USE_STDPERIPH_DRIVER這個(gè)宏的話，就包含stm32f10x_conf.h這個(gè)頭文件。

我們?cè)谛陆üこ痰臅r(shí)候，在魔術(shù)棒選項(xiàng)卡C/C++中，我們定義了USE_STDPERIPH_DRIVER 這個(gè)宏，所以stm32f10x_conf.h 這個(gè)頭文件就被stm32f10x.h包含了，我們?cè)趯懗绦虻臅r(shí)候只需要調(diào)用一個(gè)頭文件：stm32f10x.h即可。

②編寫LED初始化函數(shù)

經(jīng)過(guò)寄存器點(diǎn)亮LED的操作，我們知道操作一個(gè)GPIO輸出的編程要點(diǎn)大概如下：

1、開(kāi)啟GPIO的端口時(shí)鐘

2、選擇要具體控制的IO口，即pin

3、選擇IO口輸出的速率，即speed

4、選擇IO口輸出的模式，即mode

5、輸出高/低電平

STM32的時(shí)鐘功能非常豐富，配置靈活，為了降低功耗，每個(gè)外設(shè)的時(shí)鐘都可以獨(dú)自的關(guān)閉和開(kāi)啟。STM32中跟時(shí)鐘有關(guān)的功能都由RCC這個(gè)外設(shè)控制，RCC中有三個(gè)寄存器控制著所以外設(shè)時(shí)鐘的開(kāi)啟和關(guān)閉：RCC_APHENR、RCC_APB2ENR和RCC_APB1ENR，AHB、APB2和APB1代表著三條總線，所有的外設(shè)都是掛載到這三條總線上，GPIO屬于高速的外設(shè)，掛載到APB2總線上，所以其時(shí)鐘有RCC_APB2ENR控制。

GPIO 時(shí)鐘控制

固件庫(kù)函數(shù)：RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE)函數(shù)的原型為：

void RCC_APB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB2Periph,
                              FunctionalState NewState)
{
/* Check the parameters */
 assert_param(IS_RCC_APB2_PERIPH(RCC_APB2Periph));
 assert_param(IS_FUNCTIONAL_STATE(NewState));
if (NewState != DISABLE) 
 {
  RCC->APB2ENR |= RCC_APB2Periph;
 } 
else
 {
  RCC->APB2ENR &= ~RCC_APB2Periph;
 }
}

當(dāng)程序編譯一次之后，把光標(biāo)定位到函數(shù)/變量/宏定義處，按鍵盤的F12或鼠標(biāo)右鍵的Go to definition of，就可以找到原型。固件庫(kù)的底層操作的就是RCC外設(shè)的APB2ENR這個(gè)寄存器，宏RCC_APB2Periph_GPIOB的原型是：0x00000008，即（1<<3），還原成存器操作就是：RCC->APB2ENR |= 1<<<3。相比固件庫(kù)操作，寄存器操作的代碼可讀性就很差，只有才查閱寄存器配置才知道具體代碼的功能，而固件庫(kù)操作恰好相反，見(jiàn)名知意。

GPIO 端口配置

GPIO的pin，速度，模式，都由GPIO的端口配置寄存器來(lái)控制，其中IO0~IO7由端口配置低寄存器CRL控制，IO8~IO15由端口配置高寄存器CRH配置。固件庫(kù)把端口配置的pin，速度和模式封裝成一個(gè)結(jié)構(gòu)體：

typedef struct
{
uint16_t GPIO_Pin;
 GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;
 GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;
} GPIO_InitTypeDef;

pin可以是GPIO_Pin_0~GPIO_Pin_15或者是GPIO_Pin_All，這些都是庫(kù)預(yù)先定義好的宏。speed也被封裝成一個(gè)結(jié)構(gòu)體：

typedef enum
{
 GPIO_Speed_10MHz = 1,
 GPIO_Speed_2MHz,
 GPIO_Speed_50MHz
} GPIOSpeed_TypeDef;

速度可以是10M，2M或者50M，這個(gè)由端口配置寄存器的MODE位控制，速度是針對(duì)IO口輸出的時(shí)候而言，在輸入的時(shí)候可以不用設(shè)置。mode也被封裝成一個(gè)結(jié)構(gòu)體：

typedef enum
{
 GPIO_Mode_AIN = 0x0, // 模擬輸入
 GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, // 浮空輸入（復(fù)位后的狀態(tài)）
 GPIO_Mode_IPD = 0x28, // 下拉輸入
 GPIO_Mode_IPU = 0x48, // 上拉輸入
 GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, // 通用開(kāi)漏輸出
 GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, // 通用推挽輸出
 GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, // 復(fù)用開(kāi)漏輸出
 GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 // 復(fù)用推挽輸出
} GPIOMode_TypeDef;

IO口的模式有8種，輸入輸出各4種，由端口配置寄存器的CNF配置。平時(shí)用的最多的就是通用推挽輸出，可以輸出高低電平，驅(qū)動(dòng)能力大，一般用于接數(shù)字器件。

最終用固件庫(kù)實(shí)現(xiàn)就變成這樣：

// 定義一個(gè)GPIO_InitTypeDef 類型的結(jié)構(gòu)體
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;


// 選擇要控制的IO 口
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;


// 設(shè)置引腳為推挽輸出
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;


// 設(shè)置引腳速率為50MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;


/*調(diào)用庫(kù)函數(shù)，初始化GPIOB0*/
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

倘若同一端口下不同引腳有不同的模式配置，每次對(duì)每個(gè)引腳配置完成后都要調(diào)用GPIO初始化函數(shù)，代碼如下：

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15 ;                      
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;          //上拉輸入
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 ;                     
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;       //推挽輸出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

GPIO 輸出控制

GPIO輸出控制，可以通過(guò)端口數(shù)據(jù)輸出寄存器ODR、端口位設(shè)置/清除寄存器BSRR和端口位清除寄存器BRR這三個(gè)來(lái)控制。端口輸出寄存器ODR是一個(gè)32位的寄存器，低16位有效，對(duì)應(yīng)著IO0~IO15，只能以字的形式操作，一般使用寄存器操作。

// PB0 輸出高電平，點(diǎn)亮LED
GPIOB->ODR = 1<<0;

端口位清除寄存器BRR是一個(gè)32位的寄存器，低十六位有效，對(duì)應(yīng)著IO0~IO15，只能以字的形式操作，可以單獨(dú)對(duì)某一個(gè)位操作，寫1清0。

// PB0 輸出低電平，點(diǎn)亮LED
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);

BSRR是一個(gè)32位的寄存器，低16位用于置位，寫1有效，高16位用于復(fù)位，寫1有效，相當(dāng)于BRR寄存器。高16位我們一般不用，而是操作BRR這個(gè)寄存器，所以BSRR這個(gè)寄存器一般用來(lái)置位操作。

// PB0 輸出高電平，熄滅LED
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);

綜上：固件庫(kù)LED GPIO初始化函數(shù)。

void LED_GPIO_Config(void)
{
// 定義一個(gè)GPIO_InitTypeDef 類型的結(jié)構(gòu)體
 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;


// 開(kāi)啟GPIOB 的時(shí)鐘
 RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);


// 選擇要控制的IO 口
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;


// 設(shè)置引腳為推挽輸出
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;


// 設(shè)置引腳速率為50MHz
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;


/*調(diào)用庫(kù)函數(shù)，初始化GPIOB0*/
 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);


// 關(guān)閉LED
 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
}

主函數(shù)

#include "stm32f10x.h"




void SOFT_Delay(__IO uint32_t nCount);
void LED_GPIO_Config(void);


int main(void)
{
// 程序來(lái)到main 函數(shù)之前，啟動(dòng)文件：statup_stm32f10x_hd.s 已經(jīng)調(diào)用
// SystemInit()函數(shù)把系統(tǒng)時(shí)鐘初始化成72MHZ
// SystemInit()在system_stm32f10x.c 中定義
// 如果用戶想修改系統(tǒng)時(shí)鐘，可自行編寫程序修改


 LED_GPIO_Config();


while ( 1 ) 
 {
// 點(diǎn)亮LED
  GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
  Time_Delay(0x0FFFFF);


// 熄滅LED
  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
  Time_Delay(0x0FFFFF);
 }
}
// 簡(jiǎn)陋的軟件延時(shí)函數(shù)
void Time_Delay(volatile uint32_t Count)
{
for (; Count != 0; Count--);
}

注意void Time_Delay(volatile uint32_t Count)只是一個(gè)簡(jiǎn)陋的軟件延時(shí)函數(shù)，如果小伙伴們有興趣可以看一看MultiTimer，它是一個(gè)軟件定時(shí)器擴(kuò)展模塊，可無(wú)限擴(kuò)展所需的定時(shí)器任務(wù)，取代傳統(tǒng)的標(biāo)志位判斷方式， 更優(yōu)雅更便捷地管理程序的時(shí)間觸發(fā)時(shí)序。

審核編輯：湯梓紅