STM32标准库开发实战指南

华为云开发者社区
摘要:从STM32新建工程、编译下载程序出发,让新手由浅入深,尽享STM32标准库开发的乐趣。

自从CubeMX等图像配置软件的出现,同学们往往点几下鼠标就解决了单片机的配置问题。对于追求开发速度的业务场景下,使用快速配置软件是合理的,高效的,但对于学生的学习场景下,更为重要的是知其然并知其所以然。

以下是学习(包括但不限于)嵌入式的三个重要内容,

1、学会如何参考官方的手册和官方的代码来独立写自己的程序。

2、积累常用代码段,知道哪里的问题需要哪些代码处理。

3、跟随大佬步伐,一步一个脚印。

首先:我们都知道编程时一般查的是《参考手册》,而进行芯片选型或需要芯片数据时,查阅的是《数据手册》。此外市面上所有关于STM32的书籍都是立足于前二者(+Cortex内核手册)进行编著。

其次:要分清什么是内核外设与内核之外的外设,为了便于区分,按照网上的一种说法,将“内核之外的外设”以“处理器外设”代替。

再者:如今很少使用标准库了,都是HAL库,但作为高校目前教学方式,

我们将以STM32f10xxx为例对标准库开发进行概览。

一、STM32 系统结构

STM32f10xxx 系统结构

内核 IP

从结构框图上看,Cortex-M3 内部有若 干个总线接口,以使 CM3 能同时取址和访内(访问内存),它们是: 指令存储区总线(两条)、系统总线、私有外设总线。有两条代码存储区总线负责对代 码存储区(即 FLASH 外设)的访问,分别是 I-Code 总线和 D-Code 总线。

I-Code 用于取指,D-Code 用于查表等操作,它们按最佳执行速度进行优化。

系统总线(System)用于访问内存和外设,覆盖的区域包括 SRAM,片上外设,片外 RAM,片外扩展设备,以及系统级存储区的部分空间。

私有外设总线负责一部分私有外设的访问,主要就是访问调试组件。它们也在系统级 存储区。

还有一个 MDA 总线,从字面上看,DMA 是 data memory access 的意思,是一种连接内核和外设的桥梁,它可以访问外设、内存,传输不受 CPU 的控制,并且是双向通信。简而言之,这个家伙就是一个速度很快的且不受老大控制的数据搬运工。

处理器外设(内核之外的外设)

从结构框图上看,STM32 的外设有 串口、定时器、IO 口、FSMC、SDIO、SPI、I2C 等,这些外设按 照速度的不同,分别挂载到 AHB、APB2、APB1 这三条总线上。

二、寄存器

什么是寄存器?寄存器是内置于各个 IP 外设中,是一种用于配置外设功能的存储器,并且有想对应的地址。一切库的封装始于映射。

是不是“又臭又长”,如果进行寄存器开发,就需要怼地址以及对寄存器进行字节赋值,不仅效率低而且容易出错。

来,开个玩笑。

你也许听说过“国际 C 语言乱码大赛(IOCCC)”下面这个例子就是网上广为流传的 一个经典作品:

#include <stdio.h>
main(t,_,a)char *a;{return!0<t?t<3?main(-79,-13,a+main(-87,1-_,
main(-86,0,a+1)+a)):1,t<_?main(t+1,_,a):3,main(-94,-27+t,a)&&t==2?_<13?
main(2,_+1,"%s %d %dn"):9:16:t<0?t<-72?main(_,t,
"@n'+,#'/*{}w+/w#cdnr/+,{}r/*de}+,/*{*+,/w{%+,/w#q#n+,/#{l+,/n{n+,/+#n+,/#
;#q#n+,/+k#;*+,/'r :'d*'3,}{w+K w'K:'+}e#';dq#'l 
q#'+d'K#!/+k#;q#'r}eKK#}w'r}eKK{nl]'/#;#q#n'){)#}w'){){nl]'/+#n';d}rw' i;# 
){nl]!/n{n#'; r{#w'r nc{nl]'/#{l,+'K {rw' iK{;[{nl]'/w#q#n'wk nw' 
iwk{KK{nl]!/w{%'l##w#' i; :{nl]'/*{q#'ld;r'}{nlwb!/*de}'c 
;;{nl'-{}rw]'/+,}##'*}#nc,',#nw]'/+kd'+e}+;#'rdq#w! nr'/ ') }+}{rl#'{n' ')# 
}'+}##(!!/")
:t<-50?_==*a?putchar(31[a]):main(-65,_,a+1):main((*a=='/')+t,_,a+1)
:0<t?main(2,2,"%s"):*a=='/'||main(0,main(-61,*a,
"!ek;dc i@bK'(q)-[w]*%n+r3#l,{}:nuwloca-O;m.vpbks,fxntdCeghiry"),a+1);}
复制代码

库的存在就是为了解决这类问题,将代码语义化。语义化思想不仅仅是嵌入式有的,前端代码也在追求语义特性。

三、万物始于点灯

(1)内核库文件分析

  • cor_cm3.h

这个头文件实现了:1、内核结构体寄存器定义 2、内核寄存器内存映射 3、内存寄存 器位定义。跟处理器相关的头文件 stm32f10x.h 实现的功能一样,一个是针对内核的寄存器,一个是针对内核之外,即处理器的寄存器。

  • misc.h

内核应用函数库头文件,对应 stm32f10x_xxx.h

  • misc.c

内核应用函数库文件,对应 stm32f10x_xxx.c。在 CM3 这个内核里面还有一些功能组 件,如 NVIC、SCB、ITM、MPU、CoreDebug,CM3 带有非常丰富的功能组件,但是芯片 厂商在设计 MCU 的时候有一些并不是非要不可的,是可裁剪的,比如 MPU、ITM 等在 STM32 里面就没有。其中 NVIC 在每一个 CM3 内核的单片机中都会有,但都会被裁剪,只能是 CM3 NVIC 的一个子集。在 NVIC 里面还有一个 SysTick,是一个系统定时器,可以提 供时基,一般为操作系统定时器所用。 misc.h 和 mics.c 这两个文件提供了操作这些组件的函数,并可以在 CM3 内核单片机 直接移植。

(2)处理器外设库文件分析

  • startup_stm32f10x_hd.s

这个是由汇编编写的启动文件,是 STM32 上电启动的第一个程序,启动文件主要实现 了:1、初始化堆栈指针 SP;2、设置 PC 指针=Reset_Handler ;3、设置向量表的地址,并 初始化向量表,向量表里面放的是 STM32 所有中断函数的入口地址 4、调用库函数 SystemInit,把系统时钟配置成 72M,SystemInit 在库文件 stytem_stm32f10x.c 中定义;5、 跳转到标号_main,最终去到 C 的世界。

  • system_stm32f10x.c

这个文件的作用是里面实现了各种常用的系统时钟设置函数,有 72M,56M,48, 36,24,8M,我们使用的是是把系统时钟设置成 72M。

  • Stm32f10x.h

这个头文件非常重要,这个头文件实现了:1、处理器外设寄存器 的结构体定义 2、处理器外设的内存映射 3、处理器外设寄存器的位定义。

关于 1 和 2 我们在用寄存器点亮 LED 的时候有讲解。

其中 3:处理器外设寄存器的位定义,这个非常重要,具体是什么意思?我们知道一个寄存器有很多个位,每个位写 1 或 者写 0 的功能都是不一样的,处理器外设寄存器的位定义就是把外设的每个寄存器的每一 个位写 1 的 16 进制数定义成一个宏,宏名即用该位的名称表示,如果我们操作寄存器要开启某一个功能的话,就不用自己亲自去算这个值是多少,可以直接到这个头文件里面找。

我们以片上外设 ADC 为例,假设我们要启动 ADC 开始转换,根据手册我们知道是要控制 ADC_CR2 寄存器的位 0:ADON,即往位 0 写 1,即:

ADC->CR2=0x00000001;
复制代码

这是 一般的操作方法。现在这个头文件里面有关于 ADON 位的位定义:

 #define ADC_CR2_ADON ((uint32_t)0x00000001)
复制代码

有了这个位定义,我们刚刚的 代码就变成了:

ADC->CR2=ADC_CR2_ADON
复制代码
  • stm32f10x_xxx.h

外设 xxx 应用函数库头文件,这里面主要定义了实现外设某一功能 的结构体,比如通用定时器有很多功能,有定时功能,有输出比较功能,有输入捕捉功 能,而通用定时器有非常多的寄存器要实现某一个功能,比如定时功能,我们根本不知道 具体要操作哪些寄存器,这个头文件就为我们打包好了要实现某一个功能的寄存器,是以机构体的形式定义的,比如通用定时器要实现一个定时的功能,我们只需要初始化 TIM_TimeBaseInitTypeDef 这个结构体里面的成员即可,里面的成员就是定时所需要 操作的寄存器。 有了这个头文件,我们就知道要实现某个功能需要操作哪些寄存器,然后 再回手册中精度这些寄存器的说明即可。

  • stm32f10x_xxx.c

stm32f10x_xxx.c:外设 xxx 应用函数库,这里面写好了操作 xxx 外设的所有常用的函 数,我们使用库编程的时候,使用的最多的就是这里的函数。

(3)SystemInit

工程中新建main.c 。

在此文件中编写main函数后直接编译会报错:

Undefined symbol SystemInit (referred from startup_stm32f10x_hd.o).
复制代码

错误提示说SystemInit 没有定义。从分析启动文件startup_stm32f10x_hd.s时我们知道,

1 ;Reset handler
2 Reset_Handler PROC
3 EXPORT Reset_Handler [WEAK]
4 IMPORT __main
5 ;IMPORT SystemInit
6 ;LDR R0, =SystemInit
7 BLX R0
8 LDR R0, =__main
9 BX R0
10 ENDP
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汇编中;分号是注释的意思

第五行第六行代码Reset_Handler 调用了SystemInit该函数用来初始化系统时钟,而该函数是在库文件system_stm32f10x.c 中实现的。我们重新写一个这样的函数也可以,把功能完整实现一遍,但是为了简单起见,我们在main 文件里面定义一个SystemInit 空函数,为的是骗过编译器,把这个错误去掉。关于配置系统时钟之后会出文章RCC 时钟树详细介绍,主要配置时钟控制寄存器(RCC_CR)和时钟配置寄存器(RCC_CFGR)这两个寄存器,但最好是直接使用CubeMX直接生成,因为它的配置过程有些冗长。

如果我们用的是库,那么有个库函数SystemInit,会帮我们把系统时钟设置成72M。

现在我们没有使用库,那现在时钟是多少?答案是8M,当外部HSE 没有开启或者出现故

障的时候,系统时钟由内部低速时钟LSI 提供,现在我们是没有开启HSE,所以系统默认的时钟是LSI=8M。

(4)库封装层级

如图,达到第四层级便是我们所熟知的固件库或HAL库的效果。当然库的编写还需要考虑许多问题,不止于这些内容。我们需要的是了解库封装的大概过程。将库封装等级分为四级来介绍是为了有层次感,就像打怪升级一样,进行认知理解的升级。

我们都知道,操作GPIO输出分三大步:

时钟控制:

STM32 外设很多,为了降低功耗,每个外设都对应着一个时钟,在系统复位的时候这些时钟都是被关闭的,如果想要外设工作,必须把相应的时钟打开。

STM32 的所有外设的时钟由一个专门的外设来管理,叫RCC(reset and clockcontrol),RCC 在STM32 参考手册的第六章。

STM32 的外设因为速率的不同,分别挂载到三条总系上:AHB、APB2、APB1,AHB为高速总线,APB2 次之,APB1 再次之。所以的IO 口都挂载到APB2 总线上,属于高速

外设。

模式配置:

这个由端口配置寄存器来控制。端口配置寄存器分为高低两个,每4bit 控制一个IO 口,所以端口配置低寄存器:CRL 控制这IO 口的低8 位,端口配置高寄存器:CRH控制这IO 口的高8bit。在4 位一组的控制位中,CNFy[1:0] 用来控制端口的输入输出,MODEy[1:0]用来控制输出模式的速率,又称驱动电路的响应速度,注意此处速率与程序无关,具体内容见文章:【嵌入式】GPIO引脚速度、翻转速度、输出速度区别输入有4种模式,输出有4种模式,我们在控制LED 的时候选择通用推挽输出。输出速率有三种模式:2M、10M、50M,这里我们选择2M。

电平控制:

STM32 的IO 口比较复杂,如果要输出1 和0,则要通过控制:端口输出数据寄存器ODR 来实现,ODR 是:Output data register 的简写,在STM32 里面,其寄存器的命名名称都是英文的简写,很容易记住。从手册上我们知道ODR 是一个32 位的寄存器,低16位有效,高16 位保留。低16 位对应着IO0~IO16,只要往相应的位置写入0 或者1 就可以输出低或者高电平。

第一层级:基地址宏定义

时钟控制:

在STM32 中,每个外设都有一个起始地址,叫做外设基地址,外设的寄存器就以这个基地址为标准按照顺序排列,且每个寄存器32位,(后面作为结构体里面的成员正好内存对齐)。查表看到时钟由APB2 外设时钟使能寄存器(RCC_APB2ENR)来控制,其中PB 端口的时钟由该寄存器的位3 写1 使能。我们可以通过基地址+偏移量0x18,算出RCC_APB2ENR 的地址为:0x40021018。那么使能PB 口的时钟代码则如下所示:

 #define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018
// 开启端口B 时钟
 RCC_APB2ENR |= 1<<3;
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模式配置:

同RCC_APB2ENR 一样,GPIOB 的起始地址是:0X4001 0C00,我们也可以算出GPIO_CRL 的地址为:0x40010C00。那么设置PB0 为通用推挽输出,输出速率为2M 的代码则如下所示:

同上,从手册中我们看到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。现在我们就可以定义GPIOB_ODR 这个寄存器了,代码如下:

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

//PB0 输出低电平
GPIOB_ODR = 0<<0;
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第一层级:基地址宏定义完成用STM32 控制一个LED 的完整代码:

1 #define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018
2 #define GPIOB_CRL *(volatile unsigned long *)0x40010C00
3 #define GPIOB_ODR *(volatile unsigned long *)0x40010C0C
45
int main(void)
6 {
7 // 开启端口B 的时钟
8 RCC_APB2ENR |= 1<<3;
9
10 // 配置PB0 为通用推挽输出模式,速率为2M
11 GPIOB_CRL = (2<<0) | (0<<2);
12
13 // PB0 输出低电平,点亮LED
14 GPIOB_ODR = 0<<0;
15 }
16
17 void SystemInit(void)
18 {
19 }
复制代码

第二层级:基地址宏定义+结构体封装

外设寄存器结构体封装

上面我们在操作寄存器的时候,操作的是寄存器的绝对地址,如果每个寄存器都这样操作,那将非常麻烦。我们考虑到外设寄存器的地址都是基于外设基地址的偏移地址,都是在外设基地址上逐个连续递增的,每个寄存器占 32 个或者 16 个字节,这种方式跟结构体里面的成员类似。所以我们可以定义一种外设结构体,结构体的地址等于外设的基地址,结构体的成员等于寄存器,成员的排列顺序跟寄存器的顺序一样。这样我们操作寄存器的时候就不用每次都找到绝对地址,只要知道外设的基地址就可以操作外设的全部寄存器,即操作结构体的成员即可。

下面我们先定义一个 GPIO 寄存器结构体,结构体里面的成员是 GPIO 的寄存器,成员的顺序按照寄存器的偏移地址从低到高排列,成员类型跟寄存器类型一样。(struct用法参考【C语言】(2):关键字的详细介绍)

1 typedef struct {
2 volatile uint32_t CRL;
3 volatile uint32_t CRH;
4 volatile uint32_t IDR;
5 volatile uint32_t ODR;
6 volatile uint32_t BSRR;
7 volatile uint32_t BRR;
8 volatile uint32_t LCKR;
9 } GPIO_TypeDef;
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在《STM32 中文参考手册》8.2 寄存器描述章节,我们可以找到结构体里面的7 个寄存器描述。在点亮LED 的时候我们只用了CRL 和ODR 这两个寄存器,至于其他寄存器的功能大家可以自行看手册了解。在GPIO 结构体里面我们用了两个数据类型,一个是uint32_t,表示无符号的32 位整型,因为GPIO 的寄存器都是32 位的。这个类型声明在标准头文件stdint.h 里面使用typedef对unsigned int重命名,我们在程序上只要包含这个头文件即可。另外一个是volatile(volatile用法参考【C语言】(2):关键字的详细介绍),作用就是告诉编译器这里的变量会变化不因优化而省略此指令,必须每次都直接读写其值,这样就能确保每次读或者写寄存器都真正执行到位。

外设封装

STM32F1 系列的GPIO 端口分A~G,即GPIOA、GPIOB。。。。。。GPIOG。每个端口都含有GPIO_TypeDef 结构体里面的寄存器,我们可以根据手册各个端口的基地址把GPIO 的各个端口定义成一个GPIO_TypeDef 类型指针,然后我们就可以根据端口名(实际上现在是结构体指针了)来操作各个端口的寄存器,代码实现如下:

1 #define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 0800)
2 #define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 0C00)
3 #define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1000)
4 #define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1400)
5 #define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1800)
6 #define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1C00)
7 #define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 2000)
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外设内存映射

讲到基地址的时候我们再引人一个知识点:Cortex-M3 存储器系统,这个知识点在《Cortex-M3 权威指南》第5 章里面讲到。CM3 的地址空间是4GB,如下图所示:

我们这里要讲的是片上外设,就是我们所说的寄存器的根据地,其大小总共有512MB,512MB 是其极限空间,并不是每个单片机都用得完,实际上各个MCU 厂商都只是用了一部分而已。STM32F1 系列用到了:0x4000 0000 ~0x5003 FFFF。现在我们说的STM32 的寄存器就是位于这个区域

  • APB1、APB2、AHB 总线基地址

现在我们说的STM32 的寄存器就是位于这个区域,这里面ST 设计了三条总线:AHB、APB2 和APB1,其中AHB 和APB2 是高速总线,APB1 是低速总线。不同的外设根据速度不同分别挂载到这三条总线上。从下往上依次是:APB1、APB2、AHB,每个总线对应的地址分别是:APB1:0x40000000,APB2:0x4001 0000,AHB:0x4001 8000。这三条总线的基地址我们是从《STM32 中文参考手册》2.3 小节—存储器映像得到的:APB1 的基地址是TIM2 定时器的起始地址,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 地址又叫做外设基地址,是所有外设的基地址,叫做PERIPH_BASE。现在我们把这三条总线地址用宏定义出来,以后我们在定义其他外设基地址的时候,只需要在这三条总线的基址上加上偏移地址即可,代码如下:

1 #define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)
2 #define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
3 #define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000)
4 #define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x20000)
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  • GPIO 端口基地址

因为GPIO 挂载到APB2 总线上,那么现在我们就可以根据APB2 的基址算出各个GPIO 端口的基地址,用宏定义实现代码如下:

1 #define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
2 #define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
3 #define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
4 #define GPIOD_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)
5 #define GPIOE_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1800)
6 #define GPIOF_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1C00)
7 #define GPIOG_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x2000)
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第二层级:基地址宏定义+结构体封装完成用STM32 控制一个LED 的完整代码:

1 #include <stdint.h>
2 #define __IO volatile
3
4typedef struct {
5 __IO uint32_t CRL;
6 __IO uint32_t CRH;
7 __IO uint32_t IDR;
8 __IO uint32_t ODR;
9 __IO uint32_t BSRR;
10 __IO uint32_t BRR;
11 __IO uint32_t LCKR;
12 } GPIO_TypeDef;
13
14typedef struct {
15 __IO uint32_t CR;
16 __IO uint32_t CFGR;
17 __IO uint32_t CIR;
18 __IO uint32_t APB2RSTR;
19 __IO uint32_t APB1RSTR;
20 __IO uint32_t AHBENR;
21 __IO uint32_t APB2ENR;
22 __IO uint32_t APB1ENR;
23 __IO uint32_t BDCR;
24 __IO uint32_t CSR;
25 } RCC_TypeDef;
26
27 #define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)
28
29 #define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
30 #define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000)
31 #define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x20000)
32
33 #define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
34 #define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
35 #define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
36 #define GPIOD_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)
37 #define GPIOE_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1800)
38 #define GPIOF_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1C00)
39 #define GPIOG_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x2000)

40 #define RCC_BASE (AHBPERIPH_BASE + 0x1000)
41
42 #define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
43 #define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
44 #define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
45 #define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)
46 #define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)
47 #define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)
48 #define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)
49 #define RCC ((RCC_TypeDef *) RCC_BASE)
50
51
52 #define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018
53 #define GPIOB_CRL *(volatile unsigned long *)0x40010C00
54 #define GPIOB_ODR *(volatile unsigned long *)0x40010C0C
55
56 int main(void)
57 {
58 // 开启端口B 的时钟
59 RCC->APB2ENR |= 1<<3;
60
61 // 配置PB0 为通用推挽输出模式,速率为2M
62 GPIOB->CRL = (2<<0) | (0<<2);
63
64 // PB0 输出低电平,点亮LED
65 GPIOB->ODR = 0<<0;
66
67 }
68
69 void SystemInit(void)
70 {
71 }
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第二层级变化:

①、定义一个外设(GPIO)寄存器结构体,结构体的成员包含该外设的所有寄存器,

成员的排列顺序跟寄存器偏移地址一样,成员的数据类型跟寄存器的一样。

②外设内存映射,即把地址跟外设建立起一一对应的关系。

③外设声明,即把外设的名字定义成一个外设寄存器结构体类型的指针。

④通过结构体操作寄存器,实现点亮LED。

第三层级:基地址宏定义+结构体封装+“位封装(每一位的对应字节封装)

上面我们在控制GPIO 输出内容的时候控制的是ODR(Output data register)寄存器,ODR 是一个16 位的寄存器,必须以字的形式控制其实我们还可以控制BSRR 和BRR 这两个寄存器来控制IO 的电平,下面我们简单介绍下BRR 寄存器的功能,BSRR 自行看手册研究。

位清除寄存器BRR 只能实现位清0 操作,是一个32 位寄存器,低16 位有效,写0 没影响,写1 清0。现在我们要使PB0 输出低电平,点亮LED,则只要往BRR 的BR0 位写1 即可,其他位为0,代码如下:

1 GPIOB->BRR = 0X0001;
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这时PB0 就输出了低电平,LED 就被点亮了。如果要PB2 输出低电平,则是:

1 GPIOB->BRR = 0X0004;
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如果要PB3/4/5/6。。。。。。这些IO 输出低电平呢?道理是一样的,只要往BRR 的相应位置赋不同的值即可。因为BRR 是一个16 位的寄存器,位数比较多,赋值的时候容易出错,而且从赋值的16 进制数字我们很难清楚的知道控制的是哪个IO。这时,我们是否可以把BRR 的每个位置1 都用宏定义来实现,如GPIO_Pin_0 就表示0X0001,GPIO_Pin_2 就表示0X0004。只要我们定义一次,以后都可以使用,而且还见名知意。“位封装”(每一位的对应字节封装) 代码如下:

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

这时PB0 就输出了低电平的代码就变成了:

1 GPIOB->BRR = GPIO_Pin_0;
复制代码

如果同时让PB0/PB15输出低电平,用或运算,代码:

1 GPIOB->BRR = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_15;
复制代码

为了不使main 函数看起来冗余,上述库封装 的代码不应该放在main 里面,因为其是跟GPIO 相关的,我们可以把这些宏放在一个单独的头文件里面。在工程目录下新建stm32f10x_gpio.h,把封装代码放里面,然后把这个文件添加到工程里面。这时我们只需要在main.c 里面包含这个头文件即可。

第四层级:基地址宏定义+结构体封装+“位封装”+函数封装

我们点亮LED 的时候,控制的是PB0 这个IO,如果LED 接到的是其他IO,我们就需要把GPIOB 修改成其他的端口,其实这样修改起来也很快很方便。但是为了提高程序的可读性和可移植性,我们是否可以编写一个专门的函数用来复位GPIO 的某个位,这个函数有两个形参,一个是GPIOX(X=A...G),另外一个是GPIO_Pin(0...15),函数的主体则是根据形参GPIOX 和GPIO_Pin 来控制BRR 寄存器,代码如下:

1 void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
2 {
3 GPIOx->BRR = GPIO_Pin;
4 }
复制代码

这时,PB0 输出低电平,点亮LED 的代码就变成了:

1 GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);
复制代码

同理, 我们可以控制BSRR 这个寄存器来实现关闭LED,代码如下:

1 // GPIO 端口置位函数
2 void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
3 {
4 GPIOx->BSRR = GPIO_Pin;
5 }
复制代码

这时,PB0 输出高电平,关闭LED 的代码就变成了:

1 GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);
复制代码

同样,因为这个函数是控制GPIO 的函数,我们可以新建一个专门的文件来放跟gpio

有关的函数。在工程目录下新建stm32f10x_gpio.c,把GPIO 相关的函数放里面。这时我们是否发现刚刚新建了一个头文件stm32f10x_gpio.h,这两个文件存放的都是跟外设GPIO 相关的。C 文件里面的函数会用到h 头文件里面的定义,这两个文件是相辅相成的,故我们在stm32f10x_gpio.c 文件中也包含stm32f10x_gpio.h 这个头文件。别忘了把stm32f10x.h 这个头文件也包含进去,因为有关寄存器的所有定义都在这个头文件里面。

如果我们写其他外设的函数,我们也应该跟GPIO 一样,新建两个文件专门来存函数,比如RCC 这个外设我们可以新建stm32f10x_rcc.c 和stm32f10x_rcc.h。其他外依葫芦画瓢即可。

(5)实例编写

以上,是对库封住过程的概述,下面我们正在地使用库函数编写LED程序

管理库的头文件

当我们开始调用库函数写代码的时候,有些库我们不需要,在编译的时候可以不编译,可以通过一个总的头文件stm32f10x_conf.h 来控制,该头文件主要代码如下:

1 //#include "stm32f10x_adc.h"
2 //#include "stm32f10x_bkp.h"
3 //#include "stm32f10x_can.h"
4 //#include "stm32f10x_cec.h"
5 //#include "stm32f10x_crc.h"
6 //#include "stm32f10x_dac.h"
7 //#include "stm32f10x_dbgmcu.h"
8 //#include "stm32f10x_dma.h"
9 //#include "stm32f10x_exti.h"
10 //#include "stm32f10x_flash.h"
11 //#include "stm32f10x_fsmc.h"
12 #include "stm32f10x_gpio.h"
13 //#include "stm32f10x_i2c.h"
14 //#include "stm32f10x_iwdg.h"
15 //#include "stm32f10x_pwr.h"
16 #include "stm32f10x_rcc.h"
17 //#include "stm32f10x_rtc.h"
18 //#include "stm32f10x_sdio.h"
19 //#include "stm32f10x_spi.h"
20 //#include "stm32f10x_tim.h"
21 //#include "stm32f10x_usart.h"
22 //#include "stm32f10x_wwdg.h"
23 //#include "misc.h"
复制代码

这里面包含了全部外设的头文件,点亮一个LED 我们只需要RCC 和GPIO 这两个外设的库函数即可,其中RCC 控制的是时钟,GPIO 控制的具体的IO 口。所以其他外设库函数的头文件我们注释掉,当我们需要的时候就把相应头文件的注释去掉即可。stm32f10x_conf.h 这个头文件在stm32f10x.h 这个头文件的最后面被包含,在第8296行:

1 #ifdef USE_STDPERIPH_DRIVER
2 #include "stm32f10x_conf.h"

3 #endif
复制代码

代码的意思是,如果定义了USE_STDPERIPH_DRIVER 这个宏的话,就包含stm32f10x_conf.h 这个头文件。我们在新建工程的时候,在魔术棒选项卡C/C++中,我们定义了USE_STDPERIPH_DRIVER 这个宏,所以stm32f10x_conf.h 这个头文件就被stm32f10x.h 包含了,我们在写程序的时候只需要调用一个头文件:stm32f10x.h 即可。(预处理指令详细内容会在【C语言】的文章中提到)

编写LED 初始化函数

经过寄存器点亮LED 的操作,我们知道操作一个GPIO 输出的编程要点大概如下:

1、开启GPIO 的端口时钟

2、选择要具体控制的IO 口,即pin

3、选择IO 口输出的速率,即speed

4、选择IO 口输出的模式,即mode

5、输出高/低电平

STM32 的时钟功能非常丰富,配置灵活,为了降低功耗,每个外设的时钟都可以独自的关闭和开启。STM32 中跟时钟有关的功能都由RCC 这个外设控制,RCC 中有三个寄存器控制着所以外设时钟的开启和关闭:RCC_APHENR、RCC_APB2ENR 和RCC_APB1ENR,AHB、APB2 和APB1 代表着三条总线,所有的外设都是挂载到这三条总线上,GPIO 属于高速的外设,挂载到APB2 总线上,所以其时钟有RCC_APB2ENR 控制。

GPIO 时钟控制

固件库函数:RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE)函数的原型为:

1 void RCC_APB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB2Periph,
                               FunctionalState NewState)
2 {
3 /* Check the parameters */
4 assert_param(IS_RCC_APB2_PERIPH(RCC_APB2Periph));
5 assert_param(IS_FUNCTIONAL_STATE(NewState));
6 if (NewState != DISABLE) {
7 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2Periph;
8 } else {
9 RCC->APB2ENR &= ~RCC_APB2Periph;
10 }
11 }
复制代码

当程序编译一次之后,把光标定位到函数/变量/宏定义处,按键盘的F12 或鼠标右键的Go to definition of,就可以找到原型。固件库的底层操作的就是RCC 外设的APB2ENR这个寄存器,宏RCC_APB2Periph_GPIOB 的原型是:0x00000008,即(1<<3),还原成存器操作就是:RCC->APB2ENR |= 1<<<3。相比固件库操作,寄存器操作的代码可读性就很差,只有才查阅寄存器配置才知道具体代码的功能,而固件库操作恰好相反,见名知意。

GPIO 端口配置

GPIO 的pin,速度,模式,都由GPIO 的端口配置寄存器来控制,其中IO0IO7 由端口配置低寄存器CRL 控制,IO8IO15 由端口配置高寄存器CRH 配置。固件库把端口配置的pin,速度和模式封装成一个结构体:

1 typedef struct {
2 uint16_t GPIO_Pin;
3 GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;
4 GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;
5 } GPIO_InitTypeDef;
复制代码

pin 可以是GPIO_Pin_0~GPIO_Pin_15 或者是GPIO_Pin_All,这些都是库预先定义好的宏。

speed 也被封装成一个结构体:

1 typedef enum {
2 GPIO_Speed_10MHz = 1,
3 GPIO_Speed_2MHz,
4 GPIO_Speed_50MHz
5 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
6
7// 设置引脚为推挽输出
8 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
9
10 // 设置引脚速率为50MHz
11 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
12
13 /*调用库函数,初始化GPIOB0*/
14 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
复制代码

倘若同一端口下不同引脚有不同的模式配置,每次对每个引脚配置完成后都要调用GPIO初始化函数,代码如下:

 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15 ;                      
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;                  //上拉输入
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 ;                     
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;               //推挽输出
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); 
复制代码

GPIO 输出控制

GPIO 输出控制,可以通过端口数据输出寄存器ODR、端口位设置/清除寄存器BSRR和端口位清除寄存器BRR 这三个来控制。端口输出寄存器ODR 是一个32 位的寄存器,低16 位有效,对应着IO0~IO15,只能以字的形式操作,一般使用寄存器操作。

// PB0 输出高电平,点亮LED
  GPIOB->ODR = 1<<0;
复制代码

端口位清除寄存器BRR 是一个32 位的寄存器,低十六位有效,对应着IO0~IO15,只能以字的形式操作,可以单独对某一个位操作,写1 清0。

// PB0 输出低电平,点亮LED
  GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
复制代码

BSRR 是一个32 位的寄存器,低16 位用于置位,写1 有效,高16 位用于复位,写1有效,相当于BRR 寄存器。高16 位我们一般不用,而是操作BRR 这个寄存器,所以BSRR 这个寄存器一般用来置位操作。

// PB0 输出高电平,熄灭LED
  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
复制代码

综上:固件库LED GPIO 初始化函数

1 void LED_GPIO_Config(void)
2 {
3 // 定义一个GPIO_InitTypeDef 类型的结构体
4 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
5
6// 开启GPIOB 的时钟
7 RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
8
9// 选择要控制的IO 口
10 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
11
12 // 设置引脚为推挽输出
13 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
14
15 // 设置引脚速率为50MHz
16 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
17
18 /*调用库函数,初始化GPIOB0*/
19 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
20
21 // 关闭LED
22 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
23 }
复制代码

主函数

1 #include "stm32f10x.h"
2
3
void SOFT_Delay(__IO uint32_t nCount);
4 void LED_GPIO_Config(void);
5
6int main(void)
7 {
8 // 程序来到main 函数之前,启动文件:statup_stm32f10x_hd.s 已经调用
9 // SystemInit()函数把系统时钟初始化成72MHZ
10 // SystemInit()在system_stm32f10x.c 中定义
11 // 如果用户想修改系统时钟,可自行编写程序修改
12
13 LED_GPIO_Config();
14
15 while ( 1 ) {
16 // 点亮LED
17 GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
18 Time_Delay(0x0FFFFF);
19
20 // 熄灭LED
21 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
22 Time_Delay(0x0FFFFF);
23 
24 }
25// 简陋的软件延时函数
26 void Time_Delay(volatile uint32_t Count)
27 {
28 for (; Count != 0; Count--);
29 }
复制代码

注意void Time_Delay(volatile uint32_t Count)只是一个简陋的软件延时函数,如果小伙伴们有兴趣可以看一看MultiTimer,它是一个软件定时器扩展模块,可无限扩展所需的定时器任务,取代传统的标志位判断方式, 更优雅更便捷地管理程序的时间触发时序。

本文分享自华为云社区《【嵌入式】层层递进,了解库开发》,原文作者:LongYorke。

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