開(kāi)發(fā)環(huán)境：Keil 5.30

單片機(jī)：STM32F103ZET6

上一章通過(guò)控制GPIO的高低電平實(shí)現(xiàn)了流水燈，但只是告訴了大家怎么做，如何實(shí)現(xiàn)流水燈，本文將深入剖析的GPIO流水燈的前生今世，深入研究流水燈的調(diào)用邏輯和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2.1 GPIO配置概述

前面一章一個(gè)大概講解GPIO的配置過(guò)程和核心的寄存器，當(dāng)然啦，關(guān)于GPIO的寄存器遠(yuǎn)不止我上一章列出來(lái)的，還有很多，具體請(qǐng)參看《STM32F10XXX參考手冊(cè)》中GPIO相關(guān)的內(nèi)容吧。

根據(jù)前面實(shí)現(xiàn)的GPIO流水燈，本文將其歸納如下：

要想控制3個(gè)LED依次亮滅，就需要做以上三件事：使能時(shí)鐘，配置GPIO參數(shù)，最后循環(huán)控制GPIO的高低電平就能實(shí)現(xiàn)流水燈的效果，GPIO的寄存器這里就不說(shuō)了，更多詳細(xì)的寄存器描述看官方手冊(cè)就行，下面先來(lái)看看STM32的時(shí)鐘。

2.2 Cortex-M的時(shí)鐘系統(tǒng)

2.2.1 Cortex-M的系統(tǒng)架構(gòu)

基于Cortex-M的系統(tǒng)架構(gòu)比51單片機(jī)強(qiáng)大很多了。首先我們看看Cortex-M3的系統(tǒng)架構(gòu)圖：

對(duì)于對(duì)比，在看看GD32F407xx的系統(tǒng)架構(gòu)圖。

GD32F407xx是基于Cortex-M4設(shè)計(jì)的?？梢钥吹?，Cortex-M3和Cortex-M4大體是相同的，系統(tǒng)主要由四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元和四個(gè)被動(dòng)單元構(gòu)成。

• 四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元
• 內(nèi)核 DCode 總線；
• 系統(tǒng)總線；
• 通用 DMA1(DMA0)；
• 通用 DMA2(DMA1)；
• 四被動(dòng)單元
• AHB 到 APB 的橋：連接所有的 APB 設(shè)備；
• 內(nèi)部 FlASH 閃存；
• 內(nèi)部 SRAM；
• FSMC；

下面我們具體講解一下圖中幾個(gè)總線的知識(shí)：

① ICode 總線：該總線將 M3 內(nèi)核指令總線和閃存指令接口相連，指令的預(yù)取在該總線上面完成。

② DCode 總線：該總線將 M3 內(nèi)核的 DCode 總線與閃存存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)接口相連接，常量加載和調(diào)試訪問(wèn)在該總線上面完成。

③系統(tǒng)總線：該總線連接 M3 內(nèi)核的系統(tǒng)總線到總線矩陣，總線矩陣協(xié)調(diào)內(nèi)核和 DMA 間訪問(wèn)。

④ DMA 總線：該總線將 DMA 的 AHB 主控接口與總線矩陣相連，總線矩陣協(xié)調(diào) CPU 的DCode 和 DMA 到 SRAM,閃存和外設(shè)的訪問(wèn)。

⑤總線矩陣：總線矩陣協(xié)調(diào)內(nèi)核系統(tǒng)總線和 DMA 主控總線之間的訪問(wèn)仲裁，仲裁利用輪換算法。

⑥ AHB/APB 橋:這兩個(gè)橋在 AHB 和 2 個(gè) APB 總線間提供同步連接， APB1 操作速度限于36MHz,APB2 操作速度全速。

對(duì)于系統(tǒng)架構(gòu)的知識(shí)，在剛開(kāi)始學(xué)習(xí) STM32 的時(shí)候只需要一個(gè)大概的了解，大致知道是個(gè)什么情況即可。

2.2.2 STM32時(shí)鐘架構(gòu)

時(shí)鐘是整個(gè)處理器運(yùn)行的基礎(chǔ)，時(shí)鐘信號(hào)推動(dòng)處理器內(nèi)各個(gè)部分執(zhí)行相應(yīng)的指令。時(shí)鐘系統(tǒng)就是CPU的脈搏，決定CPU速率，像人的心跳一樣只有有了心跳，人才能做其他的事情，而單片機(jī)有了時(shí)鐘，才能夠運(yùn)行執(zhí)行指令，才能夠做其他的處理 (點(diǎn)燈，串口，ADC)，時(shí)鐘的重要性不言而喻。

我們?cè)趯W(xué)習(xí)51單片機(jī)時(shí)，其最小系統(tǒng)必有晶振電路，這塊電路就是單片機(jī)的時(shí)鐘來(lái)源，晶振的振蕩頻率直接影響單片機(jī)的處理速度。STM32相比51單片機(jī)就復(fù)雜得多，不僅是外設(shè)非常多，就連時(shí)鐘來(lái)源就有四個(gè)。但我們實(shí)際使用的時(shí)候只會(huì)用到有限的幾個(gè)外設(shè)，使用任何外設(shè)都需要時(shí)鐘才能啟動(dòng)，但并不是所有的外設(shè)都需要系統(tǒng)時(shí)鐘那么高的頻率，為了兼容不同速度的設(shè)備，有些高速，有些低速，如果都用高速時(shí)鐘，勢(shì)必造成浪費(fèi)，而且，同一個(gè)電路，時(shí)鐘越快功耗越快，同時(shí)抗電磁干擾能力也就越弱，所以較為復(fù)雜的MCU都是采用多時(shí)鐘源的方法來(lái)解決這些問(wèn)題，因此便有了STM32的時(shí)鐘系統(tǒng)和時(shí)鐘樹(shù)。

STM32三個(gè)不同的時(shí)鐘源可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)鐘(SYSCLK)：

● HSI晶振時(shí)鐘(高速內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào))

● HSE晶振時(shí)鐘(高速外部時(shí)鐘信號(hào))

● PLL時(shí)鐘

STM32有兩個(gè)二級(jí)時(shí)鐘源：

● 40kHz的低速內(nèi)部RC，它可以驅(qū)動(dòng)獨(dú)立看門狗，還可選擇地通過(guò)程序選擇驅(qū)動(dòng)RTC。 RTC用于從停機(jī)/待機(jī)模式下自動(dòng)喚醒系統(tǒng)。

● 32.768kHz的低速外部晶振，可選擇它用來(lái)驅(qū)動(dòng)RTC(RTCCLK)。

每個(gè)時(shí)鐘源在不使用時(shí)都可以單獨(dú)被打開(kāi)或關(guān)閉，這樣就可以優(yōu)化系統(tǒng)功耗。

當(dāng)使用HSI作為PLL時(shí)鐘的輸入時(shí)，所能達(dá)到的最大系統(tǒng)時(shí)鐘為64MHz。

2.2.3 STM32時(shí)鐘硬件電路

2.2.3.1 HSE時(shí)鐘

高速外部時(shí)鐘信號(hào)(HSE)由以下兩種時(shí)鐘源產(chǎn)生：

● HSE外部晶體 / 陶瓷諧振器(見(jiàn)下圖(a))

● HSE用戶外部時(shí)鐘(見(jiàn)下圖(b))

(a)外部時(shí)鐘 (b)晶振時(shí)鐘

1. 外部時(shí)鐘源(HSE旁路)

在這種模式下，必須提供一個(gè)外部時(shí)鐘源。它的頻率可高達(dá)25MHz。外部時(shí)鐘信號(hào)(占空比為50%的方波、正弦波或三角波)必須連到OSC_IN引腳，同時(shí)保證OSC_OUT引腳懸空，見(jiàn)上圖(a)。這個(gè)外部時(shí)鐘源是指從其他處理器等引入的時(shí)鐘源，STM32的demo板就是使用的這種方式，主控器MCU的外部時(shí)鐘源來(lái)自ST Link處理器提供的時(shí)鐘信號(hào)。

2. 外部晶體/陶瓷諧振器(HSE晶體)

這個(gè)4~16MHz的外部晶振的優(yōu)點(diǎn)在于能產(chǎn)生非常精確的主時(shí)鐘。下圖顯示了它需要的相關(guān)硬件配置。諧振器和負(fù)載電容需要盡可能近地靠近振蕩器的引腳，以減小輸出失真和啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間。負(fù)載電容值必須根據(jù)選定的晶振進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種方式也是我們常用的方式，具體電路如下所示。

2.2.3.2 LSE時(shí)鐘

低速外部時(shí)鐘源(LSE)可以由兩個(gè)可能的時(shí)鐘源來(lái)產(chǎn)生：

● LSE外部晶體 / 陶瓷諧振器(見(jiàn)下圖(a))

● LSE用戶外部時(shí)鐘(見(jiàn)下圖(b))

1. 外部源(LSE旁路)

在這種模式下，必須提供一個(gè)外部時(shí)鐘源。它的頻率必須為32.768kHz。外部信號(hào)(占空比為50%的方波、正弦波或三角波)必須連到OSC32_IN引腳，同時(shí)保證OSC_OUT引腳懸空。

2. 外部晶體/陶瓷諧振器(LSE晶體)

這個(gè)LSE晶體是一個(gè)32.768kHz的低速外部晶體或陶瓷諧振器。它的優(yōu)點(diǎn)在于能為實(shí)時(shí)時(shí)鐘部件(RTC)提供一個(gè)低速的，但高精確的時(shí)鐘源。 RTC可以用于時(shí)鐘/日歷或其它需要計(jì)時(shí)的場(chǎng)合。諧振器和加載電容需要盡可能近地靠近晶振引腳，這樣能使輸出失真和啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間減到最小。負(fù)載電容值必須根據(jù)選定的晶振進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(a)外部時(shí)鐘 (b)晶振時(shí)鐘

外部晶體時(shí)鐘如下圖所示。

HSE和LSE外部晶體兩時(shí)鐘電路的兩個(gè)電容式為了抗干擾。對(duì)抗自然界中的一些干擾，如雷擊。

2.2.4 STM32的時(shí)鐘系統(tǒng)

STM32 芯片為了實(shí)現(xiàn)低功耗，設(shè)計(jì)了一個(gè)功能完善但卻非常復(fù)雜的時(shí)鐘系統(tǒng)。普通的MCU 一般只要配置好 GPIO 的寄存器就可以使用了，但 STM32 還有一個(gè)步驟，就是開(kāi)啟外設(shè)時(shí)鐘。

在 STM32 中，可分為五種時(shí)鐘源，為 HSI、 HSE、 LSI、 LSE、 PLL。從時(shí)鐘頻率來(lái)分可以分為高速時(shí)鐘源和低速時(shí)鐘源，其中 HIS， HSE 以及 PLL 是高速時(shí)鐘， LSI 和 LSE 是低速時(shí)鐘。從來(lái)源可分為外部時(shí)鐘源和內(nèi)部時(shí)鐘源，外部時(shí)鐘源就是從外部通過(guò)接晶振的方式獲取時(shí)鐘源，其中 HSE 和 LSE 是外部時(shí)鐘源，其他的是內(nèi)部時(shí)鐘源。下面我們看看 STM32 的 5 個(gè)時(shí)鐘源，我們講解順序是按圖中紅圈標(biāo)示的順序：

1HSI 是 高速內(nèi)部時(shí)鐘 ， RC 振蕩器，頻率為 8MHz。

②HSE 是 高速外部時(shí)鐘 ，可接石英 /陶瓷諧振器，或者接外部時(shí)鐘源，頻率范圍為4MHz~16MHz。 我們的開(kāi)發(fā)板接的是 8M 的晶振。 當(dāng)使用有源晶振時(shí)，時(shí)鐘從 OSC_IN 引腳進(jìn)入， OSC_OUT 引腳懸空，當(dāng)選用無(wú)源晶振時(shí)，時(shí)鐘從 OSC_IN 和 OSC_OUT 進(jìn)入，并且要配諧振電容。 HSE 最常使用的就是 8M 的無(wú)源晶振。 當(dāng)確定 PLL 時(shí)鐘來(lái)源的時(shí)候， HSE 可以不分頻或者 2 分頻，這個(gè)由時(shí)鐘配置寄存器 CFGR 的位 17。

③LSI 是 低速內(nèi)部時(shí)鐘 ，RC 振蕩器，頻率為 40kHz。 獨(dú)立看門狗的時(shí)鐘源只能是 LSI，同時(shí) LSI 還可以作為 RTC 的時(shí)鐘源。

④LSE 是 低速外部時(shí)鐘 ，接頻率為 32.768kHz 的石英晶體。 這個(gè)主要是 RTC 的時(shí)鐘源。

⑤PLL 為鎖相環(huán)倍頻輸出，其時(shí)鐘輸入源可選擇為 HSI/2、HSE 或者 HSE/2。 倍頻可選擇為2~16 倍，但是其輸出頻率最大不得超過(guò) 72MHz。

圖中我們用 A~E 標(biāo)示我們要講解的地方。

A. MCO 是 STM32 的一個(gè)時(shí)鐘輸出 IO(PA8)，它可以選擇一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸出，可以選擇為 PLL 輸出的 2 分頻、 HSI、 HSE、或者系統(tǒng)時(shí)鐘。 這個(gè)時(shí)鐘可以用來(lái)給外部其他系統(tǒng)提供時(shí)鐘源。

B. 這里是 RTC 時(shí)鐘源，從圖上可以看出， RTC 的時(shí)鐘源可以選擇 LSI， LSE，以及HSE 的 128 分頻。

C. 從圖中可以看出 C 處 USB 的時(shí)鐘是來(lái)自 PLL 時(shí)鐘源。 STM32 中有一個(gè)全速功能的 USB 模塊，其串行接口引擎需要一個(gè)頻率為 48MHz 的時(shí)鐘源。該時(shí)鐘源只能從 PLL 輸出端獲取，可以選擇為 1.5 分頻或者 1 分頻，也就是，當(dāng)需要使用 USB模塊時(shí)， PLL 必須使能，并且時(shí)鐘頻率配置為 48MHz 或 72MHz。

D. D 處就是 STM32 的系統(tǒng)時(shí)鐘 SYSCLK，它是供 STM32 中絕大部分部件工作的時(shí)鐘源。系統(tǒng)時(shí)鐘可選擇為 PLL 輸出、 HSI 或者 HSE。系統(tǒng)時(shí)鐘最大頻率為 72MHz，當(dāng)然你也可以超頻，不過(guò)一般情況為了系統(tǒng)穩(wěn)定性是沒(méi)有必要冒風(fēng)險(xiǎn)去超頻的。

E. 這里的 E 處是指其他所有外設(shè)了。從時(shí)鐘圖上可以看出，其他所有外設(shè)的時(shí)鐘最終來(lái)源都是 SYSCLK。 SYSCLK 通過(guò) AHB 分頻器分頻后送給各模塊使用。這些模塊包括：

①AHB 總線、內(nèi)核、內(nèi)存和 DMA 使用的 HCLK 時(shí)鐘。

②通過(guò) 8 分頻后送給 Cortex 的系統(tǒng)定時(shí)器時(shí)鐘，也就是 systick 了。

③直接送給 Cortex 的空閑運(yùn)行時(shí)鐘 FCLK。

④送給 APB1 分頻器。 APB1 分頻器輸出一路供 APB1 外設(shè)使用(PCLK1，最大頻率 36MHz)，另一路送給定時(shí)器(Timer)2、 3、 4 倍頻器使用。

⑤送給 APB2 分頻器。 APB2 分頻器分頻輸出一路供 APB2 外設(shè)使用(PCLK2，最大頻率 72MHz)，另一路送給定時(shí)器(Timer)1 倍頻器使用。

其中需要理解的是 APB1 和 APB2 的區(qū)別， APB1 上面連接的是低速外設(shè)，包括電源接口、備份接口、 CAN、 USB、 I2C1、 I2C2、 UART2、 UART3 等等， APB2 上面連接的是高速外設(shè)包括 UART1、 SPI1、 Timer1、 ADC1、 ADC2、所有普通 IO 口(PA~PE)、第二功能 IO 口等。

不同的總線有不同的頻率，不同的外設(shè)掛在不同的總線下，為了更適合初學(xué)者查閱，筆者把常用的外設(shè)與總線的對(duì)應(yīng)關(guān)系總結(jié)如下：

SystemInit()函數(shù)中設(shè)置的系統(tǒng)時(shí)鐘大小：

• SYSCLK（系統(tǒng)時(shí)鐘） =72MHz
• AHB 總線時(shí)鐘(使用 SYSCLK) =72MHz
• APB1 總線時(shí)鐘(PCLK1) =36MHz
• APB2 總線時(shí)鐘(PCLK2) =72MHz
• PLL 時(shí)鐘 =72MHz

具體代碼請(qǐng)讀者查看工程文件的system_stm32f10x.c文件。

舉個(gè)例子：Keil編寫程序是默認(rèn)的時(shí)鐘為72Mhz，其實(shí)是這么來(lái)的：外部晶振(HSE)提供的8MHz（與電路板上的晶振的相關(guān)）通過(guò)PLLXTPRE分頻器后，進(jìn)入PLLSRC選擇開(kāi)關(guān)，進(jìn)而通過(guò)PLLMUL鎖相環(huán)進(jìn)行倍頻（x9）后，為系統(tǒng)提供72MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘（SYSCLK）。 之后是AHB預(yù)分頻器對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，然后為低速外設(shè)提供時(shí)鐘。

或者內(nèi)部RC振蕩器(HSI) 為8MHz /2 為4MHz 進(jìn)入PLLSRC選擇開(kāi)關(guān)，通過(guò)PLLMUL鎖相環(huán)進(jìn)行倍頻（x18）后為72MHz。

PS: 網(wǎng)上有很多人說(shuō)是5個(gè)時(shí)鐘源，這種說(shuō)法有點(diǎn)問(wèn)題，學(xué)習(xí)之后就會(huì)發(fā)現(xiàn)PLL并不是自己產(chǎn)生的時(shí)鐘源，而是通過(guò)其他三個(gè)時(shí)鐘源倍頻得到的時(shí)鐘，這點(diǎn)在前文已近講解得很清楚了。

2.2.5 STM32的時(shí)鐘配置剖析

既然時(shí)鐘搞清楚了，接下來(lái)回到上一章的配置時(shí)鐘的代碼：

/*開(kāi)啟LED的外設(shè)時(shí)鐘*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOG, ENABLE);

RCC_APB2PeriphClockCmd就是配置時(shí)鐘的函數(shù)，函數(shù)原型如下：

/**
 * @brief  Enables or disables theHigh Speed APB (APB2) peripheral clock.
 * @param  RCC_APB2Periph:specifies the APB2 peripheral to gates its clock.
 *   This parameter can be anycombination of the following values:
 *     @arg RCC_APB2Periph_AFIO,RCC_APB2Periph_GPIOA, RCC_APB2Periph_GPIOB,
 *          RCC_APB2Periph_GPIOC,RCC_APB2Periph_GPIOD, RCC_APB2Periph_GPIOE,
 *          RCC_APB2Periph_GPIOF,RCC_APB2Periph_GPIOG, RCC_APB2Periph_ADC1,
 *          RCC_APB2Periph_ADC2,RCC_APB2Periph_TIM1, RCC_APB2Periph_SPI1,
 *          RCC_APB2Periph_TIM8,RCC_APB2Periph_USART1, RCC_APB2Periph_ADC3,
 *          RCC_APB2Periph_TIM15,RCC_APB2Periph_TIM16, RCC_APB2Periph_TIM17,
 *          RCC_APB2Periph_TIM9,RCC_APB2Periph_TIM10, RCC_APB2Periph_TIM11    
 * @param  NewState: new state ofthe specified peripheral clock.
 *   This parameter can be: ENABLEor DISABLE.
 * @retval None
 */
voidRCC_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;
 }
}

第一個(gè)參數(shù)就是具體的外設(shè)時(shí)鐘，第二參數(shù)就是時(shí)鐘狀態(tài)開(kāi)關(guān)，整個(gè)函數(shù)很簡(jiǎn)單，就是配置RCC->APB2ENR，assert_param是檢查參數(shù)的，關(guān)于assert_param詳細(xì)講解看附錄的小貼士。

參數(shù)RCC_APB2Periph傳入值是通過(guò)宏來(lái)定義的，這樣的好處也是便于移植，如果換了MCU，架構(gòu)一樣，只需要就該底層驅(qū)動(dòng)就行，不需要更改上層應(yīng)用，這樣就提高了開(kāi)發(fā)效率。 言歸正傳，我們傳入的RCC_APB2Periph_GPIOB和RCC_APB2Periph_GPIOG定義如下。

其實(shí)就是一個(gè)個(gè)偏移而已。 我們還是看看RCC_APB2ENR寄存器，

如果要配置GPIOB的時(shí)鐘就是要將第3位置1，因此轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制就是8，同理GPIOG也是一樣的。

RCC_APB2ENR的地址是0x18，更準(zhǔn)確的是說(shuō)偏移地址是0x18，在代碼中也是有體現(xiàn)的，我們看看RCC結(jié)構(gòu)體吧。

#define RCC                 ((RCC_TypeDef *) RCC_BASE)

這里是通過(guò)宏的方式定義的，結(jié)構(gòu)體就是RCC_TypeDef。

/**
 * @brief Reset and Clock Control
 */

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;

#ifdef STM32F10X_CL 
 __IO uint32_t AHBRSTR;
 __IO uint32_t CFGR2;
#endif /* STM32F10X_CL */

#if defined (STM32F10X_LD_VL) ||defined (STM32F10X_MD_VL) || defined (STM32F10X_HD_VL)  
 uint32_t RESERVED0;
 __IO uint32_t CFGR2;
#endif /* STM32F10X_LD_VL ||STM32F10X_MD_VL || STM32F10X_HD_VL */
} RCC_TypeDef;

這里可以看到有__IO修飾結(jié)構(gòu)體成員，關(guān)于__IO詳細(xì)講解看附錄的小貼士。 RCC_TypeDef中的成員都是32位，因此偏移都是4，而APB2ENR的偏移量就是寄存器表的偏移一一對(duì)應(yīng)了，其他的結(jié)構(gòu)體都是這樣定義的。

在說(shuō)說(shuō)RCC_BASE，這就實(shí)際的RCC的物理地址，其中的依賴關(guān)系如下：

#define PERIPH_BASE           ((uint32_t)0x40000000) /*!

這樣我們就知道最終的RCC的基地址是0x0x40021000。 這個(gè)地址也可以在參考手冊(cè)中找到。

是不就都對(duì)上了，MCU所有的外設(shè)都對(duì)應(yīng)了一個(gè)地址，因此通過(guò)操作該地址就能控制相應(yīng)的功能，關(guān)于STM32的存儲(chǔ)管理在后文會(huì)詳細(xì)描述，這里先了解個(gè)大概就好。

值得注意的是，既然有RCC_APB2PeriphClockCmd函數(shù)，肯定還有RCC_APB1PeriphClockCmd，它們各自配置的時(shí)鐘可以從系統(tǒng)架構(gòu)中看到，當(dāng)然啦，函數(shù)的說(shuō)明中也列舉了具體的外設(shè)。

到這里基本上時(shí)鐘的配置就完成了。 但是我想還是有很多朋友沒(méi)有很明白，下面就GPIO的配置從地址映射和固件庫(kù)的封裝兩個(gè)方便再來(lái)詳細(xì)總結(jié)下固件庫(kù)是如何完成GPIO的具體操作的。

2.3 Cortex-M的地址映射

我們先看看51 單片機(jī)中是怎么做的，51 單片機(jī)開(kāi)發(fā)中會(huì)引用一個(gè) reg51.h 的頭文件，51單片機(jī)是通過(guò)以下方式將名字和寄存器聯(lián)系起來(lái)的：

sfr P0 =0x80;

sfr 也是一種擴(kuò)充數(shù)據(jù)類型，占用一個(gè)內(nèi)存單元，值域?yàn)?0～255。 利用它可以訪問(wèn) 51 單片機(jī)內(nèi)部的所有特殊功能寄存器。 如用 sfr P1 = 0x90 這一句定義 P1 為 P1 端口在片內(nèi)的寄存器。 然后我們往地址為 0x80 的寄存器設(shè)值的方法是： P0=value； 通過(guò)改變value的值來(lái)控制單片機(jī)。

所謂地址映射，就是將芯片上的存儲(chǔ)器甚至 I/O 等資源與地址建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。 如果某地址對(duì)應(yīng)著某寄存器，我們就可以運(yùn)用 C 語(yǔ)言的指針來(lái)尋址并修改這個(gè)地址上的內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)修改該寄存器的內(nèi)容。 Cortex-M的地址映射也是類似的。 Cortex-M有 32 根地址線，所以它的尋址空間大小為 2 ^32^bit=4 GB。 ARM 公司設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)先把這 4 GB 的尋址空間大致地分配好了。 它把從 0x40000000 至 0x5FFFFFFF（ 512 MB）的地址分配給片上外設(shè)。 通過(guò)把片上外設(shè)的寄存器映射到這個(gè)地址區(qū)，就可以簡(jiǎn)單地以訪問(wèn)內(nèi)存的方式，訪問(wèn)這些外設(shè)的寄存器，從而控制外設(shè)的工作。 這樣，片上外設(shè)可以使用 C 語(yǔ)言來(lái)操作。

stm32f10x.h 這個(gè)文件中重要的內(nèi)容就是把 STM32 的所有寄存器進(jìn)行地址映射。 如同51 單片機(jī)的

在這里我們以流水燈中的 GPIOB 為例進(jìn)行剖析，如果是其他的 IO 端口，則改成相應(yīng)的地址即可。 在這個(gè)文件中一系列宏實(shí)現(xiàn)了地址映射。

#define GPIOB_BASE(APB2PERIPH_BASE + 0xC00)
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE+ 0xC00
#define PERIPH_BASE((uint32_t)0x40000000)

這幾個(gè)宏定義是從文件中的幾個(gè)部分抽離出來(lái)的，具體的內(nèi)容讀者可參考stm32f10x.h 源碼。

首先看到 PERIPH_BASE 這個(gè)宏，宏展開(kāi)為 0x40000000，并把它強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為 uint32_t的 32 位類型數(shù)據(jù)，這是因?yàn)?STM32 的地址是 32 位的，0x40000000 這個(gè)地址是 Cortex-M3 核分配給片上外設(shè) 512MB 尋址空間中的第一個(gè)地址，我們把0x40000000 稱為外設(shè)基地址。

接下來(lái)是宏 APB2PERIPH_BASE，宏展開(kāi)為 PERIPH_BASE（外設(shè)基地址）加上偏移地址 0x10000，即指向的地址為 0x40010000。 這個(gè) APB2PERIPH_BASE 宏是什么地址呢？ STM32 不同的外設(shè)是掛載在不同的總線上的。 STM32 芯片有 AHB 總線、APB2總線和 APB1 總線，掛載在這些總線上的外設(shè)有特定的地址范圍。

其中像 GPIO、串口 1、ADC 及部分定時(shí)器是掛載在稱為 APB2 的總線上，掛載到APB2 總線上的外設(shè)地址空間是從0x40010000 至 0x40013FFF地址。 這里的第一個(gè)地址，也就是 0x40010000，稱為 APB2PERIPH_BASE （APB2 總線外設(shè)基地址）。

而 APB2 總線基地址相對(duì)于外設(shè)基地址的偏移量為 0x10000 個(gè)地址，即為 APB2 相對(duì)外設(shè)基地址的偏移地址，見(jiàn)下表。

由這個(gè)表我們可以知道，stm32f10x.h 這個(gè)文件中必然含有用于定義總線外設(shè)基地址的宏。

#define APB2PERIPH_BASE  PERIPH_BASE

因?yàn)槠屏繛榱?，所?APB2的地址直接就等于外設(shè)基地址。

最后到了宏 GPIOB_BASE，宏展開(kāi)為 APB2PERIPH_BASE （APB2 總線外設(shè)的基地址）加上相對(duì) APB2 總線外設(shè)基地址的偏移量 0xC00 得到了 GPIOB端口的寄存器組的基地址。 這個(gè)所謂的寄存器組又是什么呢？ 它包括什么寄存器？

細(xì)看 stm32f10x.h 文件，我們還可以發(fā)現(xiàn)有關(guān)各個(gè) GPIO 基地址的宏。

#define GPIOA_BASE(APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
#define GPIOB_BASE(APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
#define GPIOC_BASE(APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
#define GPIOD_BASE(APB2PERIPH_BASE + 0x1400)

除了 GPIOB寄存器組的地址，還有 GPIOA、GPIOC和 GPIOD 的地址，并且這些地址是不一樣的。 前面提到，每組 GPIO 都對(duì)應(yīng)著獨(dú)立的一組寄存器，查看 STM32 的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

注意到這個(gè)說(shuō)明中有一個(gè)偏移地址：0x04，這里的偏移地址是相對(duì)哪個(gè)地址的偏移呢？ 下面進(jìn)行舉例說(shuō)明。

對(duì)于GPIOB組的寄存器，GPIOB含有的端口配置高寄存器（GPIOB_CRH地址為：GPIOB_BASE +0x04。 假如是 GPIOA 組的寄存器，則 GPIOA 含有的端口配置高寄存器（GPIOA_CRH）地址為：GPIOA_BASE+0x04。 也就是說(shuō)，這個(gè)偏移地址，就是該寄存器相對(duì)所在寄存器組基地址的偏移量。

2.4固件庫(kù)對(duì)寄存器的封裝

ST的工程師用結(jié)構(gòu)體的形式封裝了寄存器組，在 stm32f10x.h 文件定義的。

#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *)GPIOA_BASE)
#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *)GPIOB_BASE)
#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *)GPIOC_BASE)

有了這些宏，我們就可以定位到具體的寄存器地址，結(jié)構(gòu)體GPIO_TypeDef在 stm32f10x.h 文件中定義的。

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;

結(jié)構(gòu)體內(nèi)又定義了 7 個(gè) __IO uint32_t 類型的變量。 這些變量都是 32 位，即每個(gè)變量占內(nèi)存空間 4 個(gè)字節(jié)。 在 C 語(yǔ)言中，結(jié)構(gòu)體內(nèi)變量的存儲(chǔ)空間是連續(xù)的，也就是說(shuō)假如我們定義了一個(gè) GPIO_TypeDef ，這個(gè)結(jié)構(gòu)體的首地址（變量 CRL 的地址）若為 0x40011000，那么結(jié)構(gòu)體中第二個(gè)變量（CRH）的地址即為 0x40011000 +0x04, 加上的0x04 正是代表 4 個(gè)字節(jié)地址的偏移量。

0x04 偏移量正是 GPIOx_CRH 寄存器相對(duì)于所在寄存器組的偏移地址。 同理，GPIO_TypeDef 結(jié)構(gòu)體內(nèi)其他變量的偏移量，也與相應(yīng)的寄存器偏移地址相符。 于是，只要我們匹配了結(jié)構(gòu)體的首地址，就可以確定各寄存器的具體地址了。

GPIOA_BASE 在前文已解析，是一個(gè)代表 GPIOA組寄存器的基地址。“（GPIO_TypeDef *）”在這里的作用則是把 GPIOA_BASE 地址轉(zhuǎn)換為 GPIO_TypeDef結(jié)構(gòu)體指針類型。有了這樣的宏，以后我們寫代碼的時(shí)候，如果要修改GPIO 的寄存器，就可用修改以下代碼的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

GPIO_TypeDef * GPIOx; //定義一個(gè) GPIO_TypeDef 型結(jié)構(gòu)體指針 GPIOx
GPIOx = GPIOA; //把指針地址設(shè)置為宏 GPIOA 地址
GPIOx->CRL = 0xffffffff; //通過(guò)指針訪問(wèn)并修改 GPIOA_CRL 寄存器

通過(guò)類似的方式，我們就可以給具體的寄存器寫上適當(dāng)?shù)膮?shù)以控制 STM32 了。這樣我們就可以通過(guò)庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了GPIO的初始化了。

/**
 * @brief  初始化LED的GPIO
 * @param  None
 * @retval None
 */
void LED_GPIO_Config(void)
{            
        /*定義一個(gè)GPIO_InitTypeDef類型的結(jié)構(gòu)體*/
        GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;


        /*開(kāi)啟LED的外設(shè)時(shí)鐘*/
       RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOG, ENABLE);


        /*設(shè)置IO口*/                                                                    
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode= GPIO_Mode_Out_PP; //設(shè)置引腳模式為通用推挽輸出
        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed= GPIO_Speed_50MHz; //設(shè)置引腳速率為50MHz


        /*調(diào)用庫(kù)函數(shù)，初始化GPIOB0*/
        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin= GPIO_Pin_0;      //選擇要控制的GPIOB引腳       
        GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);    

        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin= GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;/*選擇要控制的引腳*/         
        GPIO_Init(GPIOG,&GPIO_InitStructure);   

        /*開(kāi)啟所有l(wèi)ed燈  */
        GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);
        GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7);       
}

當(dāng)然啦，上述代碼包含了時(shí)鐘的使能。

通過(guò)對(duì)時(shí)鐘和GPIO的分析，我想大家已經(jīng)對(duì)固件的邏輯有了一定的認(rèn)識(shí)，從本質(zhì)上講，都是在配置寄存器，只是地址和值不同罷了，而固件庫(kù)就是對(duì)寄存器配置的封裝，便于開(kāi)發(fā)者調(diào)用。

當(dāng)然啦，本文是基于標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)分析，HAL庫(kù)的邏輯也是一樣的，只是HAL功能更完善，封裝更徹底，后面也會(huì)詳細(xì)分析HAL庫(kù)的調(diào)用邏輯。

小貼士

1.assert_param

在STM32的固件庫(kù)和提供的例程中，到處都可以見(jiàn)到assert_param()的使用。如果打開(kāi)任何一個(gè)例程中的stm32f10x_conf.h文件，就可以看到實(shí)際上assert_param是一個(gè)宏定義；在固件庫(kù)中，它的作用就是檢測(cè)傳遞給函數(shù)的參數(shù)是否是有效的參數(shù)。

所謂有效的參數(shù)是指滿足規(guī)定范圍的參數(shù)，比如某個(gè)參數(shù)的取值范圍只能是小于3的正整數(shù)，如果給出的參數(shù)大于3，則這個(gè)assert_param()可以在運(yùn)行的程序調(diào)用到這個(gè)函數(shù)時(shí)報(bào)告錯(cuò)誤，使程序員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，而不必等到程序運(yùn)行結(jié)果的錯(cuò)誤而大費(fèi)周折。這是一種常見(jiàn)的軟件技術(shù)，可以在調(diào)試階段幫助程序員快速地排除那些明顯的錯(cuò)誤。它確實(shí)在程序的運(yùn)行上犧牲了效率(但只是在調(diào)試階段)，但在項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)上卻幫助你提高了效率。

當(dāng)你的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)成功，使用release模式編譯之后，或在stm32f10x_conf.h文件中注釋掉對(duì)USE_FULL_ASSERT的宏定義，所有的assert_param()檢驗(yàn)都消失了，不會(huì)影響最終程序的運(yùn)行效率。在執(zhí)行assert_param()的檢驗(yàn)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)參數(shù)出錯(cuò)，它會(huì)調(diào)用函數(shù)assert_failed()向程序員報(bào)告錯(cuò)誤，在任何一個(gè)例程中的main.c中都有這個(gè)函數(shù)的模板，如下：

void assert_failed(uint8_t*file, uint32_t line)
{

while (1)
{}
}

你可以按照自己使用的環(huán)境需求，添加適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)句輸出錯(cuò)誤的信息提示，或修改這個(gè)函數(shù)做出適當(dāng)?shù)腻e(cuò)誤處理。

1、STM32F10xD.LIB是DEBUG模式的庫(kù)文件。

2、STM32F10xR.LIB是Release模式的庫(kù)文件。

3、要選擇DEBUG和RELEASE模式，需要修改stm32f10x_conf.h的內(nèi)容。#define DEBUG 表示DEBUG模式，把該語(yǔ)句注釋掉，則為RELEASE模式。

4、要選擇DEBUG和RELEASE模式，也可以在Options,C/C++,Define里填入DEBUG的預(yù)定義。這樣，就不需要修改stm32f10x_conf.h的內(nèi)容。

5、如果把庫(kù)加入項(xiàng)目，則不需要將ST的庫(kù)源文件加入項(xiàng)目，比較方便。但是，庫(kù)的選擇要和DEBUG預(yù)定義對(duì)應(yīng)。

2.__I、 __O 、__IO的含義

這是ST庫(kù)里面的宏定義，定義如下：

#define     __I     volatile const             /*!< defines 'read only' permissions      */
#define     __O    volatile                  /*!< defines 'write only'permissions     */
#define     __IO   volatile                  /*!

顯然，這三個(gè)宏定義都是用來(lái)替換成 volatile 和 const 的，所以我們先要了解這兩個(gè)關(guān)鍵字的作用：

__I ：輸入口。既然是輸入，那么寄存器的值就隨時(shí)會(huì)外部修改，那就不能進(jìn)行優(yōu)化，每次都要重新從寄存器中讀取。也不能寫，即只讀，不然就不是輸入而是輸出了。

__O ：輸出口，也不能進(jìn)行優(yōu)化，不然你連續(xù)兩次輸出相同值，編譯器認(rèn)為沒(méi)改變，就忽略了后面那一次輸出，假如外部在兩次輸出中間修改了值，那就影響輸出。

__IO：輸入輸出口，同上

為什么加下劃線？

原因是：避免命名沖突

一般宏定義都是大寫，但因?yàn)檫@里的字母比較少，所以再添加下劃線來(lái)區(qū)分。這樣一般都可以避免命名沖突問(wèn)題，因?yàn)楹苌偃诉@樣命名，這樣命名的人肯定知道這些是有什么用的。

經(jīng)常寫大工程時(shí)，都會(huì)發(fā)現(xiàn)老是命名沖突，要不是全局變量沖突，要不就是宏定義沖突，所以我們要盡量避免這些問(wèn)題，不然出問(wèn)題了都不知道問(wèn)題在哪里。