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2022-05-29
【嵌入式】层层递进，了解库开发
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 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; 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) 有了这个位定义，我们刚刚的 代码就变成了： ADC->CR2=ADC_CR2_ADON 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). 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 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; 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; 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 } 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; 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) 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) 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) 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 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; 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; 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 */ 1 GPIOB->BRR = GPIO_Pin_0; （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; 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 } 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); 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 } 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); 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 ①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" 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 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） ②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 } 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; 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 } GPIOSpeed_TypeDef; 速度可以是10M，2M 或者50M，这个由端口配置寄存器的MODE 位控制，速度是针 对IO 口输出的时候而言，在输入的时候可以不用设置。 mode 也被封装成一个结构体： 1 typedef enum { 2 GPIO_Mode_AIN = 0x0, // 模拟输入 3 GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, // 浮空输入（复位后的状态） 4 GPIO_Mode_IPD = 0x28, // 下拉输入 5 GPIO_Mode_IPU = 0x48, // 上拉输入 6 GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, // 通用开漏输出 7 GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, // 通用推挽输出 8 GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, // 复用开漏输出 9 GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 // 复用推挽输出 10 } GPIOMode_TypeDef; IO 口的模式有8 种，输入输出各4 种，由端口配置寄存器的CNF 配置。平时用的最多 的就是通用推挽输出，可以输出高低电平，驱动能力大，一般用于接数字器件。至于剩下 的七种模式的用法和电路原理，我们在后面的GPIO 章节再详细讲解。 最终用固件库实现就变成这样： 1 // 定义一个GPIO_InitTypeDef 类型的结构体 2 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 3 4// 选择要控制的IO 口 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); 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); 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; 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); 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); 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 } 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 } 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。 C 语言 单片机 嵌入式
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