2019年09月18日 | 第8章 自己写库-构建库函数雏形—零死角玩转STM32-F429系列

本章参考资料：《STM32F4xx 中文参考手册》、《STM32F429规格书》

虽然我们上面用寄存器点亮了 LED，乍看一下好像代码也很简单，但是我们别侥幸以后就可以一直用寄存器开发。在用寄存器点亮 LED 的时候，我们会发现 STM32 的寄存器都是 32 位的，每次配置的时候都要对照着《STM32F4xx参考手册》中寄存器的说明，然后根据说明对每个控制的寄存器位写入特定参数，因此在配置的时候非常容易出错，而且代码还很不好理解，不便于维护。所以学习 STM32 最好的方法是用软件库，然后在软件库的基础上了解底层，学习遍所有寄存器。

8.1 什么是STM32函数库

以上所说的软件库是指"STM32标准函数库"，它是由ST公司针对STM32提供的函数接口，即API (Application Program Interface)，开发者可调用这些函数接口来配置STM32的寄存器，使开发人员得以脱离最底层的寄存器操作，有开发快速，易于阅读，维护成本低等优点。

当我们调用库API的时候不需要挖空心思去了解库底层的寄存器操作，就像当年我们刚开始学习C语言的时候，用prinft()函数时只是学习它的使用格式，并没有去研究它的源码实现，但需要深入研究的时候，经过千锤百炼的库API源码就是最佳学习范例。

实际上，库是架设在寄存器与用户驱动层之间的代码，向下处理与寄存器直接相关的配置，向上为用户提供配置寄存器的接口。库开发方式与直接配置寄存器方式的区别见图 81。

图 81 开发方式对比图

8.2

为什么采用库来开发及学习？

在以前8位机时代的程序开发中，一般直接配置芯片的寄存器，控制芯片的工作方式，如中断，定时器等。配置的时候，常常要查阅寄存器表，看用到哪些配置位，为了配置某功能，该置1还是置0。这些都是很琐碎的、机械的工作，因为8位机的软件相对来说较简单，而且资源很有限，所以可以直接配置寄存器的方式来开发。

对于STM32，因为外设资源丰富，带来的必然是寄存器的数量和复杂度的增加，这时直接配置寄存器方式的缺陷就突显出来了：

(1)    开发速度慢

(2)    程序可读性差

(3)    维护复杂

这些缺陷直接影响了开发效率，程序维护成本，交流成本。库开发方式则正好弥补了这些缺陷。

而坚持采用直接配置寄存器的方式开发的程序员，会列举以下原因：

(1)    具体参数更直观

(2)    程序运行占用资源少

相对于库开发的方式，直接配置寄存器方式生成的代码量的确会少一点，但因为STM32有充足的资源，权衡库的优势与不足，绝大部分时候，我们愿意牺牲一点CPU资源，选择库开发。一般只有在对代码运行时间要求极苛刻的地方，才用直接配置寄存器的方式代替，如频繁调用的中断服务函数。

对于库开发与直接配置寄存器的方式，就好比编程是用汇编好还是用 C 好一样。在STM32F1系列刚推出函数库时引起程序员的激烈争论，但是，随着ST库的完善与大家对库的了解，更多的程序员选择了库开发。现在STM32F1系列和STM32F4系列各有一套自己的函数库，但是它们大部分是兼容的，F1和F4之间的程序移植，只需要小修改即可。而如果要移植用寄存器写的程序，我只想说："呵呵"。

用库来进行开发，市场已有定论，用户群说明了一切，但对于STM32的学习仍然有人认为用寄存器好，而且汇编不是还没退出大学教材么？认为这种方法直观，能够了解到是配置了哪些寄存器，怎样配置寄存器。事实上，库函数的底层实现恰恰是直接配置寄存器方式的最佳例子，它代替我们完成了寄存器配置的工作，而想深入了解芯片是如何工作的话，只要直接查看库函数的最底层实现就能理解，相信你会为它严谨、优美的实现方式而陶醉，要想修炼C语言，就从ST的库开始吧。所以在以后的章节中，使用软件库是我们的重点，而且我们通过讲解库API去高效地学习STM32的寄存器，并不至于因为用库学习，就不会用寄存器控制STM32芯片。

8.3 实验：构建库函数雏形

虽然库的优点多多，但很多人对库还是很忌惮，因为一开始用库的时候有很多代码，很多文件，不知道如何入手。不知道您是否认同这么一句话：一切的恐惧都来源于认知的空缺。我们对库忌惮那是因为我们不知道什么是库，不知道库是怎么实现的。

接下来，我们在寄存器点亮 LED 的代码上继续完善，把代码一层层封装，实现库的最初的雏形，相信经过这一步的学习后，您对库的运用会游刃有余。这里我们只讲如何实现GPIO函数库，其他外设的我们直接参考ST标准库学习即可，不必自己写。

下面请打开本章配套例程"构建库函数雏形"来阅读理解，该例程是在上一章的基础上修改得来的。

8.3.1 修改寄存器地址封装

上一章中我们在操作寄存器的时候，操作的是都寄存器的绝对地址，如果每个外设寄存器都这样操作，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。

在工程中的"stm32f4xx.h"文件中，我们使用结构体封装GPIO及RCC外设的的寄存器，见代码清单 81。结构体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。如不理解C语言对寄存器的封的语法原理，请参考《C语言对寄存器的封装》小节。

代码清单 81 封装寄存器列表

1 //volatile表示易变的变量，防止编译器优化

2 #define __IO volatile

3 typedef unsigned int uint32_t;

4 typedef unsigned short uint16_t;

5

6 /* GPIO寄存器列表 */

7 typedef struct {

8 __IO uint32_t MODER; /*GPIO模式寄存器地址偏移: 0x00 */

9 __IO uint32_t OTYPER; /*GPIO输出类型寄存器地址偏移: 0x04 */

10 __IO uint32_t OSPEEDR; /*GPIO输出速度寄存器地址偏移: 0x08 */

11 __IO uint32_t PUPDR; /*GPIO上拉/下拉寄存器地址偏移: 0x0C */

12 __IO uint32_t IDR; /*GPIO输入数据寄存器地址偏移: 0x10 */

13 __IO uint32_t ODR; /*GPIO输出数据寄存器地址偏移: 0x14 */

14 __IO uint16_t BSRRL; /*GPIO置位/复位寄存器低16位部分地址偏移: 0x18 */

15 __IO uint16_t BSRRH; /*GPIO置位/复位寄存器高16位部分地址偏移: 0x1A */

16 __IO uint32_t LCKR; /*GPIO配置锁定寄存器地址偏移: 0x1C */

17 __IO uint32_t AFR[2]; /*GPIO复用功能配置寄存器地址偏移: 0x20-0x24 */

18 } GPIO_TypeDef;

19

20 /*RCC寄存器列表*/

21 typedef struct {

22 __IO uint32_t CR; /*!< RCC 时钟控制寄存器,地址偏移: 0x00 */

23 __IO uint32_t PLLCFGR; /*!< RCC PLL配置寄存器,地址偏移: 0x04 */

24 __IO uint32_t CFGR; /*!< RCC 时钟配置寄存器,地址偏移: 0x08 */

25 __IO uint32_t CIR; /*!< RCC 时钟中断寄存器,地址偏移: 0x0C */

26 __IO uint32_t AHB1RSTR; /*!< RCC AHB1 外设复位寄存器,地址偏移: 0x10 */

27 __IO uint32_t AHB2RSTR; /*!< RCC AHB2 外设复位寄存器,地址偏移: 0x14 */

28 __IO uint32_t AHB3RSTR; /*!< RCC AHB3 外设复位寄存器,地址偏移: 0x18 */

29 __IO uint32_t RESERVED0; /*!< 保留, 地址偏移：0x1C */

30 __IO uint32_t APB1RSTR; /*!< RCC APB1 外设复位寄存器,地址偏移: 0x20 */

31 __IO uint32_t APB2RSTR; /*!< RCC APB2 外设复位寄存器,地址偏移: 0x24*/

32 __IO uint32_t RESERVED1[2]; /*!< 保留,地址偏移：0x28-0x2C*/

33 __IO uint32_t AHB1ENR; /*!< RCC AHB1 外设时钟寄存器,地址偏移: 0x30 */

34 __IO uint32_t AHB2ENR; /*!< RCC AHB2 外设时钟寄存器,地址偏移: 0x34 */

35 __IO uint32_t AHB3ENR; /*!< RCC AHB3 外设时钟寄存器,地址偏移: 0x38 */

36 /*RCC后面还有很多寄存器，此处省略*/

37 } RCC_TypeDef;

这段代码在每个结构体成员前增加了一个"__IO"前缀，它的原型在这段代码的第一行，代表了C语言中的关键字"volatile"，在C语言中该关键字用于表示变量是易变的，要求编译器不要优化。这些结构体内的成员，都代表着寄存器，而寄存器很多时候是由外设或STM32芯片状态修改的，也就是说即使CPU不执行代码修改这些变量，变量的值也有可能被外设修改、更新，所以每次使用这些变量的时候，我们都要求CPU去该变量的地址重新访问。若没有这个关键字修饰，在某些情况下，编译器认为没有代码修改该变量，就直接从CPU的某个缓存获取该变量值，这时可以加快执行速度，但该缓存中的是陈旧数据，与我们要求的寄存器最新状态可能会有出入。

8.3.2 定义访问外设的结构体指针

以结构体的形式定义好了外设寄存器后，使用结构体前还需要给结构体的首地址赋值，才能访问到需要的寄存器。为方便操作，我们给每个外设都定义好指向它地址的结构体指针，见代码清单 82。

代码清单 82 指向外设首地址的结构体指针

1 /*定义GPIOA-H 寄存器结构体指针*/

2 #define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)

3 #define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)

4 #define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)

5 #define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)

6 #define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)

7 #define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)

8 #define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)

9 #define GPIOH ((GPIO_TypeDef *) GPIOH_BASE)

10

11 /*定义RCC外设寄存器结构体指针*/

12 #define RCC ((RCC_TypeDef *) RCC_BASE)

这些宏通过强制把外设的基地址转换成GPIO_TypeDef类型的地址，从而得到GPIOA、GPIOB等直接指向对应外设的指针，通过结构体的指针操作，即可访问对应外设的寄存器。

利用这些指针访问寄存器，我们把main文件里对应的代码修改掉，见代码清单 83。

代码清单 83 使用结构体指针方式控制LED灯

1 /**

2 * 主函数

3 */

4 int main(void)

5 {

6

7 RCC->AHB1ENR |= (1<<7);

8

9 /* LED 端口初始化 */

10

11 /*GPIOH MODER10清空*/

12 GPIOH->MODER &= ~( 0x03<< (2*10));

13 /*PH10 MODER10 = 01b 输出模式*/

14 GPIOH->MODER |= (1<<2*10);

15

16 /*GPIOH OTYPER10清空*/

17 GPIOH->OTYPER &= ~(1<<1*10);

18 /*PH10 OTYPER10 = 0b 推挽模式*/

19 GPIOH->OTYPER |= (0<<1*10);

20

21 /*GPIOH OSPEEDR10清空*/

22 GPIOH->OSPEEDR &= ~(0x03<<2*10);

23 /*PH10 OSPEEDR10 = 0b 速率2MHz*/

24 GPIOH->OSPEEDR |= (0<<2*10);

25

26 /*GPIOH PUPDR10清空*/

27 GPIOH->PUPDR &= ~(0x03<<2*10);

28 /*PH10 PUPDR10 = 01b 上拉模式*/

29 GPIOH->PUPDR |= (1<<2*10);

30

31 /*PH10 BSRR寄存器的 BR10置1，使引脚输出低电平*/

32 GPIOH->BSRRH |= (1<<10);

33

34 /*PH10 BSRR寄存器的 BS10置1，使引脚输出高电平*/

35 //GPIOH->BSRRL |= (1<<10);

36

37 while (1);

38

39 }

乍一看，除了最后一部分，把BSRR寄存器分成BSRRH和BSRRL两段，其它部分跟直接用绝对地址访问只是名字改了而已，用起来跟上一章没什么区别。这是因为我们现在只实现了库函数的基础，还没有定义库函数。

打好了地基，下面我们就来建高楼。接下来使用函数来封装GPIO的基本操作，方便以后应用的时候不需要再查询寄存器，而是直接通过调用这里定义的函数来实现。我们把针对GPIO外设操作的函数及其宏定义分别存放在"stm32f4xx_gpio.c"和"stm32f4xx_gpio.h"文件中。

定义位操作函数

在"stm32f4xx_gpio.c"文件定义两个位操作函数，分别用于控制引脚输出高电平和低电平，见代码清单 84。

代码清单 84 GPIO置位函数与复位函数的定义

1 /**

2 *函数功能：设置引脚为高电平

3 *参数说明：GPIOx:该参数为GPIO_TypeDef类型的指针，指向GPIO端口的地址

4 * GPIO_Pin:选择要设置的GPIO端口引脚，可输入宏GPIO_Pin_0-15，

5 * 表示GPIOx端口的0-15号引脚。

6 */

7 void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

8 {

9 /*设置GPIOx端口BSRRL寄存器的第GPIO_Pin位，使其输出高电平*/

10 /*因为BSRR寄存器写0不影响，

11 宏GPIO_Pin只是对应位为1，其它位均为0，所以可以直接赋值*/

12

13 GPIOx->BSRRL = GPIO_Pin;

14 }

15

16 /**

17 *函数功能：设置引脚为低电平

18 *参数说明：GPIOx:该参数为GPIO_TypeDef类型的指针，指向GPIO端口的地址

19 * GPIO_Pin:选择要设置的GPIO端口引脚，可输入宏GPIO_Pin_0-15，

20 * 表示GPIOx端口的0-15号引脚。

21 */

22 void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

23 {

24 /*设置GPIOx端口BSRRH寄存器的第GPIO_Pin位,使其输出低电平*/

25 /*因为BSRR寄存器写0不影响，

26 宏GPIO_Pin只是对应位为1，其它位均为0，所以可以直接赋值*/

27

28 GPIOx->BSRRH = GPIO_Pin;

29 }

这两个函数体内都是只有一个语句，对GPIOx的BSRRL或BSRRH寄存器赋值，从而设置引脚为高电平或低电平。其中GPIOx是一个指针变量，通过函数的输入参数我们可以修改它的值，如给它赋予GPIOA、GPIOB、GPIOH等结构体指针值，这个函数就可以控制相应的GPIOA、GPIOB、GPIOH等端口的输出。

对比我们前面对BSRR寄存器的赋值，都是用"|="操作来防止对其它数据位产生干扰的，为何此函数里的操作却直接用"="号赋值，这样不怕干扰其它数据位吗？见代码清单 85。

代码清单 85 赋值方式对比

1 /*使用 "|=" 来赋值*/

2 GPIOH->BSRRH |= (1<<10);

3 /*直接使用 "=" 号赋值*/

4 GPIOx->BSRRH = GPIO_Pin;

根据BSRR寄存器的特性，对它的数据位写"0"，是不会影响输出的，只有对它的数据位写"1"，才会控制引脚输出。对低16位写"1"输出高电平，对高16位写"1"输出低电平。也就是说，假如我们对BSRRH(高16位)直接用"="操作赋二进制值"0000 0000 0000 0001 b"，它会控制GPIO的引脚0输出低电平，赋二进制值"0000 0000 0001 0000 b"，它会控制GPIO引脚4输出低电平，而其它数据位由于是0，所以不会受到干扰。同理，对BSRRL(低16位)直接赋值也是如此，数据位为1的位输出高电平。代码清单 86 中的两种方式赋值，功能相同。

代码清单 86 BSRR寄存器赋值等效代码

1 /*使用 "|=" 来赋值*/

2 GPIOH->BSRRH |= (uint16_t)(1<<10);

3 /*直接使用"=" 来赋值，二进制数(0000 0100 0000 0000)*/

4 GPIOH->BSRRH = (uint16_t)(1<<10);

这两行代码功能等效，都把BSRRH的bit10设置为1，控制引脚10输出低电平，且其它引脚状态不变。但第二个语句操作效率是比较高的，因为"|="号包含了读写操作，而"="号只需要一个写操作。因此在定义位操作函数中我们使用后者。

利用这两个位操作函数，就可以方便地操作各种GPIO的引脚电平了，控制各种端口引脚的范例见代码清单 87。

代码清单 87 位操作函数使用范例

1

2 /*控制GPIOH的引脚10输出高电平*/

3 GPIO_SetBits(GPIOH,(uint16_t)(1<<10));

4 /*控制GPIOH的引脚10输出低电平*/

5 GPIO_ResetBits(GPIOH,(uint16_t)(1<<10));

6

7 /*控制GPIOH的引脚10、引脚11输出高电平，使用"|"同时控制多个引脚*/

8 GPIO_SetBits(GPIOH,(uint16_t)(1<<10)|(uint16_t)(1<<11));

9 /*控制GPIOH的引脚10、引脚11输出低电平*/

10 GPIO_ResetBits(GPIOH,(uint16_t)(1<<10)|(uint16_t)(1<<10));

11

12 /*控制GPIOA的引脚8输出高电平*/

13 GPIO_SetBits(GPIOA,(uint16_t)(1<<8));

14 /*控制GPIOB的引脚9输出低电平*/

15 GPIO_ResetBits(GPIOB,(uint16_t)(1<<9));

使用以上函数输入参数，设置引脚号时，还是稍感不便，为此我们把表示16个引脚的操作数都定义成宏，见代码清单 88。

代码清单 88 选择引脚参数的宏

1 /*GPIO引脚号定义*/

2 #define GPIO_Pin_0 (uint16_t)0x0001) /*!< 选择Pin0 (1<<0) */

3 #define GPIO_Pin_1 ((uint16_t)0x0002) /*!< 选择Pin1 (1<<1)*/

4 #define GPIO_Pin_2 ((uint16_t)0x0004) /*!< 选择Pin2 (1<<2)*/

5 #define GPIO_Pin_3 ((uint16_t)0x0008) /*!< 选择Pin3 (1<<3)*/

6 #define GPIO_Pin_4 ((uint16_t)0x0010) /*!< 选择Pin4 */

7 #define GPIO_Pin_5 ((uint16_t)0x0020) /*!< 选择Pin5 */

8 #define GPIO_Pin_6 ((uint16_t)0x0040) /*!< 选择Pin6 */

9 #define GPIO_Pin_7 ((uint16_t)0x0080) /*!< 选择Pin7 */

10 #define GPIO_Pin_8 ((uint16_t)0x0100) /*!< 选择Pin8 */

11 #define GPIO_Pin_9 ((uint16_t)0x0200) /*!< 选择Pin9 */

12 #define GPIO_Pin_10 ((uint16_t)0x0400) /*!< 选择Pin10 */

13 #define GPIO_Pin_11 ((uint16_t)0x0800) /*!< 选择Pin11 */

14 #define GPIO_Pin_12 ((uint16_t)0x1000) /*!< 选择Pin12 */

15 #define GPIO_Pin_13 ((uint16_t)0x2000) /*!< 选择Pin13 */

16 #define GPIO_Pin_14 ((uint16_t)0x4000) /*!< 选择Pin14 */

17 #define GPIO_Pin_15 ((uint16_t)0x8000) /*!< 选择Pin15 */

18 #define GPIO_Pin_All ((uint16_t)0xFFFF) /*!< 选择全部引脚 */

这些宏代表的参数是某位置"1"其它位置"0"的数值，其中最后一个"GPIO_Pin_ALL"是所有数据位都为"1"，所以用它可以一次控制设置整个端口的0-15所有引脚。利用这些宏， GPIO的控制代码可改为代码清单 89。

代码清单 89 使用位操作函数及宏控制GPIO

1

2 /*控制GPIOH的引脚10输出高电平*/

3 GPIO_SetBits(GPIOH,GPIO_Pin_10);

4 /*控制GPIOH的引脚10输出低电平*/

5 GPIO_ResetBits(GPIOH,GPIO_Pin_10);