2019年09月29日 | 再造STM32---第六部分：自己写库—构建库函数雏形

       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。

本讲建议看火哥视频，很重要。

6.1 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6-1。

6.2 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。

6.3 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。

6.3.1 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 6-1。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6-1 封装寄存器列表

//volatile 表示易变的变量，防止编译器优化

#define __IO volatile

typedef unsigned int uint32_t;

typedef unsigned short uint16_t;

/* GPIO 寄存器列表 */

typedef struct {

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

} GPIO_TypeDef;

/*RCC 寄存器列表*/

typedef struct {

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

/*RCC 后面还有很多寄存器，此处省略*/

} 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。

6.3.2 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 6-2。

代码清单 6-2 指向外设首地址的结构体指针

/*定义 GPIOA-H 寄存器结构体指针*/

#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 GPIOH ((GPIO_TypeDef *) GPIOH_BASE)

/*定义 RCC 外设 寄存器结构体指针*/

#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 6-3。

代码清单 6-3 使用结构体指针方式控制 LED 灯

/**

* 主函数

*/

int main(void)

{

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

/* LED 端口初始化 */

/*GPIOH MODER10 清空*/

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

/*PH10 MODER10 = 01b 输出模式*/

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

/*GPIOH OTYPER10 清空*/

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

/*PH10 OTYPER10 = 0b 推挽模式*/

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

/*GPIOH OSPEEDR10 清空*/

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

/*PH10 OSPEEDR10 = 0b 速率 2MHz*/

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

/*GPIOH PUPDR10 清空*/

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

/*PH10 PUPDR10 = 01b 上拉模式*/

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

/*PH10 BSRR 寄存器的 BR10 置 1，使引脚输出低电平*/

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

/*PH10 BSRR 寄存器的 BS10 置 1，使引脚输出高电平*/

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

while (1);

}

       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 6-4。

代码清单 6-4 GPIO 置位函数与复位函数的定义

/**

*函数功能：设置引脚为高电平

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

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

* 表示 GPIOx 端口的 0-15 号引脚。

*/

void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

{

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

/*因为 BSRR 寄存器写 0 不影响，

宏 GPIO_Pin 只是对应位为 1，其它位均为 0，所以可以直接赋值*/

GPIOx->BSRRL = GPIO_Pin;

}

/**

*函数功能：设置引脚为低电平

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

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

* 表示 GPIOx 端口的 0-15 号引脚。

*/

void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

{

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

/*因为 BSRR 寄存器写 0 不影响，

宏 GPIO_Pin 只是对应位为 1，其它位均为 0，所以可以直接赋值*/

GPIOx->BSRRH = GPIO_Pin;

}

       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 6-5。

代码清单 6-5 赋值方式对比

/*使用 “|=” 来赋值*/

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

/*直接使用 "=" 号赋值*/

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 00000000 0001 b”，它会控制 GPIO 的引脚 0 输出低电平，赋二进制值“0000 0000 0001 0000b”，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 6-6 中的两种方式赋值，功能相同。

代码清单 6-6 BSRR 寄存器赋值等效代码

/*使用 “|=” 来赋值*/

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

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

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 6-7。

代码清单 6-7 位操作函数使用范例

/*控制 GPIOH 的引脚 10 输出高电平*/

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

/*控制 GPIOH 的引脚 10 输出低电平*/

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

/*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*/

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

/*控制 GPIOH 的引脚 10、引脚 11 输出低电平*/

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

/*控制 GPIOA 的引脚 8 输出高电平*/

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

/*控制 GPIOB 的引脚 9 输出低电平*/

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 6-8。

代码清单 6-8 选择引脚参数的宏

/*GPIO 引脚号定义*/

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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