2020年02月27日 | STM32直接操作寄存器点亮第一个LED灯

来做个实验：不依赖任何库，直接操作寄存器点亮第一个LED灯

分析上图可知，四个led灯等分别连接着STM32F407的四个引脚，引脚输出低电平，led亮，输出高电平，led灭

因为STM32与51单片机不同，它多一个时钟系统，旨在产生不同频率供不同设备使用，使用之前，必须先开启对应的时钟，所以在控制GPIO寄存器之前，我们要先打开GPIOF组的时钟

通过查找《STM32F4xx中文参考手册》第53页得知，RCC的基地址（也就是起始地址）为0x40023800，在135页查得其外设时钟使能寄存器的偏移地址为0x30，该偏移是相对于RCC基地址的偏移，因此计算外设时钟使能寄存器的地址为：

RCC_AHB1ENR = RCCADDR+0x30

=0x40023800+0x30

RCC_AHB1ENR是一个32位的寄存器，其中第5位控制这GPIOF的时钟，从下图中可看出，要想使能GPIOF时钟，需使相应位置1

（0x40023800+0x30）代表着寄存器RCC_AHB1ENR的地址，我们操作寄存器一般都是通过C语言中的指针去操作，因此需将这个地址先转型为指针

(volatile unsigned int *)(0x40023800+0x30)    //强转为unsigned int型的指针

接下来便是对寄存器中的内容进行操作

*((volatile unsigned int *)(0x40023800+0x30))  |=  (0x01<<5);   

//最左边 * 的作用，解引用；此时左边代表着寄存器中的内容

//右边，位带操作，只改变第五位的值，不影响其他位的值

//假设原来寄存器中的值未知（但每一位的值无非也就是0或1），将运算展开如下，

//                       xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx 

//  （0x01<<5）  等       0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0000         

//   第五为，不管什么值，或上1后肯定为1  ；其他位，或上0不变，为原来的值

打开GPIO对应的时钟后，接下来要配置GPIO寄存器

以配置端口模式寄存器GPIOx_MODER为例，只要能看懂一个，其他寄存器的配置都是大同小异；

通过查看手册53页，可以看到GPIOF的基地址为0x40021400，在这里我们要使用的是PF9引脚，因此配置GPIOx_MODER时，它的偏移地址就相对于GPIOF的基地址而言，

同样的，在这里我们要对模式寄存器GPIOF_MODER进行赋值，先将其地址强转为指针，

(volatile unsigned int *)(0x40021400+0x00)

通过指针解引用对寄存器中内容进行赋值操作

*((volatile unsigned int *)(0x40021400+0x00))  &= ~(0x03<<2*9);

*((volatile unsigned int *)(0x40021400+0x00))  |= (0x01<<2*9);

//在这里我们是需要将19和18位中的数据赋值为0和1，代表着将PF9选择为输出模式

//同时为了不影响其他位的数值，先将19和18位这两位清零，然后或上01，

接着配置端口输出类型寄存器（GPIOF_OTYPER）

将其地址强转为指针：

(volatile unsigned int *)(0x40021400+0x04)

通过解引用指针对寄存器中内容操作：

*((volatile unsigned int *)(0x40021400+0x04)) &= ~(0x01<<9);

//将第九位置零，为引脚PF9选择推挽输出

接下来是GPIO端口输出速度寄存器

其实这里端口输出速度对于我们点亮led灯没有什么实际用处，陪不配置都行，不过在这里我们还是给它配置一个50Hz的输出速度：

    *((volatile unsigned int *)(0x40021400+0x08)) &= ~(0x03<<2*9);   

    *((volatile unsigned int *)(0x40021400+0x08)) |= (0x02<<2*9);

配置上拉或下拉

在这里我们选择配置为带上拉输出：

 *((volatile unsigned int *)(0x40021400+0x0C)) &= ~(0x03<<2*9);   

    *((volatile unsigned int *)(0x40021400+0x0C)) |= (0x01<<2*9);

最后终于到我们的数据输出寄存器了

将该寄存器中的第九位数值赋0，即可让LED0亮

*((volatile unsigned int *)(0x40021400+0x014)) &= ~(0x01<<9);  

上面我们配置了那么多个寄存器，现在来汇总一下点亮第一个LED灯的最终版代码：

/*

 *点亮第一个LED      led.c

 *引脚PF9对应着LED0，当PF9输出低电平时，LED0亮

 */

int main(void)

{

    // 开启时钟  GPIOF

    *((volatile unsigned int *)(0x40023800+0x30))  |=  (0x01<<5);    

    // 选择PF9的模式为输出模式

    *((volatile unsigned int *)(0x40021400+0x00))  &= ~(0x03<<2*9);

    *((volatile unsigned int *)(0x40021400+0x00))  |= (0x01<<2*9);

    //配置PF9的输出类型为推挽输出

    *((volatile unsigned int *)(0x40021400+0x04)) &= ~(0x01<<9);

    //配置PF9的输出速度为50Hz

    *((volatile unsigned int *)(0x40021400+0x08)) &= ~(0x03<<2*9);   

    *((volatile unsigned int *)(0x40021400+0x08)) |= (0x02<<2*9);

    //配置PF9 为带上拉输出

    *((volatile unsigned int *)(0x40021400+0x0C)) &= ~(0x03<<2*9);   

    *((volatile unsigned int *)(0x40021400+0x0C)) |= (0x01<<2*9);

    //PF9输出低电平，LED0亮

   *((volatile unsigned int *)(0x40021400+0x014)) &= ~(0x01<<9);  

}

没错，上面就是不依赖任何库，通过直接操作寄存器来实现的点亮第一个LED

（话说翻看手册看得有点眼花，这是正常的，因为寄存器实在是太多了……）

而且有没有发现，上面的代码基本上是对一堆数字（地址）进行操作，一旦离开手册，你又如何记得那些数字代表什么呢？纵使记忆力惊人，这全部记下来也是不现实的，那么接下来我们将它包装一下，让它看起来人性化一点：

/*

 *新版本的led.c

*/

#define RCC_BASEADDR     0x40023800

#define RCC_AHB1ENR      *((volatile unsigned int *)(0x40023800+0x30))

#define GPIOF_BASEADDR   0x40021400

#define GPIOF_MODER      *((volatile unsigned int *)(GPIOF_BASEADDR+0x00)) 

#define GPIOF_OTYPER     *((volatile unsigned int *)(GPIOF_BASEADDR+0x04))

#define GPIOF_OSPEEDR    *((volatile unsigned int *)(GPIOF_BASEADDR+0x08))

#define GPIOF_PUPDR      *((volatile unsigned int *)(GPIOF_BASEADDR+0x0C))

#define GPIOF_ODR        *((volatile unsigned int *)(GPIOF_BASEADDR+0x014))

//通过上面的一些宏定义，我们用一些通俗易看的单词简写组合去代表寄存器，

//下面，则可以通过这些替代的符号对寄存器中的内存进行操作

// 开启时钟  GPIOF

RCC_AHB1ENR  |=  (0x01<<5);    

// 选择PF9的模式为输出模式

GPIOF_MODER  &= ~(0x03<<2*9);

GPIOF_MODER  |= (0x01<<2*9);

//配置PF9的输出类型为推挽输出

GPIOF_OTYPER &= ~(0x01<<9);

//配置PF9的输出速度为50Hz

GPIOF_OSPEEDR &= ~(0x03<<2*9);   

GPIOF_OSPEEDR |= (0x02<<2*9);

//配置PF9 为带上拉输出

GPIOF_PUPDR &= ~(0x03<<2*9);   

GPIOF_PUPDR |= (0x01<<2*9);

//PF9输出低电平，LED0亮

GPIOF_ODR &= ~(0x01<<9); 

上面的代码看起来，是不是相对舒服了点，起码左边的单词我大概能看懂是什么意思了，至于右边，是位带运算的赋值操作，这个看不懂的话就要复习C语言了

关于STM32中的地址映射

之所以说STM32是32位单片机，是因为它由32根地址线，可产生2的32次方=4G的寻址空间，不过这4G 的地址空间ARM公司在设计内核的时候已经已经大致分配好了。它把从0x40000000至0x5FFFFFFF（512MB）的地址分配给片上外设。通过把片上外设的寄存器映射到地址区，就可以简单的以访问内存的方式，访问这些外设的寄存器，从而控制外设的工作。

下面来粗略描绘一下如何查找一个寄存器的地址：

总结一下，我们在上面要操作的寄存器，无非都是要先找到该寄存器在内存空间中的地址，然后将地址强转为指针，通过指针去操作寄存器中的值，这也告诉我们，C语言指针在实际应用中是非常重要的！！！务必要熟练掌握指针的运算，这样面对这些代码才不会晕头转向的。

那么针对于上面的新版led.c ，我们还可以再进行改版，，因为我们发现，上面仅仅是配置一个引脚PF9，就用了很多个宏定义；那么我要使用其他组别的GPIO口，也要给出类似那么多个宏定义，如下：

#define GPIOA_BASEADDR 0x40020000

#define GPIOE_BASEADDR 0x40021000

#define GPIOF_BASEADDR 0x40021400

#define GPIOA_MODER    *((volatile unsigned int *)(GPIOA_BASEADDR+0x00))  //GPIOA组

#define GPIOA_OTYPER   *((volatile unsigned int *)(GPIOA_BASEADDR+0x04))

#define GPIOA_OSPEEDR  *((volatile unsigned int *)(GPIOA_BASEADDR+0x08))

#define GPIOA_PUPDR    *((volatile unsigned int *)(GPIOA_BASEADDR+0x0C))

#define GPIOA_IDR   *((volatile unsigned int *)(GPIOA_BASEADDR+0x010))

#define GPIOE_MODER    *((volatile unsigned int *)(GPIOE_BASEADDR+0x00))  //GPIOE组

#define GPIOE_OTYPER   *((volatile unsigned int *)(GPIOE_BASEADDR+0x04))

#define GPIOE_OSPEEDR  *((volatile unsigned int *)(GPIOE_BASEADDR+0x08))

#define GPIOE_PUPDR    *((volatile unsigned int *)(GPIOE_BASEADDR+0x0C))

#define GPIOE_IDR   *((volatile unsigned int *)(GPIOE_BASEADDR+0x010))

#define GPIOE_ODR   *((volatile unsigned int *)(GPIOE_BASEADDR+0x014))

#define GPIOF_MODER    *((volatile unsigned int *)(GPIOF_BASEADDR+0x00))  //GPIOF组

#define GPIOF_OTYPER   *((volatile unsigned int *)(GPIOF_BASEADDR+0x04))

#define GPIOF_OSPEEDR  *((volatile unsigned int *)(GPIOF_BASEADDR+0x08))

#define GPIOF_PUPDR    *((volatile unsigned int *)(GPIOF_BASEADDR+0x0C))

#define GPIOF_ODR   *((volatile unsigned int *)(GPIOF_BASEADDR+0x014))

但是查看上面的代码，又发现他们其实有相似之处，此处有没有很想艾特一下结构体呢？

没错，如果把每一组的GPIO当成一个结构体，那么他们的成员属性是相同的，假设我们这样定义一个结构体：

typedef struct{

//根据结构体字节对齐原则，可以得到每个成员的地址偏移如下    

    volatile unsigned int MODER;            //0x00

    volatile unsigned int OTYPER;           //0x04

    volatile unsigned int OSPEEDR;          //0x08

    volatile unsigned int PUPDR;            //0x0c

    volatile unsigned int IDR;              //0x10

    volatile unsigned int ODR;              //0x14

}GPIO_Typedef;

//此时GPIO_Typedef是结构体类型，类似于int类型，要使用该类型的结构体，就定义相应的变量

此时这个结构体就可以大家共用了，它的地址偏移完全对得上号

//要使用哪一组的GPIO，则进行相应的宏定义

#define GPIOA_BASEADDR 0x40020000

#define GPIOE_BASEADDR 0x40021000

#define GPIOF_BASEADDR 0x40021400

#define GPIOA     (GPIO_Typedef *)(GPIOA_BASEADDR+0x00)

#define GPIOE     (GPIO_Typedef *)(GPIOE_BASEADDR+0x00)

#define GPIOF     (GPIO_Typedef *)(GPIOF_BASEADDR+0x00)

//此时GPIOF是一个GPIO_Typedef类型的指针，通过该指针可以通过->访问结构体成员

//例如要将PF9引脚设置成输出模式，就可以写成如下：

GPIOF->MODER &= ~(0x03<<2*9);

GPIOF->MODER |=  (0x03<<2*9);

经过上面的这么一些操作，我们又可以简化一些繁杂的操作了……可能到这里有些学过固件库的同学已经看得很熟悉了，，没错，这就是固件库的由来了（可以说是指针和结构体的完美结合），固件库其实就是将各种寄存器进行封装得到的固件库源码包(里面封装了各种外设接口)；我们平时开发主要也是用固件库进行开发，因为开发时间快，不用老是去翻看手册查各种寄存器，但是呢其实直接寄存器操作是效率更高的，因为固件库封装了一堆函数虽然让我们比较容易看懂了，但是函数的压栈出栈是要占用时间的；因此有时候根据需要我们也经常两者结合使用。