单片机入门学习五 STM32单片机学习二跑马灯程序衍生出的stm32编程基础

Love The Way You Lie 2022-06-02 09:57 258阅读 0赞

上篇文章 [单片机入门学习四 STM32单片机学习一 跑马灯程序和创建工程][STM32_] 仅介绍了入门程序及其编译运行过程，下面开始对stm32的一些基础知识做一个记录。

#### 1、stm32f103zet6（上篇问题3 stm32f103是什么） ####

上篇的跑马灯程序采用的开发板使用的mcu是stm32f103zet6，根据stm32系列产品命名规则，我们知道这款mcu为基于ARM®的32位微控制器、是增强型的、拥有144个引脚、512K字节的闪存存储器、采用LQFP封装、工作温度范围在-40℃~85℃。这款芯片包含的资源有 64KB SRAM（Static Random Access Memory静态随机存取存储器）、512KB FLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA（Direct Memory Access直接内存存取）控制器（公12个通道）、3个SPI（Serial Peripheral Interface串行外设接口）、2个IIC（Inter-Integrated Circuit集成电路总线）、5个串口、1个USB、1个CAN（控制器局域网络Controller Area Network）、3个12位ADC（Analog-to-Digital Converter模/数转换）、1个12位DAC（Digital-to-Analog Converter数/模转换）、1个SDIO（Secure Digital Input and Output安全数字输入输出卡）接口、1个FSMC（Flexible Static Memory Controller可变静态存储控制器）接口以及112个GPIO（General Purpose Input Output 通用输入/输出）口。  
下图是其系统结构图  
![系统结构][SouthEast]  
虽然上面已经将stm32f103zet6芯片系统构成已经介绍，但是下面的介绍是针对上图给的一个更直观的概况。  
stm32主要由四个驱动单元和四个被动单元构成。

*  四个驱动单元  
    
    
     *  Cortex™-M3内核Dcode总线（D-bus）
     *  系统总线（S-bus）
     *  通用DMA1
     *  通用DMA2
 *  四个被动单元  
    
    
     *  内部SRAM
     *  内部闪存存储器
     *  FSMC
     *  AHB到APB的桥（AHB2APBx） ,它连接所有的APB设备

ICode总线：该总线将Cortex™-M3内核的指令总线与闪存接口相连接。指令预取在此总线上完成。  
DCode总线：该总线将Cortex™-M3内核的DCode总线与闪存存储器的数据接口相连接（常量加载和调试访问）  
系统总线：此总线连接Cortex™-M3内核的系统总线（外设总线）到总线矩阵，总线矩阵协调着内核和DMA间的访问  
DMA总线：此总线将DMA的AHB主控接口与总线矩阵相联，总线矩阵协调着CPU的DCode和DMA到 SRAM、闪存和外设的访问。  
总线矩阵：协调内核系统总线和DMA主控总线之间的访问仲裁，仲裁利用轮换算法。在互联型产品中，总线矩阵包含5个驱动部件(CPU的DCode、系统总线、以太网DMA、DMA1总线和DMA2总线)和3个从部件(闪存存储器接口(FLITF)、SRAM和AHB2APB桥)。在其它产品中总线矩阵包含4个驱动部件(CPU的DCode、系统总线、DMA1总线和DMA2总线)和4个被动部件(闪存存储器接口(FLITF)、SRAM、FSMC和AHB2APB桥)。AHB外设通过总线矩阵与系统总线相连，允许DMA访问。  
AHB/APB桥(APB) ：两个AHB/APB桥在AHB和2个APB总线间提供同步连接。APB1操作速度限于36MHz，APB2操作于全速(最高72MHz)。 在每一次复位以后，所有除SRAM和FLITF以外的外设都被关闭，在使用一个外设之前，必须设置寄存器RCC\_AHBENR来打开该外设的时钟。 *注意： 当对APB寄存器进行8位或者16位访问时，该访问会被自动转换成32位的访问：桥会自动将8位或者32位的数据扩展以配合32位的向量。*

> 注： ROM、RAM、DRAM、SRAM和FLASH的区别  
> 1、ROM和RAM指的都是半导体存储器，ROM在系统停止供电的时候仍然可以保持数据，而RAM通常都是在掉电之后就丢失数据，典型的RAM就是计算机的内存。  
> 2、RAM有两大类：  
> 1）静态RAM（SRAM），SRAM速度非常快，是目前读写最快的存储设备了，但是它也非常昂贵，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一级缓冲，二级缓冲。  
> 2）动态RAM（DRAM），DRAM保留数据的时间很短，速度也比SRAM慢，不过它还是比任何的ROM都要快，但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多，计算机内存就是DRAM的。  
> 3、FLASH，又称闪存，它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程（EEPROM）的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据（NVRAM的优势），U盘和MP3里用的就是这种存储器。在过去的20年里，嵌入式系统一直使用ROM（EPROM）作为它们的存储设备，然而近年来Flash全面代替了ROM（EPROM）在嵌入式系统中的地位，它用作存储Bootloader以及操作系统或者程序代码，或者直接当硬盘使用（U盘）。

> AHB (Advanced High-performance Bus高级高性能总线) 主要是针对高效率、高频宽及快速系统模块所设计的总线，它可以连接如微处理器、芯片上或芯片外的内存模块和DMA等高效率模块。  
> APB (Advanced Peripheral Bus高级外围总线) 主要用在低速且低功率的外围，可针对外围设备作功率消耗及复杂接口的最佳化。APB在AHB和低带宽的外围设备之间提供了通信的桥梁，所以APB是AHB的二级拓展总线。

#### 2、GPIO ####

##### 1）概念 #####

GPIO英文为General Purpose Input Output，称为通用输入/输出  
stm32f103zet6包含112个GPIO（stm32f103zet6有144个引脚，其中有11个VSS、11个VDD、还有10个其他用途的引脚分别是VBAT、OSC\_IN、OSC\_OUT、NRST、Vref+、Vref-、VDDA、VSSA、BOOT0、NC），112个GPIO分别是PA\[0..15\]~PG\[0..15\]，stm32f103zet6引脚图如下：  
![GPIO][]

##### 2）如何使用 #####

stm32单片机是操作寄存器来控制IO口的，首先我们应该知道GPIO的寄存器地址为多少，下表中记录了STM32F10ZET6中内置外设的起始地址。  
![GPIO][GPIO 1]  
从图中我们可以看到GPIO起始地址是0x40010800，在系统库函数stm32f10x.h中为我们定义了宏定义，方便我们操作寄存器控制外设，stm32f10x.h中的GPIOx定义如下

#define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000) /*!< Peripheral base address in the alias region */
    
    #define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000)
    
    #define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
    #define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
    #define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
    #define GPIOD_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)
    #define GPIOE_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1800)
    #define GPIOF_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1C00)
    #define GPIOG_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x2000)
    
    #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)
    
    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;
    
    typedef enum
    { GPIO_Mode_AIN = 0x0,
      GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04,
      GPIO_Mode_IPD = 0x28,
      GPIO_Mode_IPU = 0x48,
      GPIO_Mode_Out_OD = 0x14,
      GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,
      GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,
      GPIO_Mode_AF_PP = 0x18
    }GPIOMode_TypeDef;
    
    typedef enum
    { 
      GPIO_Speed_10MHz = 1,
      GPIO_Speed_2MHz, 
      GPIO_Speed_50MHz
    }GPIOSpeed_TypeDef;
    
    typedef struct
    {
      uint16_t GPIO_Pin;             /*!< Specifies the GPIO pins to be configured. This parameter can be any value of @ref GPIO_pins_define */
    
      GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;  /*!< Specifies the speed for the selected pins. This parameter can be a value of @ref GPIOSpeed_TypeDef */
    
      GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;    /*!< Specifies the operating mode for the selected pins. This parameter can be a value of @ref GPIOMode_TypeDef */
    }GPIO_InitTypeDef;
    
    #define GPIO_Pin_0 ((uint16_t)0x0001) /*!< Pin 0 selected */
    #define GPIO_Pin_1 ((uint16_t)0x0002) /*!< Pin 1 selected */
    #define GPIO_Pin_2 ((uint16_t)0x0004) /*!< Pin 2 selected */
    #define GPIO_Pin_3 ((uint16_t)0x0008) /*!< Pin 3 selected */
    #define GPIO_Pin_4 ((uint16_t)0x0010) /*!< Pin 4 selected */
    #define GPIO_Pin_5 ((uint16_t)0x0020) /*!< Pin 5 selected */
    #define GPIO_Pin_6 ((uint16_t)0x0040) /*!< Pin 6 selected */
    #define GPIO_Pin_7 ((uint16_t)0x0080) /*!< Pin 7 selected */
    #define GPIO_Pin_8 ((uint16_t)0x0100) /*!< Pin 8 selected */
    #define GPIO_Pin_9 ((uint16_t)0x0200) /*!< Pin 9 selected */
    #define GPIO_Pin_10 ((uint16_t)0x0400) /*!< Pin 10 selected */
    #define GPIO_Pin_11 ((uint16_t)0x0800) /*!< Pin 11 selected */
    #define GPIO_Pin_12 ((uint16_t)0x1000) /*!< Pin 12 selected */
    #define GPIO_Pin_13 ((uint16_t)0x2000) /*!< Pin 13 selected */
    #define GPIO_Pin_14 ((uint16_t)0x4000) /*!< Pin 14 selected */
    #define GPIO_Pin_15 ((uint16_t)0x8000) /*!< Pin 15 selected */
    #define GPIO_Pin_All ((uint16_t)0xFFFF) /*!< All pins selected */

上述代码定义了8个GPIO的访问地址GPIOA~GPIOG，同时定义了每个GPIO 16个引脚的选择码，同时还可以看到定义了几个GPIO相关的结构体，分别是GPIO\_TypeDef、GPIO\_InitTypeDef、GPIOMode\_TypeDef、GPIOSpeed\_TypeDef，下面会对每个结构体做一下更细的介绍。

###### ① GPIO寄存器介绍（GPIO\_TypeDef） ######

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;

从库给出的结构体结合芯片手册，我们知道GPIO端口有：

*  2个32位 配置寄存器 CRL、CRH  
    CRL控制每个IO口低8位引脚的模式（例如控制GPIOA的0~7引脚），CRH控制每个IO口高8位引脚的模式（例如控制GPIOA8~15引脚），下图是对CRL/CRH的截图说明  
    ![CRLH][]  
    CRL：结构体偏移地址0x00、（默认）复位值0x44444444，即默认为浮空输入模式  
    CRH：结构体偏移地址0x04、（默认）复位值0x44444444，即默认为浮空输入模式  
    注：IO口的模式与硬件电路有关，在此不细说了（本人目前对这些模式具体应用场景也没有很清晰的感念，即在此不详述了）
 *  2个32位 数据寄存器 IDR、ODR  
    IDR：端口输入寄存器，只用了低16位。该寄存器为只读寄存器，并且只能以16位的形式读出。该寄存器描述如下图：  
    ![IDR][]  
    ODR：端口输出数据寄存器，只用了低16位。该寄存器为可读写，从该寄存器读出来的数据可以用于判断当前IO口的输出状态。而向该寄存器写数据，则可以控制某个IO口的输出电平。  
    ![ODR][]
 *  1个32位 置位/复位寄存器 BSRR  
    可以用来设置GPIO端口的输出位是1还是0.  
    ![BSRR][]  
    **该寄存器往相应的位写0是无影响的，所以我们要设置某些位，不用管其他位的值。**例如设置GPIOA的GPIO\_Pin\_1引脚值为1，即往低16位写1即可。  
    `GIPOA->BSRR=1<<1;`  
    设置GPIOA的GPIO\_Pin\_1引脚值为0，即往寄存器高16位写1即可，而不是往第十六为写0。  
    `GIPOA->BSRR=1<<(16+1);`
 *  1个16位 复位寄存器 BRR  
    该寄存器是端口位清除寄存器，其作用跟BSRR的高16位雷同。  
    ![BRR][]
 *  1个32位 锁定寄存器 LCKR  
    当执行正确的写序列设置了位16(LCKK)时，该寄存器用来锁定端口位的配置。位\[15:0\]用于锁定GPIO端口的配置。在规定的写入操作期间，不能改变LCKP\[15:0\]。当对相应的端口位执行了LOCK序列后，在下次系统复位之前将不能再更改端口位的配置。 每个锁定位锁定控制寄存器(CRL, CRH)中相应的4个位。  
    ![LCKR][]

###### ②库函数编程（GPIO\_InitTypeDef、GPIOMode\_TypeDef、GPIOSpeed\_TypeDef） ######

上面①中给我们详细介绍了GPIO寄存器的相应的功能，在了解之后我们即可直接操作寄存器写自己的IO控制程序了，如跑马灯的程序我们就可按如下代码编写：

RCC->APB2ENR|=1<<3;    //使能PORTB时钟 
    RCC->APB2ENR|=1<<6;    //使能PORTE时钟
    
    GPIOB->CRL&=0XFF0FFFFF; 
    GPIOB->CRL|=0X00300000;//PB.5 推挽输出 
    GPIOB->ODR|=1<<5;      //PB.5 输出高
    
    GPIOE->CRL&=0XFF0FFFFF;
    GPIOE->CRL|=0X00300000;//PE.5推挽输出
    GPIOE->ODR|=1<<5;      //PE.5输出高 
    while(1)
    {
         GPIOB->BRR=GPIO_Pin_5;//LED0亮
         GPIOE->BSRR=GPIO_Pin_5;//LED1灭
         delay_ms(300);
         GPIOB->BSRR=GPIO_Pin_5;//LED0灭
         GPIOE->BRR=GPIO_Pin_5;//LED1亮
         delay_ms(300);
     }

stm32有上百个寄存器，每次编程都需要翻手册在编程可想象这种场景应该很恐怖，故官方为我们提供了相应的库函数，这些函数将寄存器的操作封装，即可靠又方便使用。  
GPIO官方为我们提供了如下几个库函数

/** @defgroup GPIO_Exported_Functions**/
    void GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef* GPIOx);
    void GPIO_AFIODeInit(void);
    void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);
    void GPIO_StructInit(GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);
    uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
    uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);
    uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
    uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);
    void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
    void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
    void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal);
    void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);
    void GPIO_PinLockConfig(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
    void GPIO_EventOutputConfig(uint8_t GPIO_PortSource, uint8_t GPIO_PinSource);
    void GPIO_EventOutputCmd(FunctionalState NewState);
    void GPIO_PinRemapConfig(uint32_t GPIO_Remap, FunctionalState NewState);
    void GPIO_EXTILineConfig(uint8_t GPIO_PortSource, uint8_t GPIO_PinSource);
    void GPIO_ETH_MediaInterfaceConfig(uint32_t GPIO_ETH_MediaInterface);

GPIO相应的库函数很多，可以查看手册或示例了解使用方法，跑马灯程序使用到的函数有：

//用来设置GPIO端口的模式
    void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);
    //用来给GPIO端口设置1
    void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
    //用来给GPIO端口设置0
    void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

跑马灯库函数程序

GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
    
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE);   //使能PB,PE端口时钟
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;                //LED0-->PB.5 端口配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;         //推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;        //IO口速度为50MHz
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);                   //根据设定参数初始化GPIOB.5
    GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);                      //PB.5 输出高
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;                //LED1-->PE.5 端口配置, 推挽输出
    GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);                   //推挽输出 ，IO口速度为50MHz
    GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5);                          //PE.5 输出高
    
    while(1)
    {
        GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);  //LED0对应引脚GPIOB.5拉低，亮 等同LED0=0;
        GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5);   //LED1对应引脚GPIOE.5拉高，灭 等同LED1=1;
        delay_ms(300);             //延时300ms
        GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);    //LED0对应引脚GPIOB.5拉高，灭 等同LED0=1;
        GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5); //LED1对应引脚GPIOE.5拉低，亮 等同LED1=0;
        delay_ms(300);                     //延时300ms
    }

#### 3、板子原理图确定GPIO端口 ####

看了跑马灯的代码估计很多人会发出疑问：怎么知道操作的是GPIOB的GPIO\_Pin\_5去控制一个灯，操作GPIOE的GPIO\_Pin\_5去控制另外一个灯。  
针对这个疑问，解决方法是 我们必须看所使用的板子的原理图了，我使用的板子关于LED灯的原理图如下：  
![LED][]  
控制LED灯的stm32芯片部分原理图  
![MCU][]  
从上面两个图可以看出，我所使用的板子已将LED与stm32f103芯片连接好了。LED0接PB5，所以我们使用的是GPIOB、GPIO\_Pin\_5这两个宏定义，代表PB5。  
LED1接PE5，所以我们使用的是GPIOE、GPIO\_Pin\_5这两个宏定义，代表PE5。

#### 4、时钟 ####

从跑马灯程序中我们看到以下代码：

/** **使用寄存器初始化时钟** RCC->APB2ENR|=1<<3; //使能PORTB时钟 RCC->APB2ENR|=1<<6; //使能PORTE时钟 **/
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE);   //使能PB,PE端口时钟

之所以在程序开头要开启时钟，是因为任何MCU的任何外设都需要有时钟 ，STM32为了让用户更好地掌握功耗，**对每个外设的时钟都设置了开关**，所以我们在使用外设（GPIO）前需要开启时钟（51单片机不用配置IO时钟，只是因为默认使用同一个时钟）  
下图是RCC\_APB2ENR外设时钟使能寄存器图  
![APB2ENR][]

[STM32_]: http://blog.csdn.net/fengshuiyue/article/details/79009989
[SouthEast]: /images/20220602/afa946f3558d4daba0a1f93a658b30d6.png
[GPIO]: /images/20220602/11702c8bbcda48f082f9566ec2773223.png
[GPIO 1]: /images/20220602/5c9f3b94afae4d928c695116ebea1244.png
[CRLH]: /images/20220602/3b7de667b1f942239ccc6c814684967a.png
[IDR]: /images/20220602/2d822ee9bf0c4aaaa21c28059d0ca8c6.png
[ODR]: /images/20220602/5faa6a1ddc1d4b2e9879c2bf504976a1.png
[BSRR]: /images/20220602/d06bb536e1b34866a23f42ce4ebab314.png
[BRR]: /images/20220602/1ab0d9aa21a249e284ccddbb4c4ba035.png
[LCKR]: /images/20220602/c19bf66223ac4ac9bdda71e3ac2e8348.png
[LED]: /images/20220602/2bc670a35b164000a3c2ed400f96b990.png
[MCU]: /images/20220602/879f171af0b04484a4b4466ed45a0a1a.png
[APB2ENR]: /images/20220602/f7ad2d79b51046f3b882b6bcdea62b8b.png