《嵌入式-STM32开发指南》第一部分 入门篇 - 第4章 库开发简介

4.1 STM32 系统架构

STM32 的系统架构比 51 单片机就要强大很多了。首先我们看看 STM32 的系统架构图:

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图1 系统架构

STM32 主系统主要由四个驱动单元和四个被动单元构成。

四个驱动单元
 内核 DCode 总线;
 系统总线;
 通用 DMA1;
 通用 DMA2;

四被动单元
 AHB 到 APB 的桥:连接所有的 APB 设备;
 内部 FlASH 闪存;
 内部 SRAM;
 FSMC;

下面我们具体讲解一下图中几个总线的知识:

① ICode 总线:该总线将 M3 内核指令总线和闪存指令接口相连,指令的预取在该总线上面完成。
② DCode 总线:该总线将 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在该总线上面完成。
③ 系统总线:该总线连接 M3 内核的系统总线到总线矩阵,总线矩阵协调内核和 DMA 间访问。
④ DMA 总线:该总线将 DMA 的 AHB 主控接口与总线矩阵相连,总线矩阵协调 CPU 的DCode 和 DMA 到 SRAM,闪存和外设的访问。
⑤ 总线矩阵: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。
⑥ AHB/APB 桥:这两个桥在 AHB 和 2 个 APB 总线间提供同步连接, APB1 操作速度限于36MHz,APB2 操作速度全速。

对于系统架构的知识,在刚开始学习 STM32 的时候只需要一个大概的了解,大致知道是个什么情况即可。对于寻址之类的知识,这里就不做深入的讲解。

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图2 CMSIS架构

4.2 STM32的地址映射

在分析这个问题之前,我们看看51 单片机中是怎么做的。 51 单片机开发中经常会引用一个 reg51.h 的头文件,下面我们看看他是怎么把名字和寄存器联系起来的:

sfr P0 =0x80;

sfr 也是一种扩充数据类型,占用一个内存单元,值域为 0~255。利用它可以访问 51 单片机内部的所有特殊功能寄存器。如用 sfr P1 = 0x90 这一句定义 P1 为 P1 端口在片内的寄存器。然后我们往地址为 0x80 的寄存器设值的方法是: P0=value;通过改变value的值来控制单片机。

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图3 寄存器映射关系

所谓地址映射,就是将芯片上的存储器甚至 I/O 等资源与地址建立一一对应的关系。如果某地址对应着某寄存器,我们就可以运用 C 语言的指针来寻址并修改这个地址上的内容,从而实现修改该寄存器的内容。打个比方,寄存器就像快递员,当你在某宝上买了东西后,快递员就按照地址送到你手上,要想准确无误的送到你手上,就必须保证地址准确无误。

Cortex-M3 的地址映射也是类似的。Cortex-M3 有 32 根地址线,所以它的寻址空间大小为 2 32 bit=4 GB。ARM 公司设计时,预先把这 4 GB 的寻址空间大致地分配好了。它把从 0x40000000 至 0x5FFFFFFF( 512 MB)的地址分配给片上外设。通过把片上外设的寄存器映射到这个地址区,就可以简单地以访问内存的方式,访问这些外设的寄存器,从而控制 外设的工作。这样,片上外设可以使用 C 语言来操作。CM3 存储器映射见图 4- 4。
stm32f10x.h 这个文件中重要的内容就是把 STM32 的所有寄存器进行地址映射。如同51 单片机的 < reg51.h > 头文件一样,stm32f10x.h 像一个大表格,我们在使用的时候就是通过宏定义进行类似查表的操作,大家想象一下没有这个文件的话,我们要怎样访问 STM32的寄存器?有什么缺点?不进行这些宏定义的缺点有 :

1)地址容易写错。
2)我们需要查大量的手册来确定哪个地址对应哪个寄存器。
3)看起来还不好看,且容易造成编程的错误,效率低,影响开发进度。

当然,这些工作都是由 ST 的固件工程师来完成的,只有设计 CM3 的人才是最了解 CM3的,才能写出完美的库。
在这里我们以外接了 LED 灯的外设 GPIOC 为例,如果是其他的 IO 端口,则改成相应的地址即可。在这个文件中一系列宏实现了地址映射。

#define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x1000
#define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)

这几个宏定义是从文件中的几个部分抽离出来的,具体的内容读者可参考stm32f10x.h 源码。

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图4 Cortex-M3 预定义的存储器映射

首先看到 PERIPH_BASE 这个宏,宏展开为 0x40000000,并把它强制转换为 uint32_t的 32 位类型数据,这是因为 STM32 的地址是 32 位的,是不是觉得 0x40000000 这个地址很熟?是的,这是 Cortex-M3 核分配给片上外设 512MB 寻址空间中的第一个地址,我们把0x40000000 称为外设基地址。

接下来是宏 APB2PERIPH_BASE,宏展开为 PERIPH_BASE(外设基地址)加上偏移地址 0x10000,即指向的地址为 0x40010000。这个 APB2PERIPH_BASE 宏是什么地址呢?STM32 不同的外设是挂载在不同的总线上的,见图 4-6。STM32 芯片有 AHB 总线、APB2总线和 APB1 总线,挂载在这些总线上的外设有特定的地址范围。
其中像 GPIO、串口 1、ADC 及部分定时器是挂载在称为 APB2 的总线上,挂载到APB2 总 线 上 的 外 设 地 址 空 间 是 从 0x40010000 至 0x40013FFF 地 址。 这 里 的 第 一个 地 址, 也 就 是 0x40010000,称为 APB2PERIPH_BASE (APB2 总线外设基地址)。

而 APB2 总线基地址相对于外设基地址的偏移量为 0x10000 个地址,即为 APB2 相对外设基地址的偏移地址,见表1。

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表1

由这个表我们可以知道,stm32f10x.h 这个文件中必然含有用于定义总线外设基地址的宏。

#define APB1PERIPH_BASE   PERIPH_BASE

因为偏移量为零,所以 APB1 的地址直接就等于外设基地址。

最后到了宏 GPIOC_BASE,宏展开为 APB2PERIPH_BASE (APB2 总线外设的基地址)加上相对 APB2 总线外设基地址的偏移量 0x1000 得到了 GPIOC 端口的寄存器组的基地址。这个所谓的 寄存器组又是什么呢?它包括什么寄存器?

细看 stm32f10x.h 文件,我们还可以发现有关各个 GPIO 基地址的宏。

#define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
#define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
#define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
#define GPIOD_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)

除了 GPIOC 寄存器组的地址,还有 GPIOA、GPIOB 和 GPIOD 的地址,并且这些地址是不一样的。前面提到,每组 GPIO 都对应着独立的一组寄存器,查看 STM32 的 数据手册。

注意到这个说明中有一个偏移地址 :0x04,这里的偏移地址是相对哪个地址的偏移呢?下面进行举例说明。
对 于 GPIOC 组 的 寄 存 器,GPIOC 含 有 的 端 口 配 置 高 寄 存 器(GPIOC_CRH)地 址 为 :GPIOC_BASE +0x04。假如是 GPIOA 组的寄存器,则 GPIOA 含有的端口配置高寄存器(GPIOA_CRH)地址为 :GPIOA_BASE+0x04。也就是说,这个偏移地址,就是该寄存器相对所在寄存器组基地址的偏移量。
于是,读者可能会想,大概这个文件含有一个类似如下的宏 :

#define GPIOC_CRH (GPIOC_BASE + 0x04)

这个宏定义了 GPIOC_CRH 寄存器的具体地址。

4.3 STM32 固件库对和寄存器的封装

S T 的工程师用结构体的形式封装了寄存器组,C 语言结构体学得不好的读者,可以在这里补补课了。在 stm32f10x.h 文件中。

#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)

有了这些宏,我们就可以定位到具体的寄存器地址,在这里发现了一个陌生的类型GPIO_TypeDef ,追踪它的定义,可以在 stm32f10x.h 文件中找到一段代码。

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;

其中 __IO 也是一个 ST 官方库定义的宏。

#define __O volatile /*!< defines 'write only' permissions */
#define __IO volatile /*!< defines 'read / write' permissions */

volatile 是 C 语言的一个关键字,不了解的话可以看后文的小贴士3。

回到 GPIO_TypeDef 这段代码,这个代码用 typedef 关键字声明了名为 GPIO_TypeDef的结构体类型,结构体内又定义了 7 个 __IO uint32_t 类型的变量。这些变量都是 32 位,即每个变量占内存空间 4 个字节。在 C 语言中,结构体内变量的存储空间是连续的,也就是说假如我们定义了一个 GPIO_TypeDef ,这个结构体的首地址(变量 CRL 的 地址)若为 0x40011000,那么结构体中第二个变量(CRH)的地址即为 0x40011000 +0x04 , 加上的0x04 正是代表 4 个字节地址的偏移量。

细心的读者会发现,这个 0x04 偏移量正是 GPIOx_CRH 寄存器相对于所在寄存器组的偏移地址,见图 4- 5。同理,GPIO_TypeDef 结构体内其他变量的偏移量,也与相应的寄存器偏移地址相符。于是,只要我们匹配了结构体的首地址,就可以确定各寄存器的具体地址了。

GPIOA_BASE 在前文已解析,是一个代表 GPIOA组寄存器的基地址。“(GPIO_TypeDef *)”在这里的作用则是把 GPIOA_BASE 地址转换为 GPIO_TypeDef结构体指针类型。有了这样的宏,以后我们写代码的时候, 如果要修改GPIO 的寄存器,就可用修改以下代码的方式来实现。

GPIO_TypeDef * GPIOx; //定义一个 GPIO_TypeDef 型结构体指针 GPIOx
GPIOx = GPIOA; //把指针地址设置为宏 GPIOA 地址
GPIOx->CRL = 0xffffffff; //通过指针访问并修改 GPIOA_CRL 寄存器
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图 5 GPIO_TypeDef 结构体成员偏移量

通过类似的方式,我们就可以给具体的寄存器写上适当的参数以控制 STM32 了。是不是觉得很巧妙?但这只是库开发的皮毛,而且实际上我们并不是这样使用库的,库为我们提供了更简单的开发方式。STM32 的库可谓尽情绽放了 C 的魅力,如果你是单片机初学者、C 语言初学者,那么请你不要放弃与 STM32 库邂逅的机会。

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图 6 库与寄存器对比

小贴士

1 C语言 # 与 ##
1.1一般用法
我们使用#把宏参数变为一个字符串,用##把两个宏参数贴合在一起.
用法:

#include
#include

using namespace std;

#define STR(s)     #s
#define CONS(a,b)  int(a##e##b)

int main()
{
    printf(STR(vck));           // 输出字符串"vck"
    printf("%d", CONS(2,3));  // 2e3 输出:2000

   return 0;
}

1.2当宏参数是另一个宏的时候
需要注意的是凡宏定义里有用'#'或'##'的地方宏参数是不会再展开.

  • 1.非'#'和'##'的情况
#define TOW      (2)
#define MUL(a,b) (a*b)
printf("%d*%d=%d", TOW, TOW, MUL(TOW,TOW));

这行的宏会被展开为:

printf("%d*%d=%d", (2), (2), ((2)*(2)));

MUL里的参数TOW会被展开为(2).

  • 2.当有'#'或'##'的时候
#define A          (2)
#define STR(s)     #s
#define CONS(a,b)  int(a##e##b)

printf("int max: %s",  STR(INT_MAX));    // INT_MAX #include

这行会被展开为:

printf("int max: %s", "INT_MAX");
printf("%s", CONS(A, A));               // compile error

这一行则是:

printf("%s", int(AeA));

INT_MAX和A都不会再被展开, 然而解决这个问题的方法很简单. 加多一层中间转换宏.
加这层宏的用意是把所有宏的参数在这层里全部展开, 那么在转换宏里的那一个宏(_STR)就能得到正确的宏参数.

#define A           (2)
#define _STR(s)     #s
#define STR(s)      _STR(s)          // 转换宏

#define _CONS(a,b)  int(a##e##b)
#define CONS(a,b)   _CONS(a,b)       // 转换宏

printf("int max: %s", STR(INT_MAX));          // INT_MAX,int型的最大值,为一个变量 #include

输出为: int max: 0x7fffffff
STR(INT_MAX) --> _STR(0x7fffffff) 然后再转换成字符串;

printf("%d", CONS(A, A));

输出为:200
CONS(A, A) --> _CONS((2), (2)) --> int((2)e(2))
1.3'#'和'##'的一些应用特例

  • 1.合并匿名变量名
#define  ___ANONYMOUS1(type, var, line)  type  var##line
#define  __ANONYMOUS0(type, line)  ___ANONYMOUS1(type, _anonymous, line)
#define  ANONYMOUS(type)  __ANONYMOUS0(type, __LINE__)

例:ANONYMOUS(static int); 即: static int _anonymous70; 70表示该行行号;
第一层:ANONYMOUS(static int); --> __ANONYMOUS0(static int, LINE);
第二层: --> ___ANONYMOUS1(static int, _anonymous, 70);
第三层: --> static int _anonymous70;
即每次只能解开当前层的宏,所以LINE在第二层才能被解开;

  • 2.填充结构
#define  FILL(a)   {a, #a}
enum IDD{OPEN, CLOSE};
    typedef struct MSG{
      IDD id;
      const char * msg;
}MSG;
MSG _msg[] = {FILL(OPEN), FILL(CLOSE)};

相当于:

MSG _msg[] = {{OPEN, "OPEN"},
                  {CLOSE, "CLOSE"}};
  • 3.记录文件名
#define  _GET_FILE_NAME(f)   #f
#define  GET_FILE_NAME(f)    _GET_FILE_NAME(f)
static char  FILE_NAME[] = GET_FILE_NAME(__FILE__);

4.得到一个数值类型所对应的字符串缓冲大小

#define  _TYPE_BUF_SIZE(type)  sizeof #type
#define  TYPE_BUF_SIZE(type)   _TYPE_BUF_SIZE(type)
char  buf[TYPE_BUF_SIZE(INT_MAX)];

    -->  char  buf[_TYPE_BUF_SIZE(0x7fffffff)];
    -->  char  buf[sizeof "0x7fffffff"];

这里相当于:

char  buf[11];

2关于宏定义的用法
如何解释下面这段代码:

#define LED1(a)   if (a)\
                         GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_3);\
                    else \
                         GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_3)

首先,这个是用宏定义的方式包装成类似函数那样,但不是函数调用
你在代码中调用:

LED1(1);

实际上通过宏定义替换,代码会替换成:

if (1) GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_3); 
else GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_3)

宏定义中的 a 就被 调用时 的 ‘1’ 所替换掉,就类似函数那样,但不是函数。另外,有没有发现替换后的代码只有一行,而不是宏定义中的多行呢?

回答这个问题,你就必须先了解 c语言 中 反斜杠( \)的作用:语义上表示,下一行是上一行的延续。也就是同一行。

当你的代码一行写的时候会太长,需要分行方便显示时,但代码又不能分行时,例如这里的宏定义,只能在一行定义好,那样就可以用过在结尾添加 反斜杠( \) 来换行。表示 接着下一行,就是例子中的整个 if-else 语句都被 反斜杠( \) 连接在同一行,所以替换后就仅仅一行而已。

注意,反斜杠( \) 后面不能有任何字符,包括空格。

宏定义的用法:

注意:宏定义不是函数!!
一般用来简化操作的,但又能避免函数调用那样需要进行切换环境,花费时间。例如:

#define max (a,b) (a>b?a:b)
#define MALLOC(n, type)   ((type *)  malloc( (n) * sizeof (type) ))

使用时,我只需:

a=max (a,b);                 //而不是a=(a>b?a:b);
int *p=MALLOC(10,int);  //而不是int *p= ((int *)  malloc( (10) * sizeof (int) ))

网上copy一篇不知出自哪里的文章:
1.防止一个头文件被重复包含

#ifndef COMDEF_H 
#define COMDEF_H  //头文件内容
#endif 

2.重新定义一些类型,防止由于各种平台和编译器的不同,而产生的类型字节数差异,方便移植。

typedef  unsigned char      boolean;     /* Boolean value type. */   
typedef  unsigned long int  uint32;      /* Unsigned 32 bit value */ 
typedef  unsigned short     uint16;      /* Unsigned 16 bit value */ 
typedef  unsigned char      uint8;       /* Unsigned 8  bit value */ 
typedef  signed long int    int32;       /* Signed 32 bit value */ 
typedef  signed short       int16;       /* Signed 16 bit value */ 
typedef  signed char        int8;        /* Signed 8  bit value */ 

3.得到指定地址上的一个字节或字

#define  MEM_B( x )  ( *( (byte *) (x) ) ) 
#define  MEM_W( x )  ( *( (word *) (x) ) ) 

4.求最大值和最小值

#define  MAX( x, y ) ( ((x) > (y)) ? (x) : (y) ) 
#define  MIN( x, y ) ( ((x) < (y)) ? (x) : (y) ) 

5.得到一个field在结构体(struct)中的偏移量

#define FPOS( type, field )   ( (dword) &(( type *) 0)-> field ) 

6.得到一个结构体中field所占用的字节数

#define FSIZ( type, field ) sizeof( ((type *) 0)->field ) 

7.按照LSB格式把两个字节转化为一个Word

#define  FLIPW( ray ) ( (((word) (ray)[0]) * 256) + (ray)[1] ) 

8.按照LSB格式把一个Word转化为两个字节

#define  FLOPW( ray, val ) \ 
      (ray)[0] = ((val) / 256); \ 
      (ray)[1] = ((val) & 0xFF) 

9.得到一个变量的地址(word宽度)

#define  B_PTR( var )  ( (byte *) (void *) &(var) ) 
#define  W_PTR( var )  ( (word *) (void *) &(var) ) 

10.得到一个字的高位和低位字节

#define  WORD_LO(xxx)  ((byte) ((word)(xxx) & 255)) 
#define  WORD_HI(xxx)  ((byte) ((word)(xxx) >> 8)) 

11.返回一个比X大的最接近的8的倍数

#define RND8( x )       ((((x) + 7) / 8 ) * 8 ) 

12.将一个字母转换为大写

#define  UPCASE( c ) ( ((c) >= 'a' && (c) <= 'z') ? ((c) - 0x20) : (c) ) 

13.判断字符是不是10进值的数字

#define  DECCHK( c ) ((c) >= '0' && (c) <= '9') 

14.判断字符是不是16进值的数字

#define  HEXCHK( c ) ( ((c) >= '0' && (c) <= '9') ||\ 
                       ((c) >= 'A' && (c) <= 'F') ||\ 
((c) >= 'a' && (c) <= 'f') ) 

15.防止溢出的一个方法

#define  INC_SAT( val )  (val = ((val)+1 > (val)) ? (val)+1 : (val)) 

16.返回数组元素的个数

#define  ARR_SIZE( a )  ( sizeof( (a) ) / sizeof( (a[0]) ) ) 

17.返回一个无符号数n尾的值MOD_BY_POWER_OF_TWO(X,n)=X%(2^n)

#define MOD_BY_POWER_OF_TWO( val, mod_by ) \ 
           ( (dword)(val) & (dword)((mod_by)-1) ) 

18.对于IO空间映射在存储空间的结构,输入输出处理

#define inp(port)         (*((volatile byte *) (port))) 
#define inpw(port)        (*((volatile word *) (port))) 
#define inpdw(port)       (*((volatile dword *)(port))) 
   
#define outp(port, val)   (*((volatile byte *) (port)) = ((byte) (val))) 
#define outpw(port, val)  (*((volatile word *) (port)) = ((word) (val))) 
#define outpdw(port, val) (*((volatile dword *) (port)) = ((dword) (val))) 

19.使用一些宏跟踪调试
A N S I标准说明了五个预定义的宏名。它们是:

_ L I N E _ 
_ F I L E _ 
_ D A T E _ 
_ T I M E _ 
_ S T D C _ 

如果编译不是标准的,则可能仅支持以上宏名中的几个,或根本不支持。记住编译程序也许还提供其它预定义的宏名。
_ L I N E F I L E _宏指令在有关# l i n e的部分中已讨论,这里讨论其余的宏名。
_ D AT E 宏指令含有形式为月/日/年的串,表示源文件被翻译到代码时的日期。
源代码翻译到目标代码的时间作为串包含在
T I M E 中。串形式为时:分:秒。
如果实现是标准的,则宏
S T D C _含有十进制常量1。如果它含有任何其它数,则实现是非标准的。
可以定义宏,例如:
当定义了_DEBUG,输出数据信息和所在文件所在行

#ifdef _DEBUG 
#define DEBUGMSG(msg,date) printf(msg);printf(“%d%d%d”,date,_LINE_,_FILE_) 
#else 
     #define DEBUGMSG(msg,date)  
#endif 

20.宏定义防止 使用是错误
用小括号包含。
例如:#define ADD(a,b) (a+b)
用do{}while(0)语句包含多语句防止错误
例如:#difne DO(a,b) a+b;\
a++;
应用时:if(….)
DO(a,b); //产生错误
else
……

解决方法: #difne DO(a,b) do{a+b;\
a++;}while(0)

3 __I、 __O 、__IO的含义
这是ST库里面的宏定义,定义如下:

#define     __I      volatile const             /*!< defines 'read only' permissions      */
#define     __O     volatile                  /*!< defines 'write only' permissions     */
#define     __IO    volatile                  /*!< defines 'read / write' permissions   */

显然,这三个宏定义都是用来替换成 volatile 和 const 的,所以我们先要了解 这两个关键字的作用:
__I :输入口。既然是输入,那么寄存器的值就随时会外部修改,那就不能进行优化,每次都要重新从寄存器中读取。也不能写,即只读,不然就不是输入而是输出了。
__O :输出口,也不能进行优化,不然你连续两次输出相同值,编译器认为没改变,就忽略了后面那一次输出,假如外部在两次输出中间修改了值,那就影响输出。
__IO:输入输出口,同上
为什么加下划线?
原因是:避免命名冲突

一般宏定义都是大写,但因为这里的字母比较少,所以再添加下划线来区分。这样一般都可以避免命名冲突问题,因为很少人这样命名,这样命名的人肯定知道这些是有什么用的。
经常写大工程时,都会发现老是命名冲突,要不是全局变量冲突,要不就是宏定义冲突,所以我们要尽量避免这些问题,不然出问题了都不知道问题在哪里。

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