STM32寄存器映射

1. 寄存器基本原理

寄存器是单片机内部一种特殊的内存，可以实现对单片机各个功能的控制，我们编写程序最终就是去控制寄存器
下面的举例平台为STM32F407ZG

1.1 STM32寄存器分类

大类	小类	说明
内核寄存器	内核相关寄存器	包含R0~R15、xPSR、特殊功能寄存器等
	中断控制寄存器	包含NVIC和SCB相关寄存器，NVIC有：ISER、ICER、ISPR、IP等；SCB有：VTOR、AIRCR、SCR等
	SysTick寄存器	包含CTRL、LOAD、VAL和CALIB四个寄存器
	内存保护寄存器	可选功能，STM32F103没有
	调试系统寄存器	ETM、ITM、DWT、IPIU等相关寄存器
外设寄存器		包含GPIO、UART、IIC、SPI、TIM、DMA、ADC、DAC、RTC、I/WWDG、PWR、CAN、USB等各种外设寄存器

2. 寄存器映射

给寄存器地址命名的过程就叫寄存器映射

在 STM32F4 中 0x4002 000C 是 GPIOA_PUPDR 的地址，但是我们直接看 0x4002 000C 并不知道他是谁的地址，虽然我们可以通过查找手册的方式找到，但是这样的方式实在的过于繁琐而且不利于我们后续开发程序，所以我们需要对寄存器地址命名，以便于我们看到新的名字就知道他的作用是什么

2.1 地址映射基本概念

我们首先要知道下面的概念：

• 总线基地址(BUS_ BASE_ ADDR)
• 外设基于总线基地址的偏移量(PERIPH_OFFSET)
• 寄存器相对外设基地址的偏移量(REG_OFFSET)
• 寄存器地址= BUS_BASE_ADDR + PERIPH_OFFSET + REG_OFFSET

而上面的地址可以很轻易的在手册中找到，下面以寻找 STM32F4 中 GPIOA_PUPDR 的地址为例

2.2 如何通过手册查找寄存器地址

首先我们要明确要寻找的地址是什么东西（总线？外设？寄存器？）。GPIOA_PUPDR 是 GPIOA 的一个寄存器，所以我们在这里要寻找的是一个寄存器，而寄存器是基于外设偏移的，而外设是基于总线偏移的，所以我们需要先找到 GPIOA 是挂载到哪一个总线的哪一个外设上的。
打开《STM32F4xx参考手册》，此手册可以在正点原子资料中免费获取，也可以去 ST 官方下载英文版或者中文社区寻找中文版资料，
在2.3 存储器映射中的表2.STM32F4xx寄存器边界地址，找到外设为 GPIOA 的地方，如下图所示：

①：即是我们要寻找的外设
②：可以通过表格看到 GPIOA 是挂载在 AHB1 上
③：GPIOA 的地址刚好是 AHB1 最低的地址，也就是说相对于 AHB1 的起始地址没有偏移，也即 BUS_ BASE_ ADDR = 0x4002 0000，PERIPH_OFFSET=0
④：点击这个超链接我们可以看到 GPIOA 其他寄存器的详细情况

点击④会跳转到 7.4.11 GPIO 寄存器映射，在表32.GPIO 寄存器映射和复位值中，寻找 GPIOA_PUPDR 如下图所示：

①：即是我们要寻找的寄存器
②：相对于 GPIOA 基地址的偏移量，也即是 REG_OFFSET=0x0C
③：可以看到这是 32 位的寄存器，也就是每一个寄存器的大小是 4B（后续会用到）
④：注意到 GPIOB_PUPDR 和 GPIOA_PUPDR 甚至 GPIOx_PUPDR（x为A…I）都是同一个偏移量，这就为我们使用一个结构体来初始化所有的GPIOx提供了可能（往后继续看）

到这里我们已经得到了所有的地址了

BUS_ BASE_ ADDR	PERIPH_OFFSET	REG_OFFSET
0x4002 0000	0x00	0x0C

把他们拼接起来就得到了 GPIOA_PUPDR = 0x4002 000C
那么我们如何对这个地址的正确性进行验证呢？
理论上可以使用 keil5 的 debug 功能来调试查看寄存器的地址，但是我试过好像有点问题，所以换一种方式来验证。使用正点原子的串口例程，我们使用串口把地址发送到电脑上进行查看，我编写了如下的程序

int main(void)
{
    uint8_t len;
    uint16_t times = 0;
    
    HAL_Init();                             /* 初始化HAL库 */
    sys_stm32_clock_init(336, 8, 2, 7);     /* 设置时钟,168Mhz */
    delay_init(168);                        /* 延时初始化 */
    usart_init(115200);                     /* 串口初始化为115200 */
    led_init();                             /* 初始化LED */
    while(1)
    {
        printf("%p\r\n",&GPIOA->PUPDR);
        delay_ms(1000);
    }
}

收到的结果为

与我们计算的结果一致，说明我们的计算方式是正确的，下面将会从代码层面寻找他是如何拼接地址的

2.3 寄存器命名的方式

2.3.1 直接操作寄存器

由于 GPIOA_PUPDR 是 32 位的，所以我们需要使用 int 类型的指针来拿他的地址，使用(unsigned int *)把地址强转为指针类型，然后使用 * 访问地址所指向的值，来对寄存器进行赋值（需要注意寄存器是否可读、可写等）

*(unsigned int *)(0x4002 000C)=0XFFFF;

2.3.2 命名后再操作寄存器

使用宏定义对地址进行了一次命名，相较于第一种方式可读性更好

#define GPIOA_PUPDR *(unsigned int *)(0x4002 000C)
GPIOA_PUPDR = 0XFFFF;

2.3.3 使用结构体命名寄存器

下面是 stm32f407xx.h 里面的内容，他使用了结构体的方式来完成寄存器的映射，下面将会讲解为什么可以通过结构体进行映射

typedef struct
{
  __IO uint32_t MODER;    /*!< GPIO port mode register,               Address offset: 0x00      */
  __IO uint32_t OTYPER;   /*!< GPIO port output type register,        Address offset: 0x04      */
  __IO uint32_t OSPEEDR;  /*!< GPIO port output speed register,       Address offset: 0x08      */
  __IO uint32_t PUPDR;    /*!< GPIO port pull-up/pull-down register,  Address offset: 0x0C      */
  __IO uint32_t IDR;      /*!< GPIO port input data register,         Address offset: 0x10      */
  __IO uint32_t ODR;      /*!< GPIO port output data register,        Address offset: 0x14      */
  __IO uint32_t BSRR;     /*!< GPIO port bit set/reset register,      Address offset: 0x18      */
  __IO uint32_t LCKR;     /*!< GPIO port configuration lock register, Address offset: 0x1C      */
  __IO uint32_t AFR[2];   /*!< GPIO alternate function registers,     Address offset: 0x20-0x24 */
} GPIO_TypeDef;

通过 c 语言的基础知识我们知道，结构体变量的名字实际代表的是结构体的首地址，而结构体内部成员是顺序排列的，在上面的手册中可以看到 GPIOA 的寄存器（除了 AFR）都是 32 位寄存器，意味着我们可以在结构体中依次按照寄存器的名字进行成员的定义。例如 GPIOA_PUPDR ，我们在手册中看到基于 GPIOA 的偏移量为 0x0C ，根据上面代码的定义 __IO uint32_t PUPDR; 位于第 4 行，前面有 3 行其他成员的定义，一共占用空间为 32bit x 3 =12B，正好对应了在手册中的偏移量，同时我们也可以在代码的注释中看到地址偏移为0x0C。上一节提到了 GPIOx_PUPDR（x为A…I）都是同一个偏移量，所以当 GPIO_TypeDef 的基地址不同的时候，便可以定义不同组的 IO 口了，这便是使用结构体的好处。

接下来通过源码的方式来寻找 GPIOx_PUPDR 的地址。
打开 stm32f407xx.h ，搜索 GPIOA ，可以看到下图的宏定义，这里的宏定义和上一小节讲的是一样的，但是他还套娃了很多层，

我们双击 GPIOA_BASE ，按照下图方式操作

可以得到这个

我们继续重复上面的步骤

继续重复

直到这里我们知道了他的地址结构为

PERIPH_BASE	AHB1PERIPH_BASE	GPIOA_BASE
0x40000000UL	PERIPH_BASE + 0x00020000UL	AHB1PERIPH_BASE + 0x0000UL

计算得到 GPIOA_BASE = 0x4002 0000，这个地址通过 #define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE) 就转化为了 GPIOA 结构体的基地址了，然后我们再加上 GPIOx_PUPDR 相对于 GPIOA 偏移量就得到了 GPIOx_PUPDR = 0x4002 000C
至此寄存器映射就结束了，可以通过类似的方式查找到所有的寄存器地址，多看手册和程序源码。