STM32的寄存器深度解析

目录

一、STM32 寄存器概述

二、寄存器的定义与作用

三、寄存器分类

1.内核寄存器

2.外设寄存器

四、重要寄存器详解

1.GPIO 相关寄存器

2.定时器相关寄存器

3.中断相关寄存器

4.RCC 相关寄存器 

五、寄存器操作方法

1.直接操作寄存器

2.使用库函数操作寄存器 

六、总结

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        在嵌入式系统开发中，STM32 微控制器以其强大的性能和丰富的功能而备受青睐。而理解和掌握 STM32 的寄存器是深入学习和开发 STM32 的关键。本文将详细介绍 STM32 的寄存器，帮助读者更好地理解和应用 STM32。

一、STM32 寄存器概述

        寄存器是 CPU 内部用来存放数据的小型存储区域，具有高速存储的特点。在 STM32 中，寄存器可以暂存指令、数据和地址，为微控制器的高效运行提供了关键支持。例如，通过对特定寄存器的操作，可以实现对 GPIO（通用输入输出）端口的配置，控制外设的输入输出状态。在实际的嵌入式开发中，了解和掌握 STM32 寄存器的使用方法至关重要。它不仅可以帮助开发者实现对硬件的精确控制，还能提高程序的性能和可移植性。无论是直接操作寄存器，还是使用高级的库函数，都需要对寄存器的原理有深入的理解。

二、寄存器的定义与作用

        寄存器是一种有限存贮容量的高速存贮部件，在 STM32 微控制器中，它作为 CPU 内部的小型存储区域，起着至关重要的作用。寄存器可以暂存指令、数据和地址，就像一个特殊的地址存放数据的地方。例如，存放数据的寄存器可以直接存储某个引脚的高低电平数据，当需要读取这个数据时，就可以直接到这个寄存器所在的地方询问数据是多少。不同的数据会存放在不同的寄存器中，通过地址来区分这些寄存器，就像不同的行李寄存处在不同的店铺号一样。

        指令、地址寄存器与数据寄存器类似，里面存放的都是 0 和 1，在特定的规定下，数据寄存器里面存放的 0 和 1 表示数据，指令寄存器里存放的表示指令。可以把寄存器类比为有特殊功能的地方，既然是个地方当然就有地址了，所以，可以把寄存器想象为特殊的地址。比如厨房可以类比为寄存器，负责做饭这个特殊功能；仓库也是个寄存器，负责存东西这个特殊功能。需要某些功能的时候，就要操作某个寄存器。

三、寄存器分类

1.内核寄存器

• 通用目的寄存器：用于存储数据和地址，参与算术逻辑运算等操作。在 STM32 中，通用目的寄存器包括 R0-R15 等。其中 R0-R7 是低组寄存器，所有指令都能访问；R8-R12 是高组寄存器，16 位指令不能访问，32 位指令不受限制。
• 堆栈指针寄存器（R13）：每一种异常模式（如中断等）都有其自己独立的 R13，通常指向异常模式所专用的堆栈。不同的模式下都有各自独立的堆栈，用于在程序执行过程中保存临时数据、局部变量等，保证各种模式下程序的状态的完整性。
• 连接寄存器（R14）：保存子程序返回地址。当使用 BL 或 BLX 指令进行跳转时，跳转指令自动把返回地址放入 R14 中，子程序通过把 R14 复制到程序计数器 PC 来实现返回。当异常发生时，异常模式的 R14 用来保存异常返回地址。
• 程序计数器（R15）：存放正在执行的指令的地址。在读取时，返回的值是当前指令的地址加上一定的偏移量（这与处理器的架构和流水线设计有关）；向 PC 中写数据，会引起一次程序的分支。

2.外设寄存器

• 控制寄存器（xxx_CR）：用来控制、配置外设的工作方式，例如 GPIO 端口模式寄存器（GPIOx_MODER），可以配置 GPIO 引脚为输入、输出、模拟等不同的工作模式。
• 状态寄存器（xxx_SR）：存储了当前外设的工作状态，例如串口的状态寄存器（USART_SR），可以通过读取该寄存器的某些位来判断串口是否发送完成、是否接收到数据等。
• 数据寄存器（xxx_DR）：用于存储外设进行输入输出的数据。比如 GPIO 端口的输入数据寄存器（GPIOx_IDR）用于读取 GPIO 引脚的输入状态，输出数据寄存器（GPIOx_ODR）用于设置 GPIO 引脚的输出状态。
• 位操作寄存器：针对某些需要对单个位进行操作的场景，STM32 提供了位操作寄存器。例如 GPIOx_BSRR（设置 / 清除寄存器），可以对 GPIO 引脚的单个位进行置位和复位操作，方便了对特定引脚位的控制，而不必对整个寄存器进行操作。
• 锁定寄存器：用于锁定某些寄存器的配置，防止意外的修改。比如 GPIO 端口配置锁定寄存器（GPIOx_LCKR），可以在配置完成后锁定 GPIO 的配置，避免误操作改变引脚的配置。

四、重要寄存器详解

1.GPIO 相关寄存器

• GPIO 端口模式寄存器（GPIOx_MODER）：
  • 功能：用于配置 GPIO 引脚的工作模式，如输入、输出、模拟、复用等模式。
  • 位定义：每两位控制一个引脚的模式，比如 00 表示输入模式，01 表示输出模式，10 表示模拟模式，11 表示复用功能模式。
  • 举例：若要将 GPIOA 的引脚 5 配置为输出模式，需要将 GPIOA_MODER 寄存器的第 10、11 位设置为 01。
• GPIO 端口输出类型寄存器（GPIOx_OTYPER）：
  • 功能：配置 GPIO 引脚的输出类型是推挽输出还是开漏输出。
  • 位定义：每一位对应一个引脚，0 表示输出推挽（复位状态），1 表示输出开漏。
  • 举例：将 GPIOA_OTYPER 的第 5 位设置为 1，可将 GPIOA 的引脚 5 配置为开漏输出。
• GPIO 端口输出速度寄存器（GPIOx_OSPEEDR）：
  • 功能：设定 GPIO 引脚的输出速度，速度越快，功耗越高，但信号传输速度也越快。
  • 位定义：每两位控制一个引脚的输出速度，00 表示 2MHz（低速），01 表示 25MHz（中速），10 表示 50MHz（快速），11 表示 30pF 时为 100MHz（高速，15pF 时为 80MHz 输出最大速度）。
  • 举例：若要将 GPIOA 的引脚 3 的输出速度设置为快速，需将 GPIOA_OSPEEDR 寄存器的第 6、7 位设置为 10。
• GPIO 端口上拉 / 下拉寄存器（GPIOx_PUPDR）：
  • 功能：配置 GPIO 引脚的上拉或下拉状态，用于在输入模式下确保引脚的默认电平状态。
  • 位定义：每两位控制一个引脚，00 表示无上拉或下拉（浮空），01 表示上拉，10 表示下拉，11 为保留。
  • 举例：将 GPIOA_PUPDR 的第 4 位设置为 01，可将 GPIOA 的引脚 4 配置为上拉输入。
• GPIO 端口输入数据寄存器（GPIOx_IDR）：
  • 功能：该寄存器为只读寄存器，用于读取 GPIO 引脚的输入电平状态。
  • 位定义：每一位对应一个引脚，读取该位的值为 0 或 1，分别表示对应引脚的低电平或高电平。
  • 举例：读取 GPIOA_IDR 寄存器的值，可以获取 GPIOA 所有引脚的输入电平状态。
• GPIO 端口输出数据寄存器（GPIOx_ODR）：
  • 功能：可通过软件读写该寄存器来设置 GPIO 引脚的输出电平，写入 0 为低电平，写入 1 为高电平。
  • 位定义：每一位对应一个引脚的输出状态。
  • 举例：向 GPIOA_ODR 寄存器的某一位写入 1，可将对应引脚设置为高电平输出。
• GPIO 端口置位 / 复位寄存器（GPIOx_BSRR）：
  • 功能：用于对 GPIO 引脚进行置位或复位操作，操作方式简单快速，无需通过修改 GPIOx_ODR 寄存器来实现。
  • 位定义：寄存器的高 16 位为复位位，低 16 位为置位位。写入 1 到相应的位可对引脚进行操作，写入 0 则无操作。
  • 举例：要将 GPIOA 的引脚 2 置位，可向 GPIOA_BSRR 寄存器的第 2 位（低 16 位中的第 2 位）写入 1；要将引脚 7 复位，可向 GPIOA_BSRR 寄存器的第 7 位（高 16 位中的第 7 位）写入 1。
• GPIO 端口配置锁定寄存器（GPIOx_LCKR）：
  • 功能：用于锁定 GPIO 的配置，防止意外的修改。
  • 位定义：第 16 位为锁定键，写入特定的序列可激活锁定功能；第 0 - 15 位为锁定位，用于指定哪些引脚的配置被锁定。
  • 举例：按照锁定键写序列操作 GPIOx_LCKR 寄存器，可锁定 GPIO 引脚的配置。

2.定时器相关寄存器

• 自动装载寄存器（TIMx_ARR）：
  • 功能：决定了定时器的计数周期。当定时器的计数器达到 ARR 的值时，会产生更新事件，可用于触发中断或 DMA 请求等操作。
  • 工作模式：分为自动装载寄存器缓冲寄存器和自动装载寄存器影子寄存器。通过 ARPE 位控制缓冲寄存器的数据何时更新到影子寄存器。当 ARPE = 0 时，写 ARR 时数据直接写入影子寄存器；当 ARPE = 1 时，只有更新事件发生时，缓冲寄存器的数据才更新到影子寄存器。
  • 举例：若要设置定时器的周期为 1000 个计数单位，可将 TIMx_ARR 的值设置为 999（从 0 开始计数到 999 为 1000 个计数单位）。
• 预分频器控制寄存器（TIMx_PSC）：
  • 功能：对定时器的时钟源进行分频，以降低定时器的计数频率。
  • 工作模式：也分为预分频器缓冲寄存器和预分频器影子寄存器。更新事件发生时，缓冲寄存器的内容更新到影子寄存器中。
  • 举例：如果将 TIMx_PSC 的值设置为 999，且定时器的时钟源频率为 72MHz，那么经过预分频器后，定时器的计数频率为 72MHz / (999 + 1) = 72kHz。
• 控制寄存器（TIMx_CR1 等）：
  • 功能：包含定时器的各种控制位，如定时器的使能位、计数模式（向上计数、向下计数、中心对齐计数等）选择位、更新中断使能位等。
  • 位定义：不同的位具有不同的功能，通过对这些位的设置来控制定时器的工作状态。
  • 举例：设置 TIMx_CR1 寄存器的 CEN 位为 1，可使能定时器开始计数。

3.中断相关寄存器

• 中断使能寄存器（NVIC_ISER 等）：
  • 功能：用于使能相应的中断。STM32 有多个中断源，每个中断源都有对应的使能位在中断使能寄存器中。
  • 位定义：例如在 NVIC_ISER[0] 寄存器中，每一位对应一个中断号，写入 1 使能该中断，写入 0 禁止该中断。
  • 举例：要使能外部中断线 0 的中断，需要将 NVIC_ISER[0] 的第 0 位设置为 1。
• 中断优先级寄存器（NVIC_IPR 等）：
  • 功能：设置中断的优先级。STM32 支持多个中断优先级，通过对这些寄存器的设置可以确定不同中断的优先级顺序，高优先级的中断可以打断低优先级的中断执行。
  • 位定义：每个中断号都有对应的 4 位用于设置优先级，数值越小优先级越高。
  • 举例：将某个中断的优先级设置为较高优先级，可将其在 NVIC_IPR 寄存器中对应的 4 位设置为较小的值。

 

4.RCC 相关寄存器 

• 时钟控制寄存器（RCC_CR）：
  • 功能：用于开启或关闭 STM32 的各种时钟源，如高速外部时钟（HSE）、高速内部时钟（HSI）、低速外部时钟（LSE）、低速内部时钟（LSI）等，以及配置时钟的相关参数，如时钟的分频系数等。
  • 位定义：不同的位对应不同的时钟源和参数设置，通过对这些位的操作来控制时钟的状态。
  • 举例：要开启 HSE 时钟，需要将 RCC_CR 寄存器的 HSEON 位设置为 1。
• 时钟配置寄存器（RCC_CFGR）：
  • 功能：用于配置系统时钟的来源以及各种分频系数，如 AHB、APB1、APB2 等总线的分频系数，以确定不同外设的时钟频率。
  • 位定义：通过设置寄存器中的不同位来选择系统时钟源（如 HSE、HSI 等）以及设置分频系数。
  • 举例：若要将系统时钟设置为 HSE 经过分频后作为系统时钟，需要在 RCC_CFGR 寄存器中进行相应的设置。

 

五、寄存器操作方法

1.直接操作寄存器

• 通过指针直接访问寄存器地址，进行读写操作。这种方法需要对寄存器地址有准确的了解，并且需要注意数据类型的匹配。
• 例如：

#define GPIOA_BASE (0x40020000UL)
#define GPIOA_MODER (*(volatile uint32_t *)(GPIOA_BASE + 0x00))

void setup_gpio()
{
    GPIOA_MODER |= (1 << 10); // 设置 GPIOA 引脚 5 为输出模式
}

2.使用库函数操作寄存器 

• STM32 提供了丰富的库函数，可以方便地对寄存器进行操作。使用库函数可以提高开发效率，并且减少错误的发生。
• 例如：

#include "stm32f4xx.h"

void setup_gpio()
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

    // 使能 GPIOA 时钟
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置 GPIOA 引脚 5 为输出模式
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
    GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

六、总结

STM32 的寄存器是控制微控制器功能的关键。通过对寄存器的深入理解和掌握，可以实现对 STM32 的精确控制，提高开发效率和系统性能。在实际开发中，可以根据具体需求选择直接操作寄存器或使用库函数操作寄存器。同时，需要注意寄存器的地址和数据类型的匹配，以及操作的安全性和稳定性。希望本文对读者理解和应用 STM32 的寄存器有所帮助。