瞭解庫開發，咱們從STM32標準庫開發學起

摘要：從STM32新建工程、編譯下載程序出發，讓新手由淺入深，盡享STM32標準庫開發的樂趣。

自從CubeMX等圖像配置軟件的出現，同窗們每每點幾下鼠標就解決了單片機的配置問題。對於追求開發速度的業務場景下，使用快速配置軟件是合理的，高效的，但對於學生的學習場景下，更爲重要的是知其然並知其因此然。

如下是學習（包括但不限於）嵌入式的三個重要內容，

一、學會如何參考官方的手冊和官方的代碼來獨立寫本身的程序。

二、積累經常使用代碼段，知道哪裏的問題須要哪些代碼處理。

三、跟隨大佬步伐，一步一個腳印。

• 首先：咱們都知道編程時通常查的是《參考手冊》，而進行芯片選型或須要芯片數據時，查閱的是《數據手冊》。此外市面上全部關於STM32的書籍都是立足於前兩者（+Cortex內核手冊）進行編著。
• 其次：要分清什麼是內核外設與內核以外的外設，爲了便於區分，按照網上的一種說法，將「內核以外的外設」以「處理器外設」代替。
• 再者：現在不多使用標準庫了，都是HAL庫，但做爲高校目前教學方式，

咱們將以STM32f10xxx爲例對標準庫開發進行概覽。

1、STM32 系統結構

STM32f10xxx 系統結構

內核IP

從結構框圖上看，Cortex-M3 內部有若 幹個總線接口，以使 CM3 能同時取址和訪內（訪問內存），它們是： 指令存儲區總線（兩條）、系統總線、私有外設總線。有兩條代碼存儲區總線負責對代 碼存儲區（即 FLASH 外設）的訪問，分別是 I-Code 總線和 D-Code 總線。

I-Code 用於取指，D-Code 用於查表等操做，它們按最佳執行速度進行優化。

系統總線（System）用於訪問內存和外設，覆蓋的區域包括 SRAM，片上外設，片外 RAM，片外擴展設備，以及系統級存儲區的部分空間。

私有外設總線負責一部分私有外設的訪問，主要就是訪問調試組件。它們也在系統級 存儲區。

還有一個 MDA 總線，從字面上看，DMA 是 data memory access 的意思，是一種鏈接內核和外設的橋樑，它能夠訪問外設、內存，傳輸不受 CPU 的控制，而且是雙向通訊。簡而言之，這個傢伙就是一個速度很快的且不受老大控制的數據搬運工。

處理器外設（內核以外的外設）

從結構框圖上看，STM32 的外設有 串口、定時器、IO 口、FSMC、SDIO、SPI、I2C 等，這些外設按 照速度的不一樣，分別掛載到 AHB、APB二、APB1 這三條總線上。

2、寄存器

什麼是寄存器？寄存器是內置於各個 IP 外設中，是一種用於配置外設功能的存儲器，而且有想對應的地址。一切庫的封裝始於映射。

是否是「又臭又長」，若是進行寄存器開發，就須要懟地址以及對寄存器進行字節賦值，不只效率低並且容易出錯。

來，開個玩笑。

你也許據說過「國際 C 語言亂碼大賽（IOCCC）」下面這個例子就是網上廣爲流傳的 一個經典做品：

#include <stdio.h>

main(t,_,a)char *a;{return!0<t?t<3?main(-79,-13,a+main(-87,1-_,
main(-86,0,a+1)+a)):1,t<_?main(t+1,_,a):3,main(-94,-27+t,a)&&t==2?_<13?
main(2,_+1,"%s %d %d\n"):9:16:t<0?t<-72?main(_,t,
"@n'+,#'/*{}w+/w#cdnr/+,{}r/*de}+,/*{*+,/w{%+,/w#q#n+,/#{l+,/n{n+,/+#n+,/#\
;#q#n+,/+k#;*+,/'r :'d*'3,}{w+K w'K:'+}e#';dq#'l \
q#'+d'K#!/+k#;q#'r}eKK#}w'r}eKK{nl]'/#;#q#n'){)#}w'){){nl]'/+#n';d}rw' i;# \
){nl]!/n{n#'; r{#w'r nc{nl]'/#{l,+'K {rw' iK{;[{nl]'/w#q#n'wk nw' \
iwk{KK{nl]!/w{%'l##w#' i; :{nl]'/*{q#'ld;r'}{nlwb!/*de}'c \
;;{nl'-{}rw]'/+,}##'*}#nc,',#nw]'/+kd'+e}+;#'rdq#w! nr'/ ') }+}{rl#'{n' ')# \
}'+}##(!!/")
:t<-50?_==*a?putchar(31[a]):main(-65,_,a+1):main((*a=='/')+t,_,a+1)
:0<t?main(2,2,"%s"):*a=='/'||main(0,main(-61,*a,
"!ek;dc i@bK'(q)-[w]*%n+r3#l,{}:\nuwloca-O;m.vpbks,fxntdCeghiry"),a+1);}

庫的存在就是爲了解決這類問題，將代碼語義化。語義化思想不只僅是嵌入式有的，前端代碼也在追求語義特性。

3、萬物始於點燈

（1）內核庫文件分析

• cor_cm3.h

這個頭文件實現了：一、內核結構體寄存器定義 二、內核寄存器內存映射 三、內存寄存 器位定義。跟處理器相關的頭文件 stm32f10x.h 實現的功能同樣，一個是針對內核的寄存器，一個是針對內核以外，即處理器的寄存器。

• misc.h

內核應用函數庫頭文件，對應 stm32f10x_xxx.h

• misc.c

內核應用函數庫文件，對應 stm32f10x_xxx.c。在 CM3 這個內核裏面還有一些功能組 件，如 NVIC、SCB、ITM、MPU、CoreDebug，CM3 帶有很是豐富的功能組件，可是芯片 廠商在設計 MCU 的時候有一些並非非要不可的，是可裁剪的，好比 MPU、ITM 等在 STM32 裏面就沒有。其中 NVIC 在每個 CM3 內核的單片機中都會有，但都會被裁剪，只能是 CM3 NVIC 的一個子集。在 NVIC 裏面還有一個 SysTick，是一個系統定時器，能夠提 供時基，通常爲操做系統定時器所用。 misc.h 和 mics.c 這兩個文件提供了操做這些組件的函數，並能夠在 CM3 內核單片機 直接移植。

（2）處理器外設庫文件分析

• startup_stm32f10x_hd.s

這個是由彙編編寫的啓動文件，是 STM32 上電啓動的第一個程序，啓動文件主要實現 了

1. 初始化堆棧指針 SP；
2. 設置 PC 指針=Reset_Handler ；
3. 設置向量表的地址，並 初始化向量表，向量表裏面放的是 STM32 全部中斷函數的入口地址
4. 調用庫函數 SystemInit，把系統時鐘配置成 72M，SystemInit 在庫文件 stytem_stm32f10x.c 中定義；
5. 跳轉到標號_main，最終去到 C 的世界。

• system_stm32f10x.c

這個文件的做用是裏面實現了各類經常使用的系統時鐘設置函數，有 72M，56M，48， 36，24，8M，咱們使用的是是把系統時鐘設置成 72M。

• Stm32f10x.h

這個頭文件很是重要，這個頭文件實現了：一、處理器外設寄存器 的結構體定義 二、處理器外設的內存映射 三、處理器外設寄存器的位定義。

關於 1 和 2 咱們在用寄存器點亮 LED 的時候有講解。

其中 3：處理器外設寄存器的位定義，這個很是重要，具體是什麼意思？咱們知道一個寄存器有不少個位，每一個位寫 1 或 者寫 0 的功能都是不同的，處理器外設寄存器的位定義就是把外設的每一個寄存器的每一 個位寫 1 的 16 進制數定義成一個宏，宏名即用該位的名稱表示，若是咱們操做寄存器要開啓某一個功能的話，就不用本身親自去算這個值是多少，能夠直接到這個頭文件裏面找。

咱們以片上外設 ADC 爲例，假設咱們要啓動 ADC 開始轉換，根據手冊咱們知道是要控制 ADC_CR2 寄存器的位 0：ADON，即往位 0 寫 1，即：

ADC->CR2=0x00000001;

這是 通常的操做方法。如今這個頭文件裏面有關於 ADON 位的位定義：

 #define ADC_CR2_ADON ((uint32_t)0x00000001)

有了這個位定義，咱們剛剛的 代碼就變成了：

ADC->CR2=ADC_CR2_ADON

• stm32f10x_xxx.h

外設 xxx 應用函數庫頭文件，這裏面主要定義了實現外設某一功能 的結構體，好比通用定時器有不少功能，有定時功能，有輸出比較功能，有輸入捕捉功 能，而通用定時器有很是多的寄存器要實現某一個功能，好比定時功能，咱們根本不知道 具體要操做哪些寄存器，這個頭文件就爲咱們打包好了要實現某一個功能的寄存器，是以機構體的形式定義的，好比通用定時器要實現一個定時的功能，咱們只須要初始化 TIM_TimeBaseInitTypeDef 這個結構體裏面的成員便可，裏面的成員就是定時所須要 操做的寄存器。 有了這個頭文件，咱們就知道要實現某個功能須要操做哪些寄存器，而後 再回手冊中精度這些寄存器的說明便可。

• stm32f10x_xxx.c

stm32f10x_xxx.c：外設 xxx 應用函數庫，這裏面寫好了操做 xxx 外設的全部經常使用的函 數，咱們使用庫編程的時候，使用的最多的就是這裏的函數。

（3）SystemInit

工程中新建main.c 。

在此文件中編寫main函數後直接編譯會報錯：

Undefined symbol SystemInit (referred from startup_stm32f10x_hd.o).

錯誤提示說SystemInit 沒有定義。從分析啓動文件startup_stm32f10x_hd.s時咱們知道，

1 ;Reset handler
2 Reset_Handler PROC
3 EXPORT Reset_Handler [WEAK]
4 IMPORT __main
5 ;IMPORT SystemInit
6 ;LDR R0, =SystemInit
7 BLX R0
8 LDR R0, =__main
9 BX R0
10 ENDP

彙編中；分號是註釋的意思

第五行第六行代碼Reset_Handler 調用了SystemInit該函數用來初始化系統時鐘，而該函數是在庫文件system_stm32f10x.c 中實現的。咱們從新寫一個這樣的函數也能夠，把功能完整實現一遍，可是爲了簡單起見，咱們在main 文件裏面定義一個SystemInit 空函數，爲的是騙過編譯器，把這個錯誤去掉。關於配置系統時鐘以後會出文章RCC 時鐘樹詳細介紹，主要配置時鐘控制寄存器(RCC_CR)和時鐘配置寄存器(RCC_CFGR)這兩個寄存器，但最好是直接使用CubeMX直接生成，由於它的配置過程有些冗長。

若是咱們用的是庫，那麼有個庫函數SystemInit，會幫咱們把系統時鐘設置成72M。

如今咱們沒有使用庫，那如今時鐘是多少？答案是8M，當外部HSE 沒有開啓或者出現故障的時候，系統時鐘由內部低速時鐘LSI 提供，如今咱們是沒有開啓HSE，因此係統默認的時鐘是LSI=8M。

（4）庫封裝層級

如圖，達到第四層級即是咱們所熟知的固件庫或HAL庫的效果。固然庫的編寫還須要考慮許多問題，不止於這些內容。咱們須要的是瞭解庫封裝的大概過程。

將庫封裝等級分爲四級來介紹是爲了有層次感，就像打怪升級同樣，進行認知理解的升級。

咱們都知道，操做GPIO輸出分三大步：

時鐘控制：

STM32 外設不少，爲了下降功耗，每一個外設都對應着一個時鐘，在系統復位的時候這些時鐘都是被關閉的，若是想要外設工做，必須把相應的時鐘打開。

STM32 的全部外設的時鐘由一個專門的外設來管理，叫RCC（reset and clockcontrol），RCC 在STM32 參考手冊的第六章。

STM32 的外設由於速率的不一樣，分別掛載到三條總繫上：AHB、APB二、APB1，AHB爲高速總線，APB2 次之，APB1 再次之。因此的IO 口都掛載到APB2 總線上，屬於高速外設。

模式配置：

這個由端口配置寄存器來控制。端口配置寄存器分爲高低兩個，每4bit 控制一個IO 口，因此端口配置低寄存器：CRL 控制這IO 口的低8 位，端口配置高寄存器：CRH控制這IO 口的高8bit。在4 位一組的控制位中，CNFy[1:0] 用來控制端口的輸入輸出，MODEy[1:0]用來控制輸出模式的速率，又稱驅動電路的響應速度，注意此處速率與程序無關，具體內容見文章：【嵌入式】GPIO引腳速度、翻轉速度、輸出速度區別輸入有4種模式，輸出有4種模式，咱們在控制LED 的時候選擇通用推輓輸出。

輸出速率有三種模式：2M、10M、50M，這裏咱們選擇2M。

電平控制：

STM32 的IO 口比較複雜，若是要輸出1 和0，則要經過控制：端口輸出數據寄存器ODR 來實現，ODR 是：Output data register 的簡寫，在STM32 裏面，其寄存器的命名名稱都是英文的簡寫，很容易記住。從手冊上咱們知道ODR 是一個32 位的寄存器，低16位有效，高16 位保留。低16 位對應着IO0~IO16，只要往相應的位置寫入0 或者1 就能夠輸出低或者高電平。

第一層級：基地址宏定義

時鐘控制：

在STM32 中，每一個外設都有一個起始地址，叫作外設基地址，外設的寄存器就以這個基地址爲標準按照順序排列，且每一個寄存器32位，（後面做爲結構體裏面的成員正好內存對齊）。查表看到時鐘由APB2 外設時鐘使能寄存器(RCC_APB2ENR)來控制，其中PB 端口的時鐘由該寄存器的位3 寫1 使能。咱們能夠經過基地址+偏移量0x18，算出RCC_APB2ENR 的地址爲：0x40021018。那麼使能PB 口的時鐘代碼則以下所示：

 #define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018

 // 開啓端口B 時鐘
 RCC_APB2ENR |= 1<<3;

模式配置：

同RCC_APB2ENR 同樣，GPIOB 的起始地址是：0X4001 0C00，咱們也能夠算出GPIO_CRL 的地址爲：0x40010C00。那麼設置PB0 爲通用推輓輸出，輸出速率爲2M 的代碼則以下所示：

同上，從手冊中咱們看到ODR 寄存器的地址偏移是：0CH，能夠算出GPIOB_ODR 寄存器的地址是：0X4001 0C00 + 0X0C = 0X4001 0C0C。如今咱們就能夠定義GPIOB_ODR 這個寄存器了，代碼以下：

#define GPIOB_ODR *(volatile unsigned long *)0x40010C0C

//PB0 輸出低電平
 GPIOB_ODR = 0<<0;

第一層級：基地址宏定義完成用STM32 控制一個LED 的完整代碼：

1 #define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018
2 #define GPIOB_CRL *(volatile unsigned long *)0x40010C00
3 #define GPIOB_ODR *(volatile unsigned long *)0x40010C0C
45
int main(void)
6 {
7 // 開啓端口B 的時鐘
8 RCC_APB2ENR |= 1<<3;
9
10 // 配置PB0 爲通用推輓輸出模式，速率爲2M
11 GPIOB_CRL = (2<<0) | (0<<2);
12
13 // PB0 輸出低電平，點亮LED
14 GPIOB_ODR = 0<<0;
15 }
16
17 void SystemInit(void)
18 {
19 }

第二層級：基地址宏定義+結構體封裝

外設寄存器結構體封裝

上面咱們在操做寄存器的時候，操做的是寄存器的絕對地址，若是每一個寄存器都這樣操做，那將很是麻煩。咱們考慮到外設寄存器的地址都是基於外設基地址的偏移地址，都是在外設基地址上逐個連續遞增的，每一個寄存器佔 32 個或者 16 個字節，這種方式跟結構體裏面的成員相似。因此咱們能夠定義一種外設結構體，結構體的地址等於外設的基地址，結構體的成員等於寄存器，成員的排列順序跟寄存器的順序同樣。這樣咱們操做寄存器的時候就不用每次都找到絕對地址，只要知道外設的基地址就能夠操做外設的所有寄存器，即操做結構體的成員便可。

下面咱們先定義一個 GPIO 寄存器結構體，結構體裏面的成員是 GPIO 的寄存器，成員的順序按照寄存器的偏移地址從低到高排列，成員類型跟寄存器類型同樣。（struct用法參考【C語言】（2）:關鍵字的詳細介紹）

1 typedef struct {
2 volatile uint32_t CRL;
3 volatile uint32_t CRH;
4 volatile uint32_t IDR;
5 volatile uint32_t ODR;
6 volatile uint32_t BSRR;
7 volatile uint32_t BRR;
8 volatile uint32_t LCKR;
9 } GPIO_TypeDef;

在《STM32 中文參考手冊》8.2 寄存器描述章節，咱們能夠找到結構體裏面的7 個寄存器描述。在點亮LED 的時候咱們只用了CRL 和ODR 這兩個寄存器，至於其餘寄存器的功能你們能夠自行看手冊瞭解。

在GPIO 結構體裏面咱們用了兩個數據類型，一個是uint32_t，表示無符號的32 位整型，由於GPIO 的寄存器都是32 位的。這個類型聲明在標準頭文件stdint.h 裏面使用typedef對unsigned int重命名，咱們在程序上只要包含這個頭文件便可。

另一個是volatile（volatile用法參考【C語言】（2）:關鍵字的詳細介紹），做用就是告訴編譯器這裏的變量會變化不因優化而省略此指令，必須每次都直接讀寫其值，這樣就能確保每次讀或者寫寄存器都真正執行到位。

外設封裝

STM32F1 系列的GPIO 端口分A~G，即GPIOA、GPIOB。。。。。。GPIOG。每一個端口都含有GPIO_TypeDef 結構體裏面的寄存器，咱們能夠根據手冊各個端口的基地址把GPIO 的各個端口定義成一個GPIO_TypeDef 類型指針，而後咱們就能夠根據端口名（實際上如今是結構體指針了）來操做各個端口的寄存器，代碼實現以下：

1 #define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 0800)
2 #define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 0C00)
3 #define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1000)
4 #define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1400)
5 #define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1800)
6 #define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1C00)
7 #define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 2000)

外設內存映射

講到基地址的時候咱們再引人一個知識點：Cortex-M3 存儲器系統，這個知識點在《Cortex-M3 權威指南》第5 章裏面講到。CM3 的地址空間是4GB，以下圖所示：

咱們這裏要講的是片上外設，就是咱們所說的寄存器的根據地，其大小總共有512MB，512MB 是其極限空間，並非每一個單片機都用得完，實際上各個MCU 廠商都只是用了一部分而已。STM32F1 系列用到了：0x4000 0000 ~0x5003 FFFF。如今咱們說的STM32 的寄存器就是位於這個區域

• APB一、APB二、AHB 總線基地址

如今咱們說的STM32 的寄存器就是位於這個區域，這裏面ST 設計了三條總線：AHB、APB2 和APB1，其中AHB 和APB2 是高速總線，APB1 是低速總線。不一樣的外設根據速度不一樣分別掛載到這三條總線上。從下往上依次是：APB一、APB二、AHB，每一個總線對應的地址分別是：APB1：0x40000000，APB2：0x4001 0000，AHB：0x4001 8000。

這三條總線的基地址咱們是從《STM32 中文參考手冊》2.3 小節—存儲器映像獲得的：APB1 的基地址是TIM2 定時器的起始地址，APB2 的基地址是AFIO 的起始地址，AHB 的基地址是SDIO 的起始地址。其中APB1 地址又叫作外設基地址，是全部外設的基地址，叫作PERIPH_BASE。

如今咱們把這三條總線地址用宏定義出來，之後咱們在定義其餘外設基地址的時候，只須要在這三條總線的基址上加上偏移地址便可，代碼以下：

1 #define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)
2 #define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
3 #define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000)
4 #define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x20000)

• GPIO 端口基地址

由於GPIO 掛載到APB2 總線上，那麼如今咱們就能夠根據APB2 的基址算出各個GPIO 端口的基地址，用宏定義實現代碼以下：

1 #define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
2 #define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
3 #define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
4 #define GPIOD_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)
5 #define GPIOE_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1800)
6 #define GPIOF_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1C00)
7 #define GPIOG_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x2000)

第二層級：基地址宏定義+結構體封裝完成用STM32 控制一個LED 的完整代碼：

1 #include <stdint.h>
2 #define __IO volatile
3
4typedef struct {
5 __IO uint32_t CRL;
6 __IO uint32_t CRH;
7 __IO uint32_t IDR;
8 __IO uint32_t ODR;
9 __IO uint32_t BSRR;
10 __IO uint32_t BRR;
11 __IO uint32_t LCKR;
12 } GPIO_TypeDef;
13
14 typedef struct {
15 __IO uint32_t CR;
16 __IO uint32_t CFGR;
17 __IO uint32_t CIR;
18 __IO uint32_t APB2RSTR;
19 __IO uint32_t APB1RSTR;
20 __IO uint32_t AHBENR;
21 __IO uint32_t APB2ENR;
22 __IO uint32_t APB1ENR;
23 __IO uint32_t BDCR;
24 __IO uint32_t CSR;
25 } RCC_TypeDef;
26
27 #define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)
28
29 #define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
30 #define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000)
31 #define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x20000)
32
33 #define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
34 #define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
35 #define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
36 #define GPIOD_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)
37 #define GPIOE_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1800)
38 #define GPIOF_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1C00)
39 #define GPIOG_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x2000)
40 #define RCC_BASE (AHBPERIPH_BASE + 0x1000)
41
42 #define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
43 #define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
44 #define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
45 #define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)
46 #define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)
47 #define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)
48 #define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)
49 #define RCC ((RCC_TypeDef *) RCC_BASE)
50
51
52 #define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018
53 #define GPIOB_CRL *(volatile unsigned long *)0x40010C00
54 #define GPIOB_ODR *(volatile unsigned long *)0x40010C0C
55
56 int main(void)
57 {
58 // 開啓端口B 的時鐘
59 RCC->APB2ENR |= 1<<3;
60
61 // 配置PB0 爲通用推輓輸出模式，速率爲2M
62 GPIOB->CRL = (2<<0) | (0<<2);
63
64 // PB0 輸出低電平，點亮LED
65 GPIOB->ODR = 0<<0;
66
67 }
68
69 void SystemInit(void)
70 {
71 }

第二層級變化：

①、定義一個外設（GPIO）寄存器結構體，結構體的成員包含該外設的全部寄存器，成員的排列順序跟寄存器偏移地址同樣，成員的數據類型跟寄存器的同樣。

②外設內存映射，即把地址跟外設創建起一一對應的關係。

③外設聲明，即把外設的名字定義成一個外設寄存器結構體類型的指針。

④經過結構體操做寄存器，實現點亮LED。

第三層級：基地址宏定義+結構體封裝+「位封裝」（每一位的對應字節封裝）

上面咱們在控制GPIO 輸出內容的時候控制的是ODR（Output data register）寄存器，ODR 是一個16 位的寄存器，必須以字的形式控制其實咱們還能夠控制BSRR 和BRR 這兩個寄存器來控制IO 的電平，下面咱們簡單介紹下BRR 寄存器的功能，BSRR 自行看手冊研究。

位清除寄存器BRR 只能實現位清0 操做，是一個32 位寄存器，低16 位有效，寫0 沒影響，寫1 清0。如今咱們要使PB0 輸出低電平，點亮LED，則只要往BRR 的BR0 位寫1 便可，其餘位爲0，代碼以下：

1 GPIOB->BRR = 0X0001;

這時PB0 就輸出了低電平，LED 就被點亮了。

若是要PB2 輸出低電平，則是：

1 GPIOB->BRR = 0X0004;

若是要PB3/4/5/6。。。。。。這些IO 輸出低電平呢？道理是同樣的，只要往BRR 的相應位置賦不一樣的值便可。由於BRR 是一個16 位的寄存器，位數比較多，賦值的時候容易出錯，並且從賦值的16 進制數字咱們很難清楚的知道控制的是哪一個IO。這時，咱們是否能夠把BRR 的每一個位置1 都用宏定義來實現，如GPIO_Pin_0 就表示0X0001，GPIO_Pin_2 就表示0X0004。只要咱們定義一次，之後均可以使用，並且還見名知意。「位封裝」（每一位的對應字節封裝） 代碼以下：

1 #define GPIO_Pin_0 ((uint16_t)0x0001) /*!< Pin 0 selected */
2 #define GPIO_Pin_1 ((uint16_t)0x0002) /*!< Pin 1 selected */
3 #define GPIO_Pin_2 ((uint16_t)0x0004) /*!< Pin 2 selected */
4 #define GPIO_Pin_3 ((uint16_t)0x0008) /*!< Pin 3 selected */
5 #define GPIO_Pin_4 ((uint16_t)0x0010) /*!< Pin 4 selected */
6 #define GPIO_Pin_5 ((uint16_t)0x0020) /*!< Pin 5 selected */
7 #define GPIO_Pin_6 ((uint16_t)0x0040) /*!< Pin 6 selected */
8 #define GPIO_Pin_7 ((uint16_t)0x0080) /*!< Pin 7 selected */
9 #define GPIO_Pin_8 ((uint16_t)0x0100) /*!< Pin 8 selected */
10 #define GPIO_Pin_9 ((uint16_t)0x0200) /*!< Pin 9 selected */
11 #define GPIO_Pin_10 ((uint16_t)0x0400) /*!< Pin 10 selected */
12 #define GPIO_Pin_11 ((uint16_t)0x0800) /*!< Pin 11 selected */
13 #define GPIO_Pin_12 ((uint16_t)0x1000) /*!< Pin 12 selected */
14 #define GPIO_Pin_13 ((uint16_t)0x2000) /*!< Pin 13 selected */
15 #define GPIO_Pin_14 ((uint16_t)0x4000) /*!< Pin 14 selected */
16 #define GPIO_Pin_15 ((uint16_t)0x8000) /*!< Pin 15 selected */
17 #define GPIO_Pin_All ((uint16_t)0xFFFF) /*!< All pins selected */

這時PB0 就輸出了低電平的代碼就變成了：

1 GPIOB->BRR = GPIO_Pin_0;

（若是同時讓PB0/PB15輸出低電平，用或運算，代碼：

1 GPIOB->BRR = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_15;

爲了避免使main 函數看起來冗餘，上述庫封裝 的代碼不該該放在main 裏面，由於其是跟GPIO 相關的，咱們能夠把這些宏放在一個單獨的頭文件裏面。

在工程目錄下新建stm32f10x_gpio.h，把封裝代碼放裏面，而後把這個文件添加到工程裏面。這時咱們只須要在main.c 裏面包含這個頭文件便可。

第四層級：基地址宏定義+結構體封裝+「位封裝」+函數封裝

咱們點亮LED 的時候，控制的是PB0 這個IO，若是LED 接到的是其餘IO，咱們就須要把GPIOB 修改爲其餘的端口，其實這樣修改起來也很快很方便。可是爲了提升程序的可讀性和可移植性，咱們是否能夠編寫一個專門的函數用來複位GPIO 的某個位，這個函數有兩個形參，一個是GPIOX（X=A...G），另一個是GPIO_Pin（0...15），函數的主體則是根據形參GPIOX 和GPIO_Pin 來控制BRR 寄存器，代碼以下：

1 void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
2 {
3 GPIOx->BRR = GPIO_Pin;
4 }

這時，PB0 輸出低電平，點亮LED 的代碼就變成了：

1 GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);

同理， 咱們能夠控制BSRR 這個寄存器來實現關閉LED，代碼以下：

1 // GPIO 端口置位函數
2 void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
3 {
4 GPIOx->BSRR = GPIO_Pin;
5 }

這時，PB0 輸出高電平，關閉LED 的代碼就變成了：

1 GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);

一樣，由於這個函數是控制GPIO 的函數，咱們能夠新建一個專門的文件來放跟gpio有關的函數。

在工程目錄下新建stm32f10x_gpio.c，把GPIO 相關的函數放裏面。這時咱們是否發現剛剛新建了一個頭文件stm32f10x_gpio.h，這兩個文件存放的都是跟外設GPIO 相關的。C 文件裏面的函數會用到h 頭文件裏面的定義，這兩個文件是相輔相成的，故咱們在stm32f10x_gpio.c 文件中也包含stm32f10x_gpio.h 這個頭文件。別忘了把stm32f10x.h 這個頭文件也包含進去，由於有關寄存器的全部定義都在這個頭文件裏面。

若是咱們寫其餘外設的函數，咱們也應該跟GPIO 同樣，新建兩個文件專門來存函數，好比RCC 這個外設咱們能夠新建stm32f10x_rcc.c 和stm32f10x_rcc.h。其餘外依葫蘆畫瓢便可。

（5）實例編寫

以上，是對庫封住過程的概述，下面咱們正在地使用庫函數編寫LED程序

①管理庫的頭文件

當咱們開始調用庫函數寫代碼的時候，有些庫咱們不須要，在編譯的時候能夠不編譯，能夠經過一個總的頭文件stm32f10x_conf.h 來控制，該頭文件主要代碼以下：

1 //#include "stm32f10x_adc.h"
2 //#include "stm32f10x_bkp.h"
3 //#include "stm32f10x_can.h"
4 //#include "stm32f10x_cec.h"
5 //#include "stm32f10x_crc.h"
6 //#include "stm32f10x_dac.h"
7 //#include "stm32f10x_dbgmcu.h"
8 //#include "stm32f10x_dma.h"
9 //#include "stm32f10x_exti.h"
10 //#include "stm32f10x_flash.h"
11 //#include "stm32f10x_fsmc.h"
12 #include "stm32f10x_gpio.h"
13 //#include "stm32f10x_i2c.h"
14 //#include "stm32f10x_iwdg.h"
15 //#include "stm32f10x_pwr.h"
16 #include "stm32f10x_rcc.h"
17 //#include "stm32f10x_rtc.h"
18 //#include "stm32f10x_sdio.h"
19 //#include "stm32f10x_spi.h"
20 //#include "stm32f10x_tim.h"
21 //#include "stm32f10x_usart.h"
22 //#include "stm32f10x_wwdg.h"
23 //#include "misc.h"

這裏麪包含了所有外設的頭文件，點亮一個LED 咱們只須要RCC 和GPIO 這兩個外設的庫函數便可，其中RCC 控制的是時鐘，GPIO 控制的具體的IO 口。因此其餘外設庫函數的頭文件咱們註釋掉，當咱們須要的時候就把相應頭文件的註釋去掉便可。

stm32f10x_conf.h 這個頭文件在stm32f10x.h 這個頭文件的最後面被包含，在第8296行：

1 #ifdef USE_STDPERIPH_DRIVER
2 #include "stm32f10x_conf.h"
3 #endif

代碼的意思是，若是定義了USE_STDPERIPH_DRIVER 這個宏的話，就包含stm32f10x_conf.h 這個頭文件。咱們在新建工程的時候，在魔術棒選項卡C/C++中，咱們定義了USE_STDPERIPH_DRIVER 這個宏，因此stm32f10x_conf.h 這個頭文件就被stm32f10x.h 包含了，咱們在寫程序的時候只須要調用一個頭文件：stm32f10x.h 便可。（預處理指令詳細內容會在【C語言】的文章中提到）

②編寫LED 初始化函數

通過寄存器點亮LED 的操做，咱們知道操做一個GPIO 輸出的編程要點大概以下：

一、開啓GPIO 的端口時鐘

二、選擇要具體控制的IO 口，即pin

三、選擇IO 口輸出的速率，即speed

四、選擇IO 口輸出的模式，即mode

五、輸出高/低電平

STM32 的時鐘功能很是豐富，配置靈活，爲了下降功耗，每一個外設的時鐘均可以獨自的關閉和開啓。STM32 中跟時鐘有關的功能都由RCC 這個外設控制，RCC 中有三個寄存器控制着因此外設時鐘的開啓和關閉：RCC_APHENR、RCC_APB2ENR 和RCC_APB1ENR，AHB、APB2 和APB1 表明着三條總線，全部的外設都是掛載到這三條總線上，GPIO 屬於高速的外設，掛載到APB2 總線上，因此其時鐘有RCC_APB2ENR 控制。

GPIO 時鐘控制

固件庫函數：RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE)函數的

原型爲：

1 void RCC_APB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB2Periph,
                                FunctionalState NewState)
2 {
3 /* Check the parameters */
4 assert_param(IS_RCC_APB2_PERIPH(RCC_APB2Periph));
5 assert_param(IS_FUNCTIONAL_STATE(NewState));
6 if (NewState != DISABLE) {
7 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2Periph;
8 } else {
9 RCC->APB2ENR &= ~RCC_APB2Periph;
10 }
11 }

當程序編譯一次以後，把光標定位到函數/變量/宏定義處，按鍵盤的F12 或鼠標右鍵的Go to definition of，就能夠找到原型。固件庫的底層操做的就是RCC 外設的APB2ENR這個寄存器，宏RCC_APB2Periph_GPIOB 的原型是：0x00000008，即（1<<3），還原成存器操做就是：RCC->APB2ENR |= 1<<<3。相比固件庫操做，寄存器操做的代碼可讀性就不好，只有才查閱寄存器配置才知道具體代碼的功能，而固件庫操做剛好相反，見名知意。

GPIO 端口配置

GPIO 的pin，速度，模式，都由GPIO 的端口配置寄存器來控制，其中IO0~IO7 由端口配置低寄存器CRL 控制，IO8~IO15 由端口配置高寄存器CRH 配置。固件庫把端口配置的pin，速度和模式封裝成一個結構體：

1 typedef struct {
2 uint16_t GPIO_Pin;
3 GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;
4 GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;
5 } GPIO_InitTypeDef;

pin 能夠是GPIO_Pin_0~GPIO_Pin_15 或者是GPIO_Pin_All，這些都是庫預先定義好的宏。speed 也被封裝成一個結構體：

1 typedef enum {
2 GPIO_Speed_10MHz = 1,
3 GPIO_Speed_2MHz,
4 GPIO_Speed_50MHz
5 } GPIOSpeed_TypeDef;

速度能夠是10M，2M 或者50M，這個由端口配置寄存器的MODE 位控制，速度是針對IO 口輸出的時候而言，在輸入的時候能夠不用設置。mode 也被封裝成一個結構體：

1 typedef enum {
2 GPIO_Mode_AIN = 0x0, // 模擬輸入
3 GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, // 浮空輸入（復位後的狀態）
4 GPIO_Mode_IPD = 0x28, // 下拉輸入
5 GPIO_Mode_IPU = 0x48, // 上拉輸入
6 GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, // 通用開漏輸出
7 GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, // 通用推輓輸出
8 GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, // 複用開漏輸出
9 GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 // 複用推輓輸出
10 } GPIOMode_TypeDef;

IO 口的模式有8 種，輸入輸出各4 種，由端口配置寄存器的CNF 配置。平時用的最多的就是通用推輓輸出，能夠輸出高低電平，驅動能力大，通常用於接數字器件。至於剩下的七種模式的用法和電路原理，咱們在後面的GPIO 章節再詳細講解。

最終用固件庫實現就變成這樣：

1 // 定義一個GPIO_InitTypeDef 類型的結構體
2 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
3
4// 選擇要控制的IO 口
5 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
6
7// 設置引腳爲推輓輸出
8 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
9
10 // 設置引腳速率爲50MHz
11 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
12
13 /*調用庫函數，初始化GPIOB0*/
14 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

假若同一端口下不一樣引腳有不一樣的模式配置，每次對每一個引腳配置完成後都要調用GPIO初始化函數，代碼以下：

 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15 ;                      
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;                  //上拉輸入
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 ;                     
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;               //推輓輸出
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); 

GPIO 輸出控制

GPIO 輸出控制，能夠經過端口數據輸出寄存器ODR、端口位設置/清除寄存器BSRR和端口位清除寄存器BRR 這三個來控制。端口輸出寄存器ODR 是一個32 位的寄存器，低16 位有效，對應着IO0~IO15，只能以字的形式操做，通常使用寄存器操做。

// PB0 輸出高電平，點亮LED
 GPIOB->ODR = 1<<0;

端口位清除寄存器BRR 是一個32 位的寄存器，低十六位有效，對應着IO0~IO15，只能以字的形式操做，能夠單獨對某一個位操做，寫1 清0。

// PB0 輸出低電平，點亮LED
 GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);

BSRR 是一個32 位的寄存器，低16 位用於置位，寫1 有效，高16 位用於復位，寫1有效，至關於BRR 寄存器。高16 位咱們通常不用，而是操做BRR 這個寄存器，因此BSRR 這個寄存器通常用來置位操做。

// PB0 輸出高電平，熄滅LED
 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);

綜上：固件庫LED GPIO 初始化函數

1 void LED_GPIO_Config(void)
2 {
3 // 定義一個GPIO_InitTypeDef 類型的結構體
4 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
5
6// 開啓GPIOB 的時鐘
7 RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
8
9// 選擇要控制的IO 口
10 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
11
12 // 設置引腳爲推輓輸出
13 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
14
15 // 設置引腳速率爲50MHz
16 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
17
18 /*調用庫函數，初始化GPIOB0*/
19 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
20
21 // 關閉LED
22 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
23 }

主函數

1 #include "stm32f10x.h"
2
3
void SOFT_Delay(__IO uint32_t nCount);
4 void LED_GPIO_Config(void);
5
6int main(void)
7 {
8 // 程序來到main 函數以前，啓動文件：statup_stm32f10x_hd.s 已經調用
9 // SystemInit()函數把系統時鐘初始化成72MHZ
10 // SystemInit()在system_stm32f10x.c 中定義
11 // 若是用戶想修改系統時鐘，可自行編寫程序修改
12
13 LED_GPIO_Config();
14
15 while ( 1 ) {
16 // 點亮LED
17 GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
18 Time_Delay(0x0FFFFF);
19
20 // 熄滅LED
21 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
22 Time_Delay(0x0FFFFF);
23 }
24 }
25// 簡陋的軟件延時函數
26 void Time_Delay(volatile uint32_t Count)
27 {
28 for (; Count != 0; Count--);
29 }

注意void Time_Delay(volatile uint32_t Count)只是一個簡陋的軟件延時函數，若是小夥伴們有興趣能夠看一看MultiTimer，它是一個軟件定時器擴展模塊，可無限擴展所需的定時器任務，取代傳統的標誌位判斷方式， 更優雅更便捷地管理程序的時間觸發時序。

本文分享自華爲雲社區《【嵌入式】層層遞進，瞭解庫開發》，原文做者：LongYorke。

 

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