STM32 入门 —— 寄存器与 GPIO

STM32 总线构图：

寄存器

什么是寄存器

根据百度百科介绍，寄存器是中央处理器内的组成部分。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和地址。简单来说，寄存器就是存放东西的东西，存放的东西是指令、数据或地址

存放数据的寄存器最容易理解，不同的数据存在不同的寄存器下，不同的寄存器有不同的地址，要想获得数据，我们直接访问寄存器，就可以直接获得数据

指令、地址寄存器与数据寄存器相似，存放的都是 0/1 编码，由于单片机只认识机器码，机器码都是 0/1 ，只是在特别的规定下，数据寄存器中的 0/1 编码表示数据，而指令寄存器李存放的表示指令

如何找到寄存器地址

查找《STM32中文参考手册_V10》，在手册的第 28 页给出了不同寄存器的地址范围，但是手册并没有直接给出，需要稍加计算，可以得出寄存器地址

下面以读取 PB3 引脚电平为例，介绍查找步骤

首先，找到 GPIOB 的基地址：

PB3 引脚相关信息可以查看《STM32F103x8, STM32F103xB数据手册》：

可知 PB3 引脚既可以输入也可以输出

然后，需要找到输入端口寄存器的地址偏移：

由手册可知，地址偏移为 0x08 ，最终可知地址为：0x40010c00 + 0x08 = 0x40010c08

最后找到对应的位置：

这个寄存器的位数是 32 位，虽然高 16 位没有用到，每个寄存器都占据 4 个字节，32位，而 CPU 的总线一次可以操作 32 位

最后得出：PB3 的输入数据位于 0x4001 0C08 这个地址上，这个地址上存放数据的右起第 4 个位就是 PB3 引脚对应的高低电平

访问地址代码如下：

 unsigned int *pGPIOB_IDR = (unsigned int *)0x40010C08;
 unsigned char PB3 = *pGPIOB_IDR & 0x8;//取出从右往左数的第4位

直接访问的操作并不好用，每操作一个寄存器就必须去查看数据手册，然后找找这个寄存器的地址
意法半导体公司为了方便大家使用，就把这些寄存器都起了一目了然的名字，把寄存器与地址映射关系放在他们提供的头文件里。这个文件就是 stm32f10x.h

寄存器映射原理

寄存器映射是在存储器的基础上进行的，所以在了解寄存器映射原理之前，需要了解存储器映射原理

存储器映射

存储器在产家制作完成后是一片没有任何信息的物理存储器，而 CPU 要进行访存就涉及到内存地址的概念，因此存储器映射就是为物理内存按一定编码规则分配地址的行为。值得注意，存储器映射一般是由产家规定，用户不能随意更改

注意：STM32 中，I-Code Bus与D-Code Bus 默认映射到 0x00000000 ~ 0x1FFFFFFF 内存地址段；AHB 系统总线默认映射到0x20000000 ~ 0xDFFFFFFF 和 0xE0100000 ~ 0xFFFFFFFF 两个内存地址段；APB 外设总线默认映射到 0xE0040000 ~ 0xE00FFFFF 内存地址段，但由于 TPIU、ETM 以及 ROM 表占用部分空间，实际可用地址区间为 0xE0042000~0xE00FF000

寄存器

寄存器映射是在存储器映射基础上进行的

STM32 中，对硬件操作，本质上就是对寄存器操作。在存储器片上外设区域，四字节为一个单元，每个单元对应不同的功能。

当我们控制这些单元时就可以驱动外设工作，我们可以找到每个单元的起始地址，然后通过 C 语言指针的操作方式来访问这些单元。

但若每次都是通过这种方式访问地址，不好记忆且易出错。这时我们可以根据每个单元功能的不同，以功能为名给这个内存单元取一个别名，这个别名实质上就是寄存器名字。给已分配好地址（通过存储器映射实现）的有特定功能的内存单元取别名的过程就叫寄存器映射。

以 GPIO 寄存器 CRL 为例，给出 CRL 定义：

typedef struct
{
	__IO unit32_t CRL;
	__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;

在实际使用时，会有 GPIOA->CRL=0x0000 0000 这种写法，表示将 16 进制数 0 赋值给 GPIOA 的 CRL 寄存器所在的存储单元。而 GPIOA->CRL 就构造了一个寄存器映射。具体过程如下：

#define PERIPH_BASE	((unit32_t)0x40000000)

这里属于存储器级别的映射，将外设基地址映射到 0x40000000 ，可以对应下图：

#define APB2PERIPH_BASE	(PERIPH_BASE + 0X10000)

这里对外设基地址进行偏移量为 0x10000 的地址偏移，偏移到 APB2 总线对应外设区:

#define GPIOA_BASE	(APB2PERIPH_BASE + 0x0800)

这里对 APB2 外设基地址进行偏移量为 0x0800 的地址偏移，偏移到 GPIOA 对应区域:

#define GPIOA	((GPIO_TypeDef *) 	GPIOA_BASE)

这里将 GPIOA 宏定义为 GPIOA 基地址经过强制类型转换为 GPIO_TypeDef 的指针，这样的作用是使 GPIOA 结构体内对应的成员按顺序填充内存区域，如图3所示。因此 GPIOA 的 CRL 寄存器就是作为 GPIOA 基地址后的第一个内存块，GPIOA->CRL 的本质就是这个内存块的地址，或者说是用 GPIOA->CRL 给这个地址取了个形象的别名，即寄存器映射。

地址映射原理

在 STM32 开发中，我们通常使用库进行开发。说白了，32 开发是从底层一层一层封装上去的。到我们开发者这里，就是使用最上层的接口进行开发。但是一层一层看下去，还是对寄存器的控制，要控制寄存器，就需要操作寄存器地址。

stm32 地址映射如下：

在倒数第三紫色区域是片上外设的地址区域，这里反映了片上外设的地址，我们通过操作这些地址，便能操作这些外设寄存器。
在 stm32 中，有三大总线，AHB 总线，APB1 总线以及 APB2 总线。不同的外设挂载在不同的总线上。比如 GPIO，串口 1 ，ADC 以及部分定时器挂载在 APB2 总线上。
打开 stm32f10x.h 这个文件，这个文件主要包含 stm32 中寄存器地址和结构体类型定义，在使用到固件库的地方都要包含该头文件。这里通过一些宏定义代码来说明一下地址映射与挂载总线的关系。

#define GPIOC_BASE	(APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
#define APB2PERIPH_BASE	(PERIPH_BASE + 0x10000)
#define PERIPH_BASE	((unit32_t)0x40000000)

从代码可以看到 APB2 之类的字眼，这不是总线么？注意，有一个 PERIPH_BASE 的地址为 0x40000000 ，这不是片上外设的首地址么。这里，这个地址称作外设基地址。同样，APB2PERIPH_BASE 称作 APB2 总线外设基地址，毕竟都有 base。

总线的基地址：

也就是说，该总线上所挂载的模块都在这个地址区间内。下面的图是挂载在总线上面各寄存器以及寄存器组的地址：

GPIO

对于一个单片机，对基本的代码操作就是点亮 LED 灯，也就是说要对 I/O 口进行操作，STM32 中的 I/O 端口就是 GPIO ，软件可以控制的通用输入输出端口，STM32 通过 GPIO 引脚链接外部设备，达到与外部通信，控制以及采集数据的功能

引脚分类与说明如下：

基础知识

STM32F103C8 的开发板里总共有 5 组 I/O 口、 37 个IO口，分别是 GPIOA~GPIOG 。每个 I/O 端口位可以自由编程，可以由软件分别配置成多种模式，但 I/O 端口寄存器必须按 32 位字节访问，不允许半字或单字节访问。

GPIOx_BSRR 和 GPIOx_BRR 寄存器允许对任何 GPIO 寄存器的读/更改的独立访问；这样，在读和更改访问之间产生 IRQ 时不会发生危险。端口位配置 CNFx[1:0]=xxb，MODEx[1:0]=xxb

GPIO_InitTypeDef 是 GPIO 口的一个定义结构体，包含一个 16 位的变量 GPIO_Pin ；一个 GPIOSpeed_TypeDef 枚举结构体GPIO_Speed；一个 GPIOMode_TypeDef 枚举结构体 GPIO_Mode ；这 3 个变量可以在外部被定义，用于初始化或者改变某些 GPIO 的速度跟类型。

STM32 每个 GPI/O 端口有两个 32 位配置寄存器(GPIOx_CRL，GPIOx_CRH)，两个32位数据寄存器(GPIOx_IDR，GPIOx_ODR)，一个 32 位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)，一个 16 位复位寄存器(GPIOx_BRR)和一个 32 位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。

GPIO 的工作模式主要有八种：4 种输入方式，4 种输出方式，分别为输入浮空，输入上拉，输入下拉，模拟输入；输出方式为开漏输出，开漏复用输出，推挽输出，推挽复用输出。同时，GPIO还支持三种最大翻转速度（2MHz、10MHz、50MHz）

I/O 端口位的基本结构：

5v 兼容 I/O 端口位的基本结构：

GPIO 电平标准

在 STM32 的数据手册中我们可以查到，STM32 单片机的 I/O 口电平兼容 CMOS 电平和 TTL 电平，逻辑电平 0 所代表得电压范围在 0.8v 以下，大于 2v 的话就代表逻辑 1 。

所有 I/O 端口都是 CMOS 和 TTL 兼容(不需软件配置)，它们的特性考虑了多数严格的 CMOS 工艺或 TTL 参数：
● 对于 VIH：
− 如果 VDD 是介于 [2.00V~3.08V] ；使用CMOS特性但包含 TTL。
− 如果 VDD 是介于 [3.08V~3.60V] ；使用TTL特性但包含 CMOS。
● 对于 VIL：
− 如果 VDD 是介于 [2.00V~2.28V] ；使用TTL特性但包含 CMOS。
− 如果 VDD 是介于 [2.28V~3.60V] ；使用CMOS特性但包含 TTL。

由于本人不是专业学习电路的，所以这里仅作上述简单介绍

GPIO 端口初始化

GPIO 端口初始化大致可以分为三个步骤：

1.时钟配置

2.输入输出模式设置

3.最大速率设置

时钟配置

对于 STM32 有 5 个时钟源，如下：

简称	时钟源名称	频率范围
HSI	高速内部时钟	8MHZ
HSE	高速外部时钟	4MHZ~16MHZ
LSI	低速内部时钟	40KHZ
LSE	低速外部时钟	32.768KHZ
PLL	锁相环倍频输出	输出频率最大不得超过 72MHz

时钟树如下图：

程序刚启动的时候，stm32采用的为内部高速时钟。如果需要采用外部时钟，需要按照如下的方式配置：

时钟初始化，即将时钟的寄存器采用默认值。
开始外部时钟且外部时钟起震准备就绪。
设置 PLLXTPRE（只能在关闭PLL时才能写入此位），可选择分频不分频。
设置进入 PLL 的源时钟（只能在关闭 PLL 时才能写入此位）。因为采用外部时钟所以只有一种设置。
设置 PLL 倍频系数 PLLMUL（只有在 PLL 关闭的情况下才可被写入）。
开启 PLL ，且准备就绪。
设置 SW ，选择时钟源为系统时钟。
判断是否是预选的时钟为系统时钟。

输入输出模式设置

GPIO_Mode_AIN 模拟输入（应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电）
GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入（浮空就是浮在半空，可以被其他物体拉上或者拉下，可以用于按键输入）
GPIO_Mode_IPD 下拉输入（IO内部下拉电阻输入）
GPIO_Mode_IPU 上拉输入（IO内部上拉电阻输入）
GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出（开漏输出:输出端相当于三极管的集电极. 要得到高电平状态需要上拉电阻才行）
GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出（推挽就是有推有拉电平都是确定的，不需要上拉和下拉，IO输出0-接GND， IO输出1 -接VCC，读输入值是未知的）
GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出（片内外设功能（I2C的SCL,SDA））
_Mode_AF_PP 复用推挽输出（片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS））

代码	模式
GPIO_Mode_IPU	上拉输入
GPIO_Mode_AIN	模拟输入
GPIO_Mode_IN_FLOATING	浮空输入
GPIO_Mode_IPD	下拉输入
GPIO_Mode_Out_OD	开漏输出
GPIO_Mode_Out_PP	推挽输出
GPIO_Mode_AF_OD	复用开漏输出
GPIO_Mode_AF_PP	复用推挽输出

输入模式名称	作用	原理
上拉输入模式	在默认状态下(GPIO引脚无输入)，读取得的 GPIO 引脚数据为 1，高电平	与 VDD 相连的为上拉电阻。再连接到施密特触发器就把电压信号转化为1的数字信号存储在输入数据寄存器( IDR )
下拉输入模式	在默认状态下( GPIO 引脚无输入)，读取得的 GPIO 引脚数据为 0，低电平	与 VSS 相连的为下拉电阻。再连接到施密特触发器就把电压信号转化为 0 的数字信号存储在输入数据寄存器( IDR )
浮空输入模式	配置成这个模式直接用电压表测量其引脚电压为1点几伏，这是个不确定值	没有接上拉，也没有接下拉电阻，经由触发器输入
模拟输入模式	把电压信号传送到片上外设模块，如传送至给 ADC 模块，由 ADC 采集电压信号	关闭了施密特触发器，不接上、下拉电阻

输出模式名称	作用	原理
普通推挽输出	推挽输出的供电平为 0 伏，高电平为 3.3 pp*伏	在输出高电平时，P-MOS 导通，低电平时，N-MOS 管导通。两个管子轮流导通，一个负责灌电流，一个负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高
普通开漏输出	控制输出为 0，低电平；若控制输出为 1，为高阻态	如果我们控制输出为 0，低电平，则使 N-MOS 管导通，使输出接地，若控制输出为1 (无法直接输出高电平)，则既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态
复用推挽输出	GPIO 的引脚用作串口的输出
复用开漏输出	用在 IC、SMBUS 这些需要线与功能的复用场合

注意：在使用任何一种开漏模式，都需要接上拉电阻

最大速率设置

GPIO 的输出速率：GPIO 电平每秒切换的最大次数

这个输出速率主要体现 I/O 驱动电路的输出反应能力，通过选择不同的输出驱动速率，实现最佳的噪声与和功耗控制。不难理解，选择输出驱动速率越高，噪声也越大，相应的芯片功耗也会越大

当 STM32 的 GPIO 端口设置为输出模式时，有三种速度可以选择：2MHz、10MHz 和 50MHz，这个速度是指 I/O 口驱动电路的速度，是用来选择不同的输出驱动模块，达到最佳的噪声控制和降低功耗的目的。

对于 STM32 GPIO 输出速率的选择问题，我们在开发应用中应多加注意。如果因为这个输出速率选择导致麻烦，原因往往比较隐晦，很难直接从代码语句或程序逻辑上找到突破。

高频的驱动电路，噪声也高，当你不需要高的输出频率时，请选用低频驱动电路，这样非常有利于提高系统的EMI性能。

当然如果你要输出较高频率的信号，但却选用了较低频率的驱动模块，你很可能会得到失真的输出信号。实际上芯片内部在I/O口的输出部分安排了多个响应速度不同的输出驱动电路，用户可以根据自己的需要选择合适的驱动电路。在满足实际应用需求的前提下，速率就低不就高，这对降低功耗、减少噪声、改善 EMI 都有好处

gpio 不同速率设置对实际开发的影响：
1、LED 闪烁快慢不一致
2、Audio 噪声
其中有 I2S 的音频播放功能。在调试时用到 Printf 串口打印，发现使用 printf 输出时会出现噪音，如果关闭 printf 则正常。直到将 UART 的 TX 输出端口的管脚输出速率由 very high 改为 Low 后噪声消失。
3、SPI 通信异常
用到 SPI 通信。STM32 做主，其它外围器件做从，有时发现 SPI 读取数据总是出错。对于这里的通信出错，如果 SPI 通信端口脚的输出速率选择跟实际通信速率不合适的话也会出现。相比实际速率需求，过高或过低了都会导致通信出错。

注意：GPIO 的引脚速度是指 I/O 口驱动电路的响应速度而不是输出信号的速度，输出信号的速度与你的程序有关

代码示例

/* GPIO_InitTypeDef结构体 */
typedef enum
{
  GPIO_Speed_10MHz = 1,  //枚举常量，值为 1，代表输出速率最高为 10MHz
  GPIO_Speed_2MHz,       //对不赋值的枚举变量，自动加 1，此常量值为 2
  GPIO_Speed_50MHz       //常量值为 3
} GPIOSpeed_TypeDef;
 
typedef enum
{
  GPIO_Mode_AIN = 0x0, //模拟输入模式
  GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, //浮空输入模式
  GPIO_Mode_IPD = 0x28, //下拉输入模式
  GPIO_Mode_IPU = 0x48, //上拉输入模式
  GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, //开漏输出模式
  GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, //通用推挽输出模式
  GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,  //复用功能开漏输出
  GPIO_Mode_AF_PP = 0x18   //复用功能推挽输出
} GPIOMode_TypeDef;
 
typedef struct
{
  uint16_t GPIO_Pin;              /* 指定要配置的引脚 */
  GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;   /* 指定GPIO引脚输出的最高频率 */
  GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;     /* 指定GPIO引脚工作状态 */
} GPIO_InitTypeDef;

/* 初始化GPIO -- GPIO_Init() */
void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct)
{
  uint32_t currentmode = 0x00, currentpin = 0x00, pinpos = 0x00, pos = 0x00;
  uint32_t tmpreg = 0x00, pinmask = 0x00;
  /* 断言，用于检查输入的参数是否正确 */
  assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));
  assert_param(IS_GPIO_MODE(GPIO_InitStruct->GPIO_Mode));
  assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_InitStruct->GPIO_Pin));
  /*---------------------------- GPIO 的模式配置 -----------------------*/
  /*把输入参数 GPIO_Mode 的低四位暂存在 currentmode*/
  currentmode = ((uint32_t)GPIO_InitStruct -
                 > GPIO_Mode) & ((uint32_t)0x0F);
  /*判断是否为输出模式，输出模式，可输入参数中输出模式的 bit4 位都是 1*/
  if ((((uint32_t)GPIO_InitStruct -
        > GPIO_Mode) & ((uint32_t)0x10)) != 0x00)
  {
    /* 检查输入参数 */
    assert_param(IS_GPIO_SPEED(GPIO_InitStruct->GPIO_Speed));
    /* 输出模式，所以要配置 GPIO 的速率:00(输入模式) 01(10MHz) 10(2MHz) 11 */
    currentmode |= (uint32_t)GPIO_InitStruct->GPIO_Speed;
  }
  /*----------------------------配置 GPIO 的 CRL 寄存器 -----------------------
  -*/
  /* 判断要配置的是否为 pin0 ~~ pin7 */
  if (((uint32_t)GPIO_InitStruct -
       > GPIO_Pin & ((uint32_t)0x00FF)) != 0x00)
  {
    /*备份原 CRL 寄存器的值*/
    tmpreg = GPIOx->CRL;
    /*循环，一个循环设置一个寄存器位*/
    for (pinpos = 0x00; pinpos < 0x08; pinpos++)
    {
      /*pos 的值为 1 左移 pinpos 位*/
      pos = ((uint32_t)0x01) << pinpos;
      /* 令 pos 与输入参数 GPIO_PIN 作位与运算，为下面的判断作准备 */
      currentpin = (GPIO_InitStruct->GPIO_Pin) & pos;
      /*判断，若 currentpin=pos,说明 GPIO_PIN 参数中含的第 pos 个引脚需要配置*/
      if (currentpin == pos)
      {
        /*pos 的值左移两位（乘以 4），因为寄存器中 4 个寄存器位配置一个引脚*/
        pos = pinpos << 2;
        /*以下两个句子，把控制这个引脚的 4 个寄存器位清零，其它寄存器位不变*/
        pinmask = ((uint32_t)0x0F) << pos;
        tmpreg &= ~pinmask;
        /* 向寄存器写入将要配置的引脚的模式 */
        tmpreg |= (currentmode << pos);
        /* 复位 GPIO 引脚的输入输出默认值*/
        /*判断是否为下拉输入模式*/
        if (GPIO_InitStruct->GPIO_Mode == GPIO_Mode_IPD)
        {
          /*下拉输入模式，引脚默认置 0，对 BRR 寄存器写 1 可对引脚置 0*/
          GPIOx->BRR = (((uint32_t)0x01) << pinpos);
        }
        else
        {
          /*判断是否为上拉输入模式*/
          if (GPIO_InitStruct->GPIO_Mode == GPIO_Mode_IPU)
          {
            /*上拉输入模式，引脚默认值为 1，对 BSRR 寄存器写 1 可对引脚置 1*/
            GPIOx->BSRR = (((uint32_t)0x01) << pinpos);
          }
        }
      }
    }
    /*把前面处理后的暂存值写入到 CRL 寄存器之中*/
    GPIOx->CRL = tmpreg;
  }
  /*---------------------------- 以下部分是对 CRH 寄存器配置的 -----------------
  --------当要配置的引脚为 pin8 ~~ pin15 的时候，配置 CRH 寄存器， -----
  ------------- -----这过程和配置 CRL 寄存器类似------------------------------
  ------
  -------读者可自行分析，看看自己是否了解了上述过程--^_^-----------*/
  /* Configure the eight high port pins */
  if (GPIO_InitStruct->GPIO_Pin > 0x00FF)
  {
    tmpreg = GPIOx->CRH;
    for (pinpos = 0x00; pinpos < 0x08; pinpos++)
    {
      pos = (((uint32_t)0x01) << (pinpos + 0x08));
      /* Get the port pins position */
      currentpin = ((GPIO_InitStruct->GPIO_Pin) & pos);
      if (currentpin == pos)
      {
        pos = pinpos << 2;
        /* Clear the corresponding high control register bits */
        pinmask = ((uint32_t)0x0F) << pos;
        tmpreg &= ~pinmask;
        /* Write the mode configuration in the corresponding bits */
        tmpreg |= (currentmode << pos);
        /* Reset the corresponding ODR bit */
        if (GPIO_InitStruct->GPIO_Mode == GPIO_Mode_IPD)
        {
          GPIOx->BRR = (((uint32_t)0x01) << (pinpos + 0x08));
        }
        /* Set the corresponding ODR bit */
        if (GPIO_InitStruct->GPIO_Mode == GPIO_Mode_IPU)
        {
          GPIOx->BSRR = (((uint32_t)0x01) << (pinpos + 0x08));
        }
      }
    }
    GPIOx->CRH = tmpreg;
  }
}