解读STM32标准库的程序架构 - 以GPIO操作为例

川长思鸟来 2021-12-12 06:04 462阅读 2赞

## 前言 ##

在开发新产品时，想必大家都曾像我一样碰到过一时难以解决的技术难题，在苦恼和无助中，只得求助于互联网，如果在网上突然发现有此问题相关的解决办法，以此解决了困扰了一整天甚至好几天的问题，这时大家的心情想必也是和我一样庆幸并心怀感激的。感谢互联网让我们生活变得如此便利，把世界上的人都聚集到了一起，大家可以畅所欲言；更感激大佬们愿意付出自己宝贵的时间写下各种技术分享，以便其他同仁遇到问题时能愉快地解决问题。本着开源共享，共同进步的精神，我也开始写分享！如有错误或讲述不妥的地方，请务必留言指出，也是帮助其他人避坑，谢谢！

## 什么是固件库 ##

STM32 标准函数库，它是由 ST 公司针对 STM32 提供的函数接口，即API(Application Program Interface)，开发者可调用这些函数接口来配置 STM32的寄存器，使开发人员得以脱离最底层的寄存器操作，有开发快速，易于阅读，维护成本低等优点。

如果学过51单片机肯定知道有个头文件是reg52.h，其中的内容就是将所有的寄存器取一个别名，之后你想对这个寄存器进行操作只需要直接对其赋值即可。  
举例：P0 = 0x01；//就是将P0寄存器的bit0置1，其余位清0  
STM32当然也可以通过指针直接访问寄存器，举例：

*(unsigned int*)(0xFFFFFFFF) = 0x00000001;//将0xFFFFFFFF地址的寄存器设置为0x00000001

STM32 标准函数库不仅对芯片内所有寄存器取了别名，还将底层一些必要的配置操作全部封装成函数，供用户直接调用来配置底层，让用户即使对相关外设寄存器不熟悉，也能轻易将需要用的片上外设配置完成，从而有更多时间专注于应用层的开发。

下图中，驱动层就是用户针对自己的设备调用库函数提供的接口开发的驱动，比如说最简单的驱动LED灯闪烁，就直接调用库函数提供的GPIO函数控制相应的IO口输出高低电平即可实现。  
PS：其实利用库函数开发，将应用层和底层分离开，只是好处其一。另一好处在于大家的应用驱动，至少对于底层这一块，大体的风格和调用的函数都是一致的，从而起到标准化程序开发的作用。  
![asdad][]

## 以GPIO操作为例详解标准库底层代码 ##

【首先看到stm32f10x.h中相关代码段】

#define __IO volatile //防止编译器优化，在core_cm3.h中
    typedef unsigned           int uint32_t;  //stdint.h文件 C99新定义的标准，独立于库函数外
    
    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;
    //注意以上结构体成员的排列顺序恰好跟GPIO外设相关寄存器的排列顺序相同
    
    #define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000) //片上外设基地址
    
    #define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE //APB1总线的基地址，与外设基地址相同，表明它是片上外设的第一个外设
    #define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000) //APB2总线基地址
    #define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x20000) //AHB总线基地址
    
    #define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800) //GPIOA的基地址
    //以上代码通过 （基地址+偏移地址） 的形式 用宏定义封装了所有的寄存器，以上只是抽取其中一部分
    
    #define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)

注意最后的这句 \#define GPIOA ((GPIO\_TypeDef \*) GPIOA\_BASE)

将GPIOA\_BASE强制转换成(GPIO\_TypeDef \*) 类型的指针，即((GPIO\_TypeDef \*) GPIOA\_BASE) 指向的是一个GPIO\_TypeDef 类型的结构体且该结构体地址为GPIOA\_BASE，该结构体的类型定义GPIO\_TypeDef 在前面已经给出了，可以直接通过 ((GPIO\_TypeDef \*) GPIOA\_BASE) 访问到该结构体的成员，比如((GPIO\_TypeDef \*) GPIOA\_BASE) ->BSRR ；由于宏定义，可以写成GPIOA->BSRR；其实这就完成了将寄存器的地址与结构体成员的地址一一对应起来，访问结构体成员就是访问寄存器；  
注意：对不同的GPIO端口，如GPIOA，GPIOB，GPIOC…，并不需要分别定义一个GPIO\_TypeDef 的结构体变量，只是把GPIOx\_BASE开头的一块sizeof(GPIO\_TypeDef) 大小的地址区域当成结构体成员去访问，从而对成员的读写就是对相对应寄存器的读写。

下面再看看其他GPIO操作相关的代码：  
【stm32f10x.h】

#define GPIO_BRR_BR0 ((uint16_t)0x0001) /*!< Port x Reset bit 0 */
    #define GPIO_BRR_BR1 ((uint16_t)0x0002) /*!< Port x Reset bit 1 */
    #define GPIO_BRR_BR2 ((uint16_t)0x0004) /*!< Port x Reset bit 2 */
    #define GPIO_BRR_BR3 ((uint16_t)0x0008) /*!< Port x Reset bit 3 */
    #define GPIO_BRR_BR4 ((uint16_t)0x0010) /*!< Port x Reset bit 4 */
    #define GPIO_BRR_BR5 ((uint16_t)0x0020) /*!< Port x Reset bit 5 */
    #define GPIO_BRR_BR6 ((uint16_t)0x0040) /*!< Port x Reset bit 6 */
    #define GPIO_BRR_BR7 ((uint16_t)0x0080) /*!< Port x Reset bit 7 */
    #define GPIO_BRR_BR8 ((uint16_t)0x0100) /*!< Port x Reset bit 8 */
    #define GPIO_BRR_BR9 ((uint16_t)0x0200) /*!< Port x Reset bit 9 */
    #define GPIO_BRR_BR10 ((uint16_t)0x0400) /*!< Port x Reset bit 10 */
    #define GPIO_BRR_BR11 ((uint16_t)0x0800) /*!< Port x Reset bit 11 */
    #define GPIO_BRR_BR12 ((uint16_t)0x1000) /*!< Port x Reset bit 12 */
    #define GPIO_BRR_BR13 ((uint16_t)0x2000) /*!< Port x Reset bit 13 */
    #define GPIO_BRR_BR14 ((uint16_t)0x4000) /*!< Port x Reset bit 14 */
    #define GPIO_BRR_BR15 ((uint16_t)0x8000) /*!< Port x Reset bit 15 */
    
    #define GPIO_LCKR_LCK0 ((uint32_t)0x00000001) /*!< Port x Lock bit 0 */
    #define GPIO_LCKR_LCK1 ((uint32_t)0x00000002) /*!< Port x Lock bit 1 */
    #define GPIO_LCKR_LCK2 ((uint32_t)0x00000004) /*!< Port x Lock bit 2 */
    #define GPIO_LCKR_LCK3 ((uint32_t)0x00000008) /*!< Port x Lock bit 3 */
    #define GPIO_LCKR_LCK4 ((uint32_t)0x00000010) /*!< Port x Lock bit 4 */
    #define GPIO_LCKR_LCK5 ((uint32_t)0x00000020) /*!< Port x Lock bit 5 */
    #define GPIO_LCKR_LCK6 ((uint32_t)0x00000040) /*!< Port x Lock bit 6 */
    #define GPIO_LCKR_LCK7 ((uint32_t)0x00000080) /*!< Port x Lock bit 7 */
    #define GPIO_LCKR_LCK8 ((uint32_t)0x00000100) /*!< Port x Lock bit 8 */
    #define GPIO_LCKR_LCK9 ((uint32_t)0x00000200) /*!< Port x Lock bit 9 */
    #define GPIO_LCKR_LCK10 ((uint32_t)0x00000400) /*!< Port x Lock bit 10 */
    #define GPIO_LCKR_LCK11 ((uint32_t)0x00000800) /*!< Port x Lock bit 11 */
    #define GPIO_LCKR_LCK12 ((uint32_t)0x00001000) /*!< Port x Lock bit 12 */
    #define GPIO_LCKR_LCK13 ((uint32_t)0x00002000) /*!< Port x Lock bit 13 */
    #define GPIO_LCKR_LCK14 ((uint32_t)0x00004000) /*!< Port x Lock bit 14 */
    #define GPIO_LCKR_LCK15 ((uint32_t)0x00008000) /*!< Port x Lock bit 15 */
    #define GPIO_LCKR_LCKK ((uint32_t)0x00010000) /*!< Lock key */
    ......//省略

这些都是对相关寄存器的每一个位设立开关宏，以供库函数调用，最主要是为了便于程序阅读。

【stm32f10x\_gpio.h】

typedef enum
    {  
      GPIO_Speed_10MHz = 1,
      GPIO_Speed_2MHz, 
      GPIO_Speed_50MHz
    }GPIOSpeed_TypeDef;
    
    typedef enum
    {  GPIO_Mode_AIN = 0x0,           
      GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04,  
      GPIO_Mode_IPD = 0x28,          
      GPIO_Mode_IPU = 0x48,          
      GPIO_Mode_Out_OD = 0x14,       
      GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,       
      GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,       
      GPIO_Mode_AF_PP = 0x18         
    }GPIOMode_TypeDef;
    
    typedef struct
    { 
      uint16_t GPIO_Pin; 
      GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed; 
      GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;    
    }GPIO_InitTypeDef;

GPIO\_InitTypeDef是GPIO初始化结构体类型，主要用于对相关的GPIO外设作初始化操作。GPIOSpeed\_TypeDef和GPIOMode\_TypeDef 是两个枚举类型。

下面看相关的库函数代码举例：

uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx)
    { 
      /* Check the parameters */
      assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx)); //断言检查参数
      
      return ((uint16_t)GPIOx->IDR);
    }

应用举例：GPIO\_read\_data = GPIO\_ReadInputData(GPIOA);  
读整个GPIOA端口的数据，由函数中可以看出事实上就是返回了GPIOA->IDR的值。IDR是端口输入数据寄存器。

void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
    { 
      /* Check the parameters */
      assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));
      assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));
      
      GPIOx->BSRR = GPIO_Pin;
    }

应用举例：GPIO\_SetBits(GPIOA, GPIO\_Pin\_0);  
将GPIOA端口的Pin0拉高，由函数中可以看出事实上就是将GPIOA->BSRR赋值为GPIO\_Pin\_0的值。BSRR是端口位设置/清除寄存器。  
在stm32f10x\_gpio.h中给出了GPIO\_Pin\_0的定义如下  
\#define GPIO\_Pin\_0 ((uint16\_t)0x0001)

stm32f10x\_gpio.c文件中最重要的是GPIO\_Init函数，函数原型如下:  
void GPIO\_Init(GPIO\_TypeDef\* GPIOx, GPIO\_InitTypeDef\* GPIO\_InitStruct)  
该函数主要用于根据传进来的GPIO\_TypeDef类型的结构体确定要配置的GPIO端口号，GPIO\_InitTypeDef类型的结构体是确定配置的内容，F1的3.5.0标准库主要配置对象是引脚号，引脚模式，引脚翻转速度，由于GPIO\_Init函数过长，程序就不在这里贴出来了。

通过库函数，GPIO点灯过程举例：

int main(void)
    { 
    	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;//定义GPIO_InitTypeDef类型的结构体GPIO_InitStructure用于初始化配置GPIO
    	RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);//打开GPIOB的时钟，因为默认是关闭的
    	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;//选定引脚
    	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //通用推挽输出模式
    	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;//引脚速率50Hz
    	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//调用GPIO_Init按照上述的参数进行配置
    
    	GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);//假设LED是低电平点亮，输出低电平即可点亮连接在GPIOB0的LED灯
    }

## 结束语 ##

希望可以帮到大家，有问题可以提出来大家一起探讨，谢谢！不喜勿喷，感谢

## 题外话 ##

\#ifndef \_\_STM32F10x\_H  
\#define \_\_STM32F10x\_H

\#endif  
经常在每个头文件之前都会看到类似这样的一段代码，这是为了防止头文件重复包含

\#ifdef \_\_cplusplus  
extern “C” \{  
\#endif

//代码…

\#ifdef \_\_cplusplus  
\}  
\#endif  
这是为了兼容C++编译器，在C++编译器中，通常会添加宏定义\_\_cplusplus，这样上下两个条件编译就会成立，为了在C++代码中调用用C写成的库文件，就需要用extern"C"来告诉编译器:这是一个用C写成的库文件，请用C的方式来链接它们。这样在C++的工程中也能顺利编译这个C文件

标准库函数中用于映射寄存器的结构体比如GPIO\_TypeDef，其中的结构体成员为什么要用volatile修饰呢？  
C 语言中的关键字“volatile”，在 C 语言中该关键字用于表示变量是易变的，要求编译器不要优化。这些结构体内的成员，都代表着寄存器，而寄存器很多时候是由外设或 STM32 芯片状态修改的，也就是说即使 CPU 不执行代码修改这些变量，变量的值也有可能被外设修改、更新，所以每次使用这些变量的时候，我们都要求 CPU 去该变量的地址重新访问。若没有这个关键字修饰，在某些情况下，编译器认为没有代码修改该变量，就直接从 CPU 的某个缓存获取该变量值，这时可以加快执行速度，但该缓存中的是陈旧数据，与我们要求的寄存器最新状态可能会有出入。

都看到这了，点个赞再走呗~~

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