单片机入门学习五 STM32单片机学习二跑马灯程序衍生出的stm32编程基础

上篇文章单片机入门学习四 STM32单片机学习一跑马灯程序和创建工程仅介绍了入门程序及其编译运行过程，下面开始对stm32的一些基础知识做一个记录。

1、stm32f103zet6（上篇问题3 stm32f103是什么）

上篇的跑马灯程序采用的开发板使用的mcu是stm32f103zet6，根据stm32系列产品命名规则，我们知道这款mcu为基于ARM®的32位微控制器、是增强型的、拥有144个引脚、512K字节的闪存存储器、采用LQFP封装、工作温度范围在-40℃~85℃。这款芯片包含的资源有 64KB SRAM（Static Random Access Memory静态随机存取存储器）、512KB FLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA（Direct Memory Access直接内存存取）控制器（公12个通道）、3个SPI（Serial Peripheral Interface串行外设接口）、2个IIC（Inter-Integrated Circuit集成电路总线）、5个串口、1个USB、1个CAN（控制器局域网络Controller Area Network）、3个12位ADC（Analog-to-Digital Converter模/数转换）、1个12位DAC（Digital-to-Analog Converter数/模转换）、1个SDIO（Secure Digital Input and Output安全数字输入输出卡）接口、1个FSMC（Flexible Static Memory Controller可变静态存储控制器）接口以及112个GPIO（General Purpose Input Output 通用输入/输出）口。
下图是其系统结构图

虽然上面已经将stm32f103zet6芯片系统构成已经介绍，但是下面的介绍是针对上图给的一个更直观的概况。
stm32主要由四个驱动单元和四个被动单元构成。

四个驱动单元
- Cortex™-M3内核Dcode总线（D-bus）
- 系统总线（S-bus）
- 通用DMA1
- 通用DMA2
四个被动单元
- 内部SRAM
- 内部闪存存储器
- FSMC
- AHB到APB的桥（AHB2APBx） ,它连接所有的APB设备

ICode总线：该总线将Cortex™-M3内核的指令总线与闪存接口相连接。指令预取在此总线上完成。
DCode总线：该总线将Cortex™-M3内核的DCode总线与闪存存储器的数据接口相连接（常量加载和调试访问）
系统总线：此总线连接Cortex™-M3内核的系统总线（外设总线）到总线矩阵，总线矩阵协调着内核和DMA间的访问
DMA总线：此总线将DMA的AHB主控接口与总线矩阵相联，总线矩阵协调着CPU的DCode和DMA到 SRAM、闪存和外设的访问。
总线矩阵：协调内核系统总线和DMA主控总线之间的访问仲裁，仲裁利用轮换算法。在互联型产品中，总线矩阵包含5个驱动部件(CPU的DCode、系统总线、以太网DMA、DMA1总线和DMA2总线)和3个从部件(闪存存储器接口(FLITF)、SRAM和AHB2APB桥)。在其它产品中总线矩阵包含4个驱动部件(CPU的DCode、系统总线、DMA1总线和DMA2总线)和4个被动部件(闪存存储器接口(FLITF)、SRAM、FSMC和AHB2APB桥)。AHB外设通过总线矩阵与系统总线相连，允许DMA访问。
AHB/APB桥(APB) ：两个AHB/APB桥在AHB和2个APB总线间提供同步连接。APB1操作速度限于36MHz，APB2操作于全速(最高72MHz)。在每一次复位以后，所有除SRAM和FLITF以外的外设都被关闭，在使用一个外设之前，必须设置寄存器RCC_AHBENR来打开该外设的时钟。 注意：当对APB寄存器进行8位或者16位访问时，该访问会被自动转换成32位的访问：桥会自动将8位或者32位的数据扩展以配合32位的向量。

注： ROM、RAM、DRAM、SRAM和FLASH的区别
1、ROM和RAM指的都是半导体存储器，ROM在系统停止供电的时候仍然可以保持数据，而RAM通常都是在掉电之后就丢失数据，典型的RAM就是计算机的内存。
2、RAM有两大类：
1）静态RAM（SRAM），SRAM速度非常快，是目前读写最快的存储设备了，但是它也非常昂贵，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一级缓冲，二级缓冲。
2）动态RAM（DRAM），DRAM保留数据的时间很短，速度也比SRAM慢，不过它还是比任何的ROM都要快，但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多，计算机内存就是DRAM的。
3、FLASH，又称闪存，它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程（EEPROM）的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据（NVRAM的优势），U盘和MP3里用的就是这种存储器。在过去的20年里，嵌入式系统一直使用ROM（EPROM）作为它们的存储设备，然而近年来Flash全面代替了ROM（EPROM）在嵌入式系统中的地位，它用作存储Bootloader以及操作系统或者程序代码，或者直接当硬盘使用（U盘）。

AHB (Advanced High-performance Bus高级高性能总线) 主要是针对高效率、高频宽及快速系统模块所设计的总线，它可以连接如微处理器、芯片上或芯片外的内存模块和DMA等高效率模块。
APB (Advanced Peripheral Bus高级外围总线) 主要用在低速且低功率的外围，可针对外围设备作功率消耗及复杂接口的最佳化。APB在AHB和低带宽的外围设备之间提供了通信的桥梁，所以APB是AHB的二级拓展总线。

2、GPIO

1）概念

GPIO英文为General Purpose Input Output，称为通用输入/输出
stm32f103zet6包含112个GPIO（stm32f103zet6有144个引脚，其中有11个VSS、11个VDD、还有10个其他用途的引脚分别是VBAT、OSC_IN、OSC_OUT、NRST、Vref+、Vref-、VDDA、VSSA、BOOT0、NC），112个GPIO分别是PA[0..15]~PG[0..15]，stm32f103zet6引脚图如下：

2）如何使用

stm32单片机是操作寄存器来控制IO口的，首先我们应该知道GPIO的寄存器地址为多少，下表中记录了STM32F10ZET6中内置外设的起始地址。

从图中我们可以看到GPIO起始地址是0x40010800，在系统库函数stm32f10x.h中为我们定义了宏定义，方便我们操作寄存器控制外设，stm32f10x.h中的GPIOx定义如下

#define PERIPH_BASE           ((uint32_t)0x40000000) /*!< Peripheral base address in the alias region */#define APB2PERIPH_BASE       (PERIPH_BASE + 0x10000)#define GPIOA_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
#define GPIOB_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
#define GPIOC_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
#define GPIOD_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)
#define GPIOE_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x1800)
#define GPIOF_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x1C00)
#define GPIOG_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x2000)#define GPIOA               ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
#define GPIOB               ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
#define GPIOC               ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
#define GPIOD               ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)
#define GPIOE               ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)
#define GPIOF               ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)
#define GPIOG               ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)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;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 enum
{ GPIO_Speed_10MHz = 1,GPIO_Speed_2MHz, GPIO_Speed_50MHz
}GPIOSpeed_TypeDef;typedef struct
{uint16_t GPIO_Pin;             /*!< Specifies the GPIO pins to be configured.This parameter can be any value of @ref GPIO_pins_define */GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;  /*!< Specifies the speed for the selected pins.This parameter can be a value of @ref GPIOSpeed_TypeDef */GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;    /*!< Specifies the operating mode for the selected pins.This parameter can be a value of @ref GPIOMode_TypeDef */
}GPIO_InitTypeDef;#define GPIO_Pin_0                 ((uint16_t)0x0001)  /*!< Pin 0 selected */
#define GPIO_Pin_1                 ((uint16_t)0x0002)  /*!< Pin 1 selected */
#define GPIO_Pin_2                 ((uint16_t)0x0004)  /*!< Pin 2 selected */
#define GPIO_Pin_3                 ((uint16_t)0x0008)  /*!< Pin 3 selected */
#define GPIO_Pin_4                 ((uint16_t)0x0010)  /*!< Pin 4 selected */
#define GPIO_Pin_5                 ((uint16_t)0x0020)  /*!< Pin 5 selected */
#define GPIO_Pin_6                 ((uint16_t)0x0040)  /*!< Pin 6 selected */
#define GPIO_Pin_7                 ((uint16_t)0x0080)  /*!< Pin 7 selected */
#define GPIO_Pin_8                 ((uint16_t)0x0100)  /*!< Pin 8 selected */
#define GPIO_Pin_9                 ((uint16_t)0x0200)  /*!< Pin 9 selected */
#define GPIO_Pin_10                ((uint16_t)0x0400)  /*!< Pin 10 selected */
#define GPIO_Pin_11                ((uint16_t)0x0800)  /*!< Pin 11 selected */
#define GPIO_Pin_12                ((uint16_t)0x1000)  /*!< Pin 12 selected */
#define GPIO_Pin_13                ((uint16_t)0x2000)  /*!< Pin 13 selected */
#define GPIO_Pin_14                ((uint16_t)0x4000)  /*!< Pin 14 selected */
#define GPIO_Pin_15                ((uint16_t)0x8000)  /*!< Pin 15 selected */
#define GPIO_Pin_All               ((uint16_t)0xFFFF)  /*!< All pins selected */

上述代码定义了8个GPIO的访问地址GPIOA~GPIOG，同时定义了每个GPIO 16个引脚的选择码，同时还可以看到定义了几个GPIO相关的结构体，分别是GPIO_TypeDef、GPIO_InitTypeDef、GPIOMode_TypeDef、GPIOSpeed_TypeDef，下面会对每个结构体做一下更细的介绍。

① GPIO寄存器介绍（GPIO_TypeDef）

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;

从库给出的结构体结合芯片手册，我们知道GPIO端口有：

2个32位配置寄存器 CRL、CRH
CRL控制每个IO口低8位引脚的模式（例如控制GPIOA的0~7引脚），CRH控制每个IO口高8位引脚的模式（例如控制GPIOA8~15引脚），下图是对CRL/CRH的截图说明

CRL：结构体偏移地址0x00、（默认）复位值0x44444444，即默认为浮空输入模式
CRH：结构体偏移地址0x04、（默认）复位值0x44444444，即默认为浮空输入模式
注：IO口的模式与硬件电路有关，在此不细说了（本人目前对这些模式具体应用场景也没有很清晰的感念，即在此不详述了）
2个32位数据寄存器 IDR、ODR
IDR：端口输入寄存器，只用了低16位。该寄存器为只读寄存器，并且只能以16位的形式读出。该寄存器描述如下图：

ODR：端口输出数据寄存器，只用了低16位。该寄存器为可读写，从该寄存器读出来的数据可以用于判断当前IO口的输出状态。而向该寄存器写数据，则可以控制某个IO口的输出电平。
1个32位置位/复位寄存器 BSRR
可以用来设置GPIO端口的输出位是1还是0.

该寄存器往相应的位写0是无影响的，所以我们要设置某些位，不用管其他位的值。例如设置GPIOA的GPIO_Pin_1引脚值为1，即往低16位写1即可。
GIPOA->BSRR=1<<1;
设置GPIOA的GPIO_Pin_1引脚值为0，即往寄存器高16位写1即可，而不是往第十六为写0。
GIPOA->BSRR=1<<(16+1);
1个16位复位寄存器 BRR
该寄存器是端口位清除寄存器，其作用跟BSRR的高16位雷同。
1个32位锁定寄存器 LCKR
当执行正确的写序列设置了位16(LCKK)时，该寄存器用来锁定端口位的配置。位[15:0]用于锁定GPIO端口的配置。在规定的写入操作期间，不能改变LCKP[15:0]。当对相应的端口位执行了LOCK序列后，在下次系统复位之前将不能再更改端口位的配置。每个锁定位锁定控制寄存器(CRL, CRH)中相应的4个位。

②库函数编程（GPIO_InitTypeDef、GPIOMode_TypeDef、GPIOSpeed_TypeDef）

上面①中给我们详细介绍了GPIO寄存器的相应的功能，在了解之后我们即可直接操作寄存器写自己的IO控制程序了，如跑马灯的程序我们就可按如下代码编写：

RCC->APB2ENR|=1<<3;    //使能PORTB时钟
RCC->APB2ENR|=1<<6;    //使能PORTE时钟GPIOB->CRL&=0XFF0FFFFF;
GPIOB->CRL|=0X00300000;//PB.5 推挽输出
GPIOB->ODR|=1<<5;      //PB.5 输出高GPIOE->CRL&=0XFF0FFFFF;
GPIOE->CRL|=0X00300000;//PE.5推挽输出
GPIOE->ODR|=1<<5;      //PE.5输出高
while(1)
{GPIOB->BRR=GPIO_Pin_5;//LED0亮GPIOE->BSRR=GPIO_Pin_5;//LED1灭delay_ms(300);GPIOB->BSRR=GPIO_Pin_5;//LED0灭GPIOE->BRR=GPIO_Pin_5;//LED1亮delay_ms(300);}

stm32有上百个寄存器，每次编程都需要翻手册在编程可想象这种场景应该很恐怖，故官方为我们提供了相应的库函数，这些函数将寄存器的操作封装，即可靠又方便使用。
GPIO官方为我们提供了如下几个库函数

/** @defgroup GPIO_Exported_Functions**/
void GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef* GPIOx);
void GPIO_AFIODeInit(void);
void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);
void GPIO_StructInit(GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);
uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);
uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);
void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal);
void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);
void GPIO_PinLockConfig(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
void GPIO_EventOutputConfig(uint8_t GPIO_PortSource, uint8_t GPIO_PinSource);
void GPIO_EventOutputCmd(FunctionalState NewState);
void GPIO_PinRemapConfig(uint32_t GPIO_Remap, FunctionalState NewState);
void GPIO_EXTILineConfig(uint8_t GPIO_PortSource, uint8_t GPIO_PinSource);
void GPIO_ETH_MediaInterfaceConfig(uint32_t GPIO_ETH_MediaInterface);

GPIO相应的库函数很多，可以查看手册或示例了解使用方法，跑马灯程序使用到的函数有：

//用来设置GPIO端口的模式
void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);
//用来给GPIO端口设置1
void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
//用来给GPIO端口设置0
void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

跑马灯库函数程序

GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE);   //使能PB,PE端口时钟GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;                //LED0-->PB.5 端口配置
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;         //推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;        //IO口速度为50MHz
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);                   //根据设定参数初始化GPIOB.5
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);                      //PB.5 输出高GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;                //LED1-->PE.5 端口配置, 推挽输出
GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);                   //推挽输出 ，IO口速度为50MHz
GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5);                          //PE.5 输出高while(1)
{GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);  //LED0对应引脚GPIOB.5拉低，亮  等同LED0=0;GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5);   //LED1对应引脚GPIOE.5拉高，灭 等同LED1=1;delay_ms(300);             //延时300msGPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);    //LED0对应引脚GPIOB.5拉高，灭  等同LED0=1;GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5); //LED1对应引脚GPIOE.5拉低，亮 等同LED1=0;delay_ms(300);                     //延时300ms
}

3、板子原理图确定GPIO端口

看了跑马灯的代码估计很多人会发出疑问：怎么知道操作的是GPIOB的GPIO_Pin_5去控制一个灯，操作GPIOE的GPIO_Pin_5去控制另外一个灯。
针对这个疑问，解决方法是我们必须看所使用的板子的原理图了，我使用的板子关于LED灯的原理图如下：

控制LED灯的stm32芯片部分原理图

从上面两个图可以看出，我所使用的板子已将LED与stm32f103芯片连接好了。LED0接PB5，所以我们使用的是GPIOB、GPIO_Pin_5这两个宏定义，代表PB5。
LED1接PE5，所以我们使用的是GPIOE、GPIO_Pin_5这两个宏定义，代表PE5。

4、时钟

从跑马灯程序中我们看到以下代码：

/** **使用寄存器初始化时钟**
RCC->APB2ENR|=1<<3;    //使能PORTB时钟
RCC->APB2ENR|=1<<6;    //使能PORTE时钟
**/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE);   //使能PB,PE端口时钟

之所以在程序开头要开启时钟，是因为任何MCU的任何外设都需要有时钟，STM32为了让用户更好地掌握功耗，对每个外设的时钟都设置了开关，所以我们在使用外设（GPIO）前需要开启时钟（51单片机不用配置IO时钟，只是因为默认使用同一个时钟）
下图是RCC_APB2ENR外设时钟使能寄存器图