STM32单片机（三）.STM32单片机的开发方法

经过前两章节对STM32的简单介绍，在接下来的几个章节中开始进行STM32单片机的软件开发实践，所使用到的工具有Keil5、STM32CubeMX以及串口软件。对于STM32F1系列的单片机，其存储器有4GB的空间，包含了程序存储器、数据存储器、寄存器以及I/O单口。存储器的地址是由出厂时分配或者用户进行分配，这个分配的过程被称作“存储器映射”，在分配一个地址就叫做“重映射”。

在ARM架构中，将4GB空间分成可8块区域，每块512MB。这8块区域分别是Block 0（Flash，地址0x00000000~0x1FFFFFFF），Block 1（SRAM，地址0x20000000~0x3FFFFFFF），Block 2（片上外设，地址0x40000000~0x5FFFFFFF），Block 3（FSMC的bank1_{bank2，地址0x60000000}0x7FFFFFFF），Block 4（FSMC的bank3_{bank4，地址0x80000000}0x9FFFFFFF），Block 5（FSMC register，地址0xA0000000~0xCFFFFFFF），Block 6（Not use，地址0xD0000000~0xDFFFFFFF），Block 7（Cortex-M3 内部外设，地址0xE0000000~0xFFFFFFFF）。可以看出8个Block中，Block 0、Block 1、Bock 2这三个块包含了Flash、RAM和片上外设，这一些都是STM32编程中最常使用到的。对于这三个块内部区域的详细功能划分如下表中所示：

Block 0		Block 1		Block 2
地址	功能	地址	功能	地址	功能
0X00000000~0x0007FFFF	取决于BOOT引脚，为FLASH、系统存储器、SRAM的别名	0x20000000~0x2000FFFF	SRAM，64KB	0x40000000~0x400077FF	APB1总线外设
0X00080000~0x07FFFFFF	预留	0x20010000~0x3FFFFFFF	预留 0x40007800~0x4000FFFF	预留
0X08000000~0x0807FFFF	片内Flash，程序存放的地址			0x40010000~0x40013FFF	APB2总线外设
0X08080000~0x1FFFEFFF	预留			0x40014000~0x40017FFF	预留
0X1FFFF000~0x1FFFF7FF	系统存储器，内部存放有ST出厂时的ISP自举程序，串口下载时需要用到			0x40018000~0x400233FF	AHB总线外设
0X1FFFF800~0x1FFFF80F	选项字节，配置读写保护、BOR级别、软件/硬件看门狗以及期间处于待机或停止模式下的复位；芯片锁住后，可以从RAM里启动来修改该部分寄存器位			0x40024400~0x5FFFFFFF	预留
0X1FFFF810~0x1FFFFFFF	预留

1、寄存器开发方式

通过对51的学习可以了解到在单片机中有各种不同的寄存器，stm32单片机也同样如此。在单片机中的寄存器就是一些具备特定功能内存单元的别名，访问寄存器就是要操作这些内存单元，所谓的寄存器开发也就是通过操作内存单元实现相应的功能。STM32的软件开发也就是操作外设资源，这些外设（Block区域块中）通常都被挂载在不同的总线上，APB1挂载低速外设，APB2和AHB挂载高速外设。对应的总线最低位的地址被称作该总线的基地址，基地址也是挂载在该总线上首个外设的地址。APB1总线的地址最低，因此片上外设从该地址开始，又称外设基地址。
在Block2区域块上，总线的基地址以及其相对于前一块地址的偏移量如下表中所示：

总线名称	总线基地址	相对外设基地址的偏移
APB1	0x40000000	0x0
APB2	0x40010000	0x00010000
AHB	0x40018000	0x00018000

在总线上也会挂载很多外设比如GPIO等，关于GPIO外设基地址以及偏移量如下表中所示：

外设名称	外设地址	相对于APB2总线的地址偏移
GPIOA	0x40010800	0x00000800
GPIOB	0x40010C00	0x00000C00
GPIOC	0x40011000	0x00001000
GPIOD	0x40011400	0x00001400
GPIOE	0x40011800	0x00001800
GPIOF	0x40011C00	0x00001C00
GPIOG	0x40012000	0x00002000

外设的寄存器分布在对应外设的地址范围内，比如GPIOA的寄存器地址必然就在0x40010800~0x40010C00之中。GPIO拥有多个寄存器，每个寄存器为32bit，占四字节，依照顺序依次排列在外设的基地址上。寄存器的位置以其相对于该外设基地址的偏移地址描述，下表是关于GPIOA内部的寄存器地址及其偏移量：

寄存器名称	寄存器地址	相对于GPIOC基址的偏移量
GPIOA_CRL	0x40010800	0x00
GPIOA_CRH	0x40010804	0x04
GPIOA_IDR	0x40010808	0x08
GPIOA_ODR	0x4001080C	0x0C
GPIOA_BSRR	0x40010810	0x10
GPIOA_BRR	0x40010814	0x14
GPIOA_LCKR	0x40010818	0x18

简单的介绍了STM32的存储器与寄存器相关的知识后，就可以了解到所谓的寄存器开发模式，也就是使用代码直接操作这些寄存器（也就是外设资源的别名）。下面将按照F1的芯片手册对接下来需要使用到的寄存器进行定义：

#define PERIPH_BASE ((unsigned int) 0x40000000)  //外设基地址，APB1总线基地址
#define APB2PERIPH_BASE ((PERIPH_BASE+0x00010000)) //APB2总线基地址
#define GPIOA_BASE (PERIPH_BASE+0x0800)
#define GPIOA_CRL *(unsigned int*)(GPIOC_BASE+0x00)
#define GPIOA_CRH *(unsigned int*)(GPIOC_BASE+0x04)
#define GPIOA_IDR *(unsigned int*)(GPIOC_BASE+0x08)
#define GPIOA_ODR *(unsigned int*)(GPIOC_BASE+0x0C)
#define GPIOA_BSRR *(unsigned int*)(GPIOC_BASE+0x10)
#define GPIOA_BRR *(unsigned int*)(GPIOC_BASE+0x14)
#define GPIOA_LCKR *(unsigned int*)(GPIOC_BASE+0x18)

对于其他类型的寄存器也是这样通过找到其在存储器中的具体位置，然后就可以使用C指针进行相关的操作，下面开始讲述寄存器开发的具体过程。

1.1 工程模板

首先需要新建一个文件夹用于存放项目软件，在该文件夹下再次新建Obj与User两个文件夹，其中Obj文件夹用于存放编译过程中产生的C/汇编/链接的列表清单、调试信息、hex文件、以及封装库等文件；User文件夹用于存放用户编写的程序main.c、STM32F1启动文件、stm32f10x.h头文件。

1.2 创建工程

完成上述的工程模板创建后，就可以开始创建STM32项目工程了。首先打开Keil5软件，在菜单栏中选择Project子菜单中的New uVision Project选项，然后输入一个项目名称（不要使用中文名）选择路径为之前新建的“Study case 1”文件夹下。

紧接着在keil5软件界面中跳出的选取目标设备的子界面，选择框中有ARM和STMicroelectronics，在这里笔者选取的是后者子菜单下的STM32F103ZE系列芯片，选取后连续点击两次OK就完成了创建的工作。
完成操作后，在文件夹中就多出了下列的文件夹及文件，不过此时之前新建的两个文件夹及其相关的文件还未正式添加（关联）到新建的项目中。
双击界面中的Source Group 1，然后在User文件夹下将之前三个文件添加到工程中，完成后的界面如下图中所示，至此一个stm32项目就建立完成。
最后需要配置魔法棒选项卡，也就是图中箭头的起始端，然后点击Output，在界面中选择Select Executable Objects选项，然后选择Obj文件夹即可。接着选择Create HEX File，会生成hex文件，通过烧录软件就可以将用户编写的程序烧录到stm32单片机中。此外关于仿真器的一些配置，在此不再做过多赘述，可以参考其它相关的文章。

2、标准库函数开发方式

讲到库函数开发，就需要提及STM32的固件库，它是ST公司推出的已经在内部对STM32全部外设寄存器的控制封装成了可提供给用户的API函数，用户只需要将调用这些API函数即可完成对stm32的软件开发。基于Cortex内核所设计的芯片均需要满足CMSIS（Cortex MicroController Software Interface Standard）标准，在此套标准下满足了不同厂家的Cortex内核芯片软件兼容的问题。基于CMSIS标准的应用程序框图如下图中所示，在CMSIS框架中将软件分为三个基本功能层：核内外设访问层（ARM提供的访问，定义处理器内部寄存器地址以及功能函数）；中间访问层（定义访问中间件的通用API，由ARM提供）；外设访问层（定义硬件寄存器的地址以及外设的访问函数）。从上一节的寄存器开发就可以了解到使用stm32单片机的外设也就是操作其对应的寄存器，因此STM32的固件库文件也就属于其中的外设访问层。关于STM32单片机的各个系列的固件库，如STM32F1、STM32F4X等，均可以通过ST公司的官方网站进行下载。

2.1 固件库

以ST官网中的STM32F10X v3.5版本的固件库为例，其文件夹下包含_htmresc（公司LOGO）、Libraries（子目录中CMSIS存放符合CMSIS标准的文件，STM32F10X_StdPeriph_Driver文件夹中inc存放外设头文件，src存放外设源文件）、Project（子目录中STM32F10x_StdPeriph_Examples存放ST公司提供的外设驱动例程，STM32F10x_StdPeriph_Template存放官方固件库工程模板）、Utilities（ST官方评估板的源文件）以及stm32f10x_stdperiph_lib_um.chm文件（固件库帮助文档，可查询库函数及其功能）。

2.2 创建库函数工程

库函数工程与寄存器工程模板的创建类似，首先在一个文件夹下新建Obj、User以及Libraries三个文件夹，其中最后一个文件夹包含了从固件库中复制而来的CMSIS以及STM32F10X_StdPeriph_Driver文件夹及其所包含的全部文件。然后和上一小节相同的方式，在keil5中新建一个工程项目。新建项目后，需要将刚才新建的文件夹添加到Group组中，其具体步骤如下图中所示：
点击OK后，就会在左侧的项目菜单栏看到以下几个文件组。随后便需要将STM32驱动文件以及CMSIS中的所有文件添加到这个新建的组中，双击对应的文件夹，然后找到存放的路径选择所需要的外设驱动文件、启动文件以及系统总线初始化文件等。

例如需要对GPIO进行操作，经过上述的配置后的项目组文件如下图中所示：完成这些操作后，便可以在main.c中开始编写软件程序，也可以新建.其它的c、.h文件。

3、HAL库函数开发方式

3.1 HAL库

HAL（Hardware Abstraction Layer，抽象印象层）库是ST主推的一种开发方式，HAL库中的部分函数是特定功能实现的集成，因此其开发简单方便大大节省了单片机外设的基础配置。通过HAL库所编写的程序还能够移植到其它系列的stm32单片机中，比如在F1中程序直接复制到了F4中也能够正确的执行，这一点在标准库中是无法做到的（F1与F4的标准库是两个不同的文件）。ST公司的STM32CubeMX软件就是专为HAL库所设计的一款软件，通过使用图形化配置的方式，就可以生成整个全部使用HAL库的工程文件。

3.2 创建HAL库函数工程

使用STM32CubeMX创建HAL库工程的详细步骤为：

打开STM32CubeMX软件，在主界面中选择“ACCESS TO MCU SELECTOR”；（需要提前安装好芯片库）
选择开发所使用的STM32芯片型号；
对工程项目进行配置。在Project Manager界面中对项目的名称、文件位置以及IDE版本等信息进行设置。

完成这些操作后点击GENERATE CODE便可生成keil5工程项目，软件目录如下图中所示，并且随时在这个软件中对stm32芯片进行配置等相关操作。
在MDK-ARM文件下就有所熟悉的keil5工程项目文件，双击后便可在keil5 IDE中打开。当然要完整的对一个stm32项目进行配置，只做到这些是远远不够的，在下一章的stm32单片机开发实践中会继续完整的介绍。