代码收藏家技术教程 2024-02-29

深入理解STM32外设驱动原理

目录

前言

一、处理器控制外设原理

二、如何控制（以GPIO为例）

三、举例——串口（USART1）

完结

前言

在刚接触接触单片机时，都是不管三七二十一的去调用各种函数去驱动外设（尤其是STM32，其提供了固件库以及HAL库），以此来学习单片机的功能，特别是在第一次时，通过调用GPIO相关函数来点亮LED灯。后来慢慢知道了，是单片机内核（CPU）通过配置各种外设的寄存器来驱动它的。那么，这篇文章就来揭秘这个神秘的过程，到底是如何配置寄存器以达到控制外设的（以STM32为例）。

一、处理器控制外设原理

CPU本身是不能直接控制硬件的，硬件一般是由其对应的控制器来控制，处理器中将各个硬件控制器的寄存器映射到CPU地址空间中的一段范围，这样CPU就可以通过读写寄存器来间接控制硬件。

地址映射：在一个处理器中，一般会将ROM、RAM、寄存器等存储设备分别映射到寻址空间的不同地址段。地址映射、寻址空间等内容在下面文章中有具体提到：

①51单片机内核及其工作原理-CSDN博客

②STM32内核——Cortex M3-CSDN博客

简单的说，就是单片机通过地址总线，给出一定的地址，用来分配给各种存储设备，使每个存储设备都有属于自己的地址（只有存储设备有了地址，CPU才能找得到它，并访问它，寄存器也属于是存储设备），这一过程叫地址映射；而这个地址的总量就是寻址空间（由地址总线的宽度决定），它的大小决定了可以连接多少存储设备。比如，STM32地址总线宽度为32位，可以映射 $2^{23}$ 个地址，即为4G的大小，所以STM32的寻址空间为4G。

如下图，STM324G的地址空间分配为：

可以看到，单片机上的外设就放在地址空间的0x4000 0000~0x5FFF FFFF中，之后我们通过操作这片空间上各种外设对应的寄存器，便可以实现控制外设的效果。

补充：C语言在ARM中的数据类型有

二、如何控制（以GPIO为例）

在这里就以STM32的GPIO这个外设为例进行讲解，设定GPIO的端口为B，引脚为5，即PB5。

首先，查询GPIOB的地址。

通过手册可以看到GPIOB的起始地址为0x40010C00，并且在为其分配的地址空间上又连接着GPIO相关的寄存器，如下：

如想控制PB5输出高电平，只需要将GPIOB地址空间里的ODR寄存器的第5位置一便可。算出GPIOB-ODR寄存器的地址，即0x40010C00+0xC=0x4001 0C0C（起始地址加上偏移量）。

知道了寄存器地址了，接下来该如何操作地址呢？我们都知道，0x4001 0C0C只是一个数字，我们需要先将其转变为地址。

( unsigned int *)0x40010C0C;

这样我们便把这个数据强制转化成32位无符号的指针，在C语言中，指针即代表了地址。然后对该指针赋值，使其第五位为1。

*( unsigned int *)0x40010C0C |=1<<5;

在指针前加上*号便可以对指针所指的内容进行操作，即寄存器GPIOB_ODR；然后将其第五位写1，需要注意的是，这里需要先将他们进行按位或操作，否则会改变该寄存器里其他位的值，从而会破坏原来的控制。这样，我们便可以直接操作地址控制PB5引脚输出高电平。如下LED闪烁程序：

为了方便阅读，我们可以将该地址宏定义，如下：

#define ODR   *( unsigned int *)0x40010C0C
ODR |= 1<<5;

但在实际操作中，这样还是不够简便，代码的可移植性很低，并且GPIOB的地址空间中还有其他寄存器。每个端口都有七个寄存器：CRL、CRH、IDR、ODR、BSRR、BRR、LCKR，这些寄存器之间的地址是连续的。那么如何将这些寄存器全部定义在一起呢？

这时你可能想到了C语言中的数组，因为它的每个单元之间的地址空间就是连续的，但是数组不行，因为数组的每个单元的空间都是相同的，不能改变，而有些外设的各个寄存器之间的空间大小是不一样的。所以这个时候最好的选择就是结构体。结构体相关内容可以查阅下面内容：

C语言——结构体（Struct）详解+运用举例-CSDN博客

结构体内的各个成员之间的空间是连续的，而且可以放不同类型的数据。如下定义：

#define     __IO    volatile  
#define uint32_t    unsigned int

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;

上面定义中出现了一个关键字volatile，不清楚的可以查阅C语言——难点关键字（extern、static、struct、enum、union、volatile）-CSDN博客。

通过以上结构体的定义，便把每个端口的各个寄存器全部打包起来，只需访问这个结构体便可以进行端口的控制。但是，还差一步，就是把地址和结构体关联起来：GPIOB的起始地址为0x40010C0C，我们只需要把地址0x40010C0C变成上面结构体类型的地址即可，为了方便阅读，同时将其进行宏定义。如下：

#define GPIOB   ( GPIO_TypeDef *)0x40010C0C

这就是官方库中给出的定义，通过此定义，方便了寄存器的操作。

但在开发中，往往不用寄存器开发，通常用库函数以及HAL库就行，而这些库函数就是通过封装寄存器实现的。如GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal)这个函数：

我们只需要调用函数就行，这样不仅方便阅读，而且不用过多去了解寄存器的地址，减小了开发难度。如下，就是正常操作时的程序：

三、举例——串口（USART1）

首先，地址映射。

#define PERIPH_BASE         ((uint32_t)0x40000000) //外设基地址    
#define APB2PERIPH_BASE     (PERIPH_BASE + 0x10000)//APB2总线的基地址
#define USART1_BASE         (APB2PERIPH_BASE+0x3800)//串口1的起始地址

然后，定义结构体。

/** 
  * @brief Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter
  */
 
typedef struct
{
  __IO uint16_t SR;
  uint16_t  RESERVED0;
  __IO uint16_t DR;
  uint16_t  RESERVED1;
  __IO uint16_t BRR;
  uint16_t  RESERVED2;
  __IO uint16_t CR1;
  uint16_t  RESERVED3;
  __IO uint16_t CR2;
  uint16_t  RESERVED4;
  __IO uint16_t CR3;
  uint16_t  RESERVED5;
  __IO uint16_t GTPR;
  uint16_t  RESERVED6;
} USART_TypeDef;

最后，将地址转换成该结构体指针。

#define USART1               ((USART_TypeDef *)USART1_BASE)//强制转换成串口1结构体类型的地址。

在使用USART1发送一个字节的数据时，可以使用下面的语句：

USART1->DR=mydata;

进一步处理将外设操作封装成函数的形式：

/**
  * @brief  Transmits single data through the USARTx peripheral.
  * @param  USARTx: Select the USART or the UART peripheral. 
  *   This parameter can be one of the following values:
  *   USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5.
  * @param  Data: the data to transmit.
  * @retval None
  */
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data)
{
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_USART_ALL_PERIPH(USARTx));
  assert_param(IS_USART_DATA(Data)); 
    
  /* Transmit Data */
  USARTx->DR = (Data & (uint16_t)0x01FF);
}

所以，STM32固件库函数就是基于这种思路设计的。应该注意的是，在定义USART_TypeDef结构时，使用了__IO变量类型，该类型实质上volatile的宏定义（该宏定义包含在core_m3.h文件中）。外设访问定义指针时，需要使用volatile关键字。volatile用于防止相关变量被优化。