干貨 | 了解庫開發，我們從STM32標準庫學起

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摘要：從STM32新建工程、編譯下載程序出發，讓新手由淺入深，盡享STM32標準庫開發的樂趣。

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自從CubeMX等圖像配置軟件的出現，同學們往往點幾下鼠標就解決了單片機的配置問題。對于追求開發速度的業務場景下，使用快速配置軟件是合理的，高效的，但對于學生的學習場景下，更為重要的是知其然并知其所以然。

以下是學習（包括但不限于）嵌入式的三個重要內容，

1、學會如何參考官方的手冊和官方的代碼來獨立寫自己的程序。

2、積累常用代碼段，知道哪里的問題需要哪些代碼處理。

3、跟隨大佬步伐，一步一個腳印。

首先：我們都知道編程時一般查的是《參考手冊》，而進行芯片選型或需要芯片數據時，查閱的是《數據手冊》。此外市面上所有關于STM32的書籍都是立足于前二者（+Cortex內核手冊）進行編著。

其次：要分清什么是內核外設與內核之外的外設，為了便于區分，按照網上的一種說法，將“內核之外的外設”以“處理器外設”代替。再者：如今很少使用標準庫了，都是HAL庫，但作為高校目前教學方式，

我們將以STM32f10xxx為例對標準庫開發進行概覽。

一、STM32 系統結構

STM32f10xxx 系統結構

內核IP

從結構框圖上看，Cortex-M3 內部有若 干個總線接口，以使 CM3 能同時取址和訪內（訪問內存），它們是：指令存儲區總線（兩條）、系統總線、私有外設總線。有兩條代碼存儲區總線負責對代碼存儲區（即 FLASH 外設）的訪問，分別是 I-Code 總線和 D-Code 總線。

I-Code 用于取指，D-Code 用于查表等操作，它們按最佳執行速度進行優化。

系統總線（System）用于訪問內存和外設，覆蓋的區域包括 SRAM，片上外設，片外 RAM，片外擴展設備，以及系統級存儲區的部分空間。

私有外設總線負責一部分私有外設的訪問，主要就是訪問調試組件。它們也在系統級存儲區。

還有一個 DMA 總線，從字面上看，DMA 是 data memory access 的意思，是一種連接內核和外設的橋梁，它可以訪問外設、內存，傳輸不受 CPU 的控制，并且是雙向通信。簡而言之，這個家伙就是一個速度很快的且不受老大控制的數據搬運工。

處理器外設（內核之外的外設）

從結構框圖上看，STM32 的外設有 串口、定時器、IO 口、FSMC、SDIO、SPI、I2C 等，這些外設按 照速度的不同，分別掛載到 AHB、APB2、APB1 這三條總線上。

二、寄存器

什么是寄存器？寄存器是內置于各個 IP 外設中，是一種用于配置外設功能的存儲器，并且有想對應的地址。一切庫的封裝始于映射。

是不是“又臭又長”，如果進行寄存器開發，就需要懟地址以及對寄存器進行字節賦值，不僅效率低而且容易出錯。

來，開個玩笑。

你也許聽說過“國際 C 語言亂碼大賽（IOCCC）”下面這個例子就是網上廣為流傳的 一個經典作品：

#include <stdio.h>
 
main(t,_,a)char *a;{return!0<t?t<3?main(-79,-13,a+main(-87,1-_,
main(-86,0,a+1)+a)):1,t<_?main(t+1,_,a):3,main(-94,-27+t,a)&&t==2?_<13?
main(2,_+1,"%s %d %d\n"):9:16:t<0?t<-72?main(_,t,
"@n'+,#'/*{}w+/w#cdnr/+,{}r/*de}+,/*{*+,/w{%+,/w#q#n+,/#{l+,/n{n+,/+#n+,/#\
;#q#n+,/+k#;*+,/'r :'d*'3,}{w+K w'K:'+}e#';dq#'l \
q#'+d'K#!/+k#;q#'r}eKK#}w'r}eKK{nl]'/#;#q#n'){)#}w'){){nl]'/+#n';d}rw' i;# \
){nl]!/n{n#'; r{#w'r nc{nl]'/#{l,+'K {rw' iK{;[{nl]'/w#q#n'wk nw' \
iwk{KK{nl]!/w{%'l##w#' i; :{nl]'/*{q#'ld;r'}{nlwb!/*de}'c \
;;{nl'-{}rw]'/+,}##'*}#nc,',#nw]'/+kd'+e}+;#'rdq#w! nr'/ ') }+}{rl#'{n' ')# \
}'+}##(!!/")
:t<-50?_==*a?putchar(31[a]):main(-65,_,a+1):main((*a=='/')+t,_,a+1)
:0<t?main(2,2,"%s"):*a=='/'||main(0,main(-61,*a,
"!ek;dc i@bK'(q)-[w]*%n+r3#l,{}:\nuwloca-O;m.vpbks,fxntdCeghiry"),a+1);}

庫的存在就是為了解決這類問題，將代碼語義化。語義化思想不僅僅是嵌入式有的，前端代碼也在追求語義特性。

三、萬物始于點燈

（1）內核庫文件分析

cor_cm3.h

這個頭文件實現了：

1、內核結構體寄存器定義。 

2、內核寄存器內存映射。 

3、內存寄存 器位定義。跟處理器相關的頭文件 stm32f10x.h 實現的功能一樣，一個是針對內核的寄存器，一個是針對內核之外，即處理器的寄存器。

misc.h

內核應用函數庫頭文件，對應 stm32f10x_xxx.h。

misc.c

內核應用函數庫文件，對應 stm32f10x_xxx.c。在 CM3 這個內核里面還有一些功能組 件，如 NVIC、SCB、ITM、MPU、CoreDebug，CM3 帶有非常豐富的功能組件，但是芯片廠商在設計 MCU 的時候有一些并不是非要不可的，是可裁剪的，比如 MPU、ITM 等在 STM32 里面就沒有。

其中 NVIC 在每一個 CM3 內核的單片機中都會有，但都會被裁剪，只能是 CM3 NVIC 的一個子集。在 NVIC 里面還有一個 SysTick，是一個系統定時器，可以提供時基，一般為操作系統定時器所用。misc.h 和 mics.c 這兩個文件提供了操作這些組件的函數，并可以在 CM3 內核單片機直接移植。

（2）處理器外設庫文件分析

startup_stm32f10x_hd.s

這個是由匯編編寫的啟動文件，是 STM32 上電啟動的第一個程序，啟動文件主要實現了

• 初始化堆棧指針 SP；
• 設置 PC 指針=Reset_Handler ；
• 設置向量表的地址，并 初始化向量表，向量表里面放的是 STM32 所有中斷函數的入口地址
• 調用庫函數 SystemInit，把系統時鐘配置成 72M，SystemInit 在庫文件 stytem_stm32f10x.c 中定義；
• 跳轉到標號_main，最終去到 C 的世界。

system_stm32f10x.c

這個文件的作用是里面實現了各種常用的系統時鐘設置函數，有 72M，56M，48， 36，24，8M，我們使用的是是把系統時鐘設置成 72M。

Stm32f10x.h

這個頭文件非常重要，這個頭文件實現了：

1、處理器外設寄存器 的結構體定義。

2、處理器外設的內存映射。

3、處理器外設寄存器的位定義。

關于 1 和 2 我們在用寄存器點亮 LED 的時候有講解。

其中 3：處理器外設寄存器的位定義，這個非常重要，具體是什么意思？

我們知道一個寄存器有很多個位，每個位寫 1 或 者寫 0 的功能都是不一樣的，處理器外設寄存器的位定義就是把外設的每個寄存器的每一 個位寫 1 的 16 進制數定義成一個宏，宏名即用該位的名稱表示，如果我們操作寄存器要開啟某一個功能的話，就不用自己親自去算這個值是多少，可以直接到這個頭文件里面找。

我們以片上外設 ADC 為例，假設我們要啟動 ADC 開始轉換，根據手冊我們知道是要控制 ADC_CR2 寄存器的位 0：ADON，即往位 0 寫 1，即：

ADC->CR2=0x00000001;

這是 一般的操作方法?，F在這個頭文件里面有關于 ADON 位的位定義：

 #define ADC_CR2_ADON ((uint32_t)0x00000001)

有了這個位定義，我們剛剛的 代碼就變成了：

ADC->CR2=ADC_CR2_ADON

stm32f10x_xxx.h

外設 xxx 應用函數庫頭文件，這里面主要定義了實現外設某一功能 的結構體，比如通用定時器有很多功能，有定時功能，有輸出比較功能，有輸入捕捉功 能，而通用定時器有非常多的寄存器要實現某一個功能。

比如定時功能，我們根本不知道 具體要操作哪些寄存器，這個頭文件就為我們打包好了要實現某一個功能的寄存器，是以機構體的形式定義的，比如通用定時器要實現一個定時的功能，我們只需要初始化 TIM_TimeBaseInitTypeDef 這個結構體里面的成員即可，里面的成員就是定時所需要 操作的寄存器。

有了這個頭文件，我們就知道要實現某個功能需要操作哪些寄存器，然后 再回手冊中精度這些寄存器的說明即可。

stm32f10x_xxx.c

stm32f10x_xxx.c：外設 xxx 應用函數庫，這里面寫好了操作 xxx 外設的所有常用的函 數，我們使用庫編程的時候，使用的最多的就是這里的函數。

（3）SystemInit

工程中新建main.c 。

在此文件中編寫main函數后直接編譯會報錯：

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Undefined symbol SystemInit (referred from startup_stm32f10x_hd.o).

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錯誤提示說SystemInit 沒有定義。從分析啟動文件startup_stm32f10x_hd.s時我們知道，

;Reset handler
Reset_Handler PROC
EXPORT Reset_Handler [WEAK]
IMPORT __main
;IMPORT SystemInit
;LDR R0, =SystemInit
BLX R0
LDR R0, =__main
BX R0
ENDP

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匯編中；分號是注釋的意思

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第五行第六行代碼Reset_Handler 調用了SystemInit該函數用來初始化系統時鐘，而該函數是在庫文件system_stm32f10x.c 中實現的。我們重新寫一個這樣的函數也可以，把功能完整實現一遍，但是為了簡單起見，我們在main 文件里面定義一個SystemInit 空函數，為的是騙過編譯器，把這個錯誤去掉。

關于配置系統時鐘之后會出文章RCC 時鐘樹詳細介紹，主要配置時鐘控制寄存器(RCC_CR)和時鐘配置寄存器(RCC_CFGR)這兩個寄存器，但最好是直接使用CubeMX直接生成，因為它的配置過程有些冗長。

如果我們用的是庫，那么有個庫函數SystemInit，會幫我們把系統時鐘設置成72M。

現在我們沒有使用庫，那現在時鐘是多少？答案是8M，當外部HSE 沒有開啟或者出現故障的時候，系統時鐘由內部低速時鐘LSI 提供，現在我們是沒有開啟HSE，所以系統默認的時鐘是LSI=8M。

（4）庫封裝層級

如圖，達到第四層級便是我們所熟知的固件庫或HAL庫的效果。當然庫的編寫還需要考慮許多問題，不止于這些內容。我們需要的是了解庫封裝的大概過程。

將庫封裝等級分為四級來介紹是為了有層次感，就像打怪升級一樣，進行認知理解的升級。

我們都知道，操作GPIO輸出分三大步：

時鐘控制：

STM32 外設很多，為了降低功耗，每個外設都對應著一個時鐘，在系統復位的時候這些時鐘都是被關閉的，如果想要外設工作，必須把相應的時鐘打開。

STM32 的所有外設的時鐘由一個專門的外設來管理，叫RCC（reset and clockcontrol），RCC 在STM32 參考手冊的第六章。

STM32 的外設因為速率的不同，分別掛載到三條總系上：AHB、APB2、APB1，AHB為高速總線，APB2 次之，APB1 再次之。所以的IO 口都掛載到APB2 總線上，屬于高速外設。

模式配置：

這個由端口配置寄存器來控制。端口配置寄存器分為高低兩個，每4bit 控制一個IO 口，所以端口配置低寄存器：CRL 控制這IO 口的低8 位，端口配置高寄存器：CRH控制這IO 口的高8bit。

在4 位一組的控制位中，CNFy[1:0] 用來控制端口的輸入輸出，MODEy[1:0]用來控制輸出模式的速率，又稱驅動電路的響應速度，注意此處速率與程序無關，具體內容見文章：【嵌入式】GPIO引腳速度、翻轉速度、輸出速度區別輸入有4種模式，輸出有4種模式，我們在控制LED 的時候選擇通用推挽輸出。

輸出速率有三種模式：2M、10M、50M，這里我們選擇2M。

電平控制：

STM32 的IO 口比較復雜，如果要輸出1 和0，則要通過控制：端口輸出數據寄存器ODR 來實現，ODR 是：Output data register 的簡寫，在STM32 里面，其寄存器的命名名稱都是英文的簡寫，很容易記住。

從手冊上我們知道ODR 是一個32 位的寄存器，低16位有效，高16 位保留。低16 位對應著IO0~IO16，只要往相應的位置寫入0 或者1 就可以輸出低或者高電平。

第一層級：基地址宏定義 

時鐘控制：

在STM32 中，每個外設都有一個起始地址，叫做外設基地址，外設的寄存器就以這個基地址為標準按照順序排列，且每個寄存器32位，（后面作為結構體里面的成員正好內存對齊）。

查表看到時鐘由APB2 外設時鐘使能寄存器(RCC_APB2ENR)來控制，其中PB 端口的時鐘由該寄存器的位3 寫1 使能。我們可以通過基地址+偏移量0x18，算出RCC_APB2ENR 的地址為：0x40021018。那么使能PB 口的時鐘代碼則如下所示：

 #define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018

 // 開啟端口B 時鐘
 RCC_APB2ENR |= 1<<3;

模式配置：

同RCC_APB2ENR 一樣，GPIOB 的起始地址是：0X4001 0C00，我們也可以算出GPIO_CRL 的地址為：0x40010C00。那么設置PB0 為通用推挽輸出，輸出速率為2M 的代碼則如下所示：

同上，從手冊中我們看到ODR 寄存器的地址偏移是：0CH，可以算出GPIOB_ODR 寄存器的地址是：0X4001 0C00 + 0X0C = 0X4001 0C0C?，F在我們就可以定義GPIOB_ODR 這個寄存器了，代碼如下：

#define GPIOB_ODR *(volatile unsigned long *)0x40010C0C

//PB0 輸出低電平
GPIOB_ODR = 0<<0;

第一層級：基地址宏定義完成用STM32 控制一個LED 的完整代碼：

#define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018
#define GPIOB_CRL *(volatile unsigned long *)0x40010C00
#define GPIOB_ODR *(volatile unsigned long *)0x40010C0C

int main(void)
{
 // 開啟端口B 的時鐘
 RCC_APB2ENR |= 1<<3;

 // 配置PB0 為通用推挽輸出模式，速率為2M
 GPIOB_CRL = (2<<0) | (0<<2);

 // PB0 輸出低電平，點亮LED
 GPIOB_ODR = 0<<0;
}

void SystemInit(void)
{
}

第二層級：基地址宏定義+結構體封裝

外設寄存器結構體封裝

上面我們在操作寄存器的時候，操作的是寄存器的絕對地址，如果每個寄存器都這樣操作，那將非常麻煩。我們考慮到外設寄存器的地址都是基于外設基地址的偏移地址，都是在外設基地址上逐個連續遞增的，每個寄存器占 32 個或者 16 個字節，這種方式跟結構體里面的成員類似。

所以我們可以定義一種外設結構體，結構體的地址等于外設的基地址，結構體的成員等于寄存器，成員的排列順序跟寄存器的順序一樣。這樣我們操作寄存器的時候就不用每次都找到絕對地址，只要知道外設的基地址就可以操作外設的全部寄存器，即操作結構體的成員即可。

下面我們先定義一個 GPIO 寄存器結構體，結構體里面的成員是 GPIO 的寄存器，成員的順序按照寄存器的偏移地址從低到高排列，成員類型跟寄存器類型一樣。（struct用法參考【C語言】（2）:關鍵字的詳細介紹）

typedef struct 
{
 volatile uint32_t CRL;
 volatile uint32_t CRH;
 volatile uint32_t IDR;
 volatile uint32_t ODR;
 volatile uint32_t BSRR;
 volatile uint32_t BRR;
 volatile uint32_t LCKR;
} GPIO_TypeDef;

在《STM32 中文參考手冊》8.2 寄存器描述章節，我們可以找到結構體里面的7 個寄存器描述。在點亮LED 的時候我們只用了CRL 和ODR 這兩個寄存器，至于其他寄存器的功能大家可以自行看手冊了解。

在GPIO 結構體里面我們用了兩個數據類型，一個是uint32_t，表示無符號的32 位整型，因為GPIO 的寄存器都是32 位的。這個類型聲明在標準頭文件stdint.h 里面使用typedef對unsigned int重命名，我們在程序上只要包含這個頭文件即可。

另外一個是volatile（volatile用法參考【C語言】（2）:關鍵字的詳細介紹），作用就是告訴編譯器這里的變量會變化不因優化而省略此指令，必須每次都直接讀寫其值，這樣就能確保每次讀或者寫寄存器都真正執行到位。

外設封裝

STM32F1 系列的GPIO 端口分A~G，即GPIOA、GPIOB。。。。。。GPIOG。每個端口都含有GPIO_TypeDef 結構體里面的寄存器，我們可以根據手冊各個端口的基地址把GPIO 的各個端口定義成一個GPIO_TypeDef 類型指針，然后我們就可以根據端口名（實際上現在是結構體指針了）來操作各個端口的寄存器，代碼實現如下：

#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 0800)
#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 0C00)
#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1000)
#define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1400)
#define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1800)
#define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1C00)
#define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 2000)

外設內存映射

講到基地址的時候我們再引人一個知識點：Cortex-M3 存儲器系統，這個知識點在《Cortex-M3 權威指南》第5 章里面講到。CM3 的地址空間是4GB，如下圖所示：

我們這里要講的是片上外設，就是我們所說的寄存器的根據地，其大小總共有512MB，512MB 是其極限空間，并不是每個單片機都用得完，實際上各個MCU 廠商都只是用了一部分而已。STM32F1 系列用到了：0x4000 0000 ~0x5003 FFFF。現在我們說的STM32 的寄存器就是位于這個區域

APB1、APB2、AHB 總線基地址

現在我們說的STM32 的寄存器就是位于這個區域，這里面ST 設計了三條總線：AHB、APB2 和APB1，其中AHB 和APB2 是高速總線，APB1 是低速總線。不同的外設根據速度不同分別掛載到這三條總線上。

從下往上依次是：APB1、APB2、AHB，每個總線對應的地址分別是：APB1：0x40000000，APB2：0x4001 0000，AHB：0x4001 8000。

這三條總線的基地址我們是從《STM32 中文參考手冊》2.3 小節—存儲器映像得到的：APB1 的基地址是TIM2 定時器的起始地址，APB2 的基地址是AFIO 的起始地址，AHB 的基地址是SDIO 的起始地址。其中APB1 地址又叫做外設基地址，是所有外設的基地址，叫做PERIPH_BASE。

現在我們把這三條總線地址用宏定義出來，以后我們在定義其他外設基地址的時候，只需要在這三條總線的基址上加上偏移地址即可，代碼如下：

#define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)
#define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000)
#define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x20000)

GPIO 端口基地址

因為GPIO 掛載到APB2 總線上，那么現在我們就可以根據APB2 的基址算出各個GPIO 端口的基地址，用宏定義實現代碼如下：

#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)

第二層級：基地址宏定義+結構體封裝完成用STM32 控制一個LED 的完整代碼：

#include <stdint.h>
#define __IO volatile

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 struct 
{
 __IO uint32_t CR;
 __IO uint32_t CFGR;
 __IO uint32_t CIR;
 __IO uint32_t APB2RSTR;
 __IO uint32_t APB1RSTR;
 __IO uint32_t AHBENR;
 __IO uint32_t APB2ENR;
 __IO uint32_t APB1ENR;
 __IO uint32_t BDCR;
 __IO uint32_t CSR;
} RCC_TypeDef;

#define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)

#define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000)
#define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x20000)

#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 RCC_BASE (AHBPERIPH_BASE + 0x1000)

#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)
#define RCC ((RCC_TypeDef *) RCC_BASE)


#define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018
#define GPIOB_CRL *(volatile unsigned long *)0x40010C00
#define GPIOB_ODR *(volatile unsigned long *)0x40010C0C

int main(void)
{
 // 開啟端口B 的時鐘
 RCC->APB2ENR |= 1<<3;

 // 配置PB0 為通用推挽輸出模式，速率為2M
 GPIOB->CRL = (2<<0) | (0<<2);

 // PB0 輸出低電平，點亮LED
 GPIOB->ODR = 0<<0;
}

void SystemInit(void)
{
}

第二層級變化：

①、定義一個外設（GPIO）寄存器結構體，結構體的成員包含該外設的所有寄存器，成員的排列順序跟寄存器偏移地址一樣，成員的數據類型跟寄存器的一樣。

②外設內存映射，即把地址跟外設建立起一一對應的關系。

③外設聲明，即把外設的名字定義成一個外設寄存器結構體類型的指針。

④通過結構體操作寄存器，實現點亮LED。

第三層級：基地址宏定義+結構體封裝+“位封裝”（每一位的對應字節封裝）

上面我們在控制GPIO 輸出內容的時候控制的是ODR（Output data register）寄存器，ODR 是一個16 位的寄存器，必須以字的形式控制其實我們還可以控制BSRR 和BRR 這兩個寄存器來控制IO 的電平，下面我們簡單介紹下BRR 寄存器的功能，BSRR 自行看手冊研究。

位清除寄存器BRR 只能實現位清0 操作，是一個32 位寄存器，低16 位有效，寫0 沒影響，寫1 清0。現在我們要使PB0 輸出低電平，點亮LED，則只要往BRR 的BR0 位寫1 即可，其他位為0，代碼如下：

GPIOB->BRR = 0X0001;

這時PB0 就輸出了低電平，LED 就被點亮了。

如果要PB2 輸出低電平，則是：

GPIOB->BRR = 0X0004;

如果要PB3/4/5/6。。。。。。這些IO 輸出低電平呢？

道理是一樣的，只要往BRR 的相應位置賦不同的值即可。因為BRR 是一個16 位的寄存器，位數比較多，賦值的時候容易出錯，而且從賦值的16 進制數字我們很難清楚的知道控制的是哪個IO。

這時，我們是否可以把BRR 的每個位置1 都用宏定義來實現，如GPIO_Pin_0 就表示0X0001，GPIO_Pin_2 就表示0X0004。只要我們定義一次，以后都可以使用，而且還見名知意。“位封裝”（每一位的對應字節封裝） 代碼如下：

#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 */

這時PB0 就輸出了低電平的代碼就變成了：

GPIOB->BRR = GPIO_Pin_0;

（如果同時讓PB0/PB15輸出低電平，用或運算，代碼：

GPIOB->BRR = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_15;

為了不使main 函數看起來冗余，上述庫封裝 的代碼不應該放在main 里面，因為其是跟GPIO 相關的，我們可以把這些宏放在一個單獨的頭文件里面。

在工程目錄下新建stm32f10x_gpio.h，把封裝代碼放里面，然后把這個文件添加到工程里面。這時我們只需要在main.c 里面包含這個頭文件即可。

第四層級：基地址宏定義+結構體封裝+“位封裝”+函數封裝

我們點亮LED 的時候，控制的是PB0 這個IO，如果LED 接到的是其他IO，我們就需要把GPIOB 修改成其他的端口，其實這樣修改起來也很快很方便。

但是為了提高程序的可讀性和可移植性，我們是否可以編寫一個專門的函數用來復位GPIO 的某個位，這個函數有兩個形參，一個是GPIOX（X=A...G），另外一個是GPIO_Pin（0...15），函數的主體則是根據形參GPIOX 和GPIO_Pin 來控制BRR 寄存器，代碼如下：

void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
 GPIOx->BRR = GPIO_Pin;
}

這時，PB0 輸出低電平，點亮LED 的代碼就變成了：

GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);

同理， 我們可以控制BSRR 這個寄存器來實現關閉LED，代碼如下：

// GPIO 端口置位函數
void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
 GPIOx->BSRR = GPIO_Pin;
}

這時，PB0 輸出高電平，關閉LED 的代碼就變成了：

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);

同樣，因為這個函數是控制GPIO 的函數，我們可以新建一個專門的文件來放跟gpio有關的函數。

在工程目錄下新建stm32f10x_gpio.c，把GPIO 相關的函數放里面。這時我們是否發現剛剛新建了一個頭文件stm32f10x_gpio.h，這兩個文件存放的都是跟外設GPIO 相關的。

C 文件里面的函數會用到h 頭文件里面的定義，這兩個文件是相輔相成的，故我們在stm32f10x_gpio.c 文件中也包含stm32f10x_gpio.h 這個頭文件。別忘了把stm32f10x.h 這個頭文件也包含進去，因為有關寄存器的所有定義都在這個頭文件里面。

如果我們寫其他外設的函數，我們也應該跟GPIO 一樣，新建兩個文件專門來存函數，比如RCC 這個外設我們可以新建stm32f10x_rcc.c 和stm32f10x_rcc.h。其他外依葫蘆畫瓢即可。

（5）實例編寫

以上，是對庫封住過程的概述，下面我們正在地使用庫函數編寫LED程序

①管理庫的頭文件

當我們開始調用庫函數寫代碼的時候，有些庫我們不需要，在編譯的時候可以不編譯，可以通過一個總的頭文件stm32f10x_conf.h 來控制，該頭文件主要代碼如下：

//#include "stm32f10x_adc.h"
//#include "stm32f10x_bkp.h"
//#include "stm32f10x_can.h"
//#include "stm32f10x_cec.h"
//#include "stm32f10x_crc.h"
//#include "stm32f10x_dac.h"
//#include "stm32f10x_dbgmcu.h"
//#include "stm32f10x_dma.h"
//#include "stm32f10x_exti.h"
//#include "stm32f10x_flash.h"
//#include "stm32f10x_fsmc.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
//#include "stm32f10x_i2c.h"
//#include "stm32f10x_iwdg.h"
//#include "stm32f10x_pwr.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
//#include "stm32f10x_rtc.h"
//#include "stm32f10x_sdio.h"
//#include "stm32f10x_spi.h"
//#include "stm32f10x_tim.h"
//#include "stm32f10x_usart.h"
//#include "stm32f10x_wwdg.h"
//#include "misc.h"

這里面包含了全部外設的頭文件，點亮一個LED 我們只需要RCC 和GPIO 這兩個外設的庫函數即可，其中RCC 控制的是時鐘，GPIO 控制的具體的IO 口。所以其他外設庫函數的頭文件我們注釋掉，當我們需要的時候就把相應頭文件的注釋去掉即可。

stm32f10x_conf.h 這個頭文件在stm32f10x.h 這個頭文件的最后面被包含，在第8296行：

#ifdef USE_STDPERIPH_DRIVER
#include "stm32f10x_conf.h"
#endif

代碼的意思是，如果定義了USE_STDPERIPH_DRIVER 這個宏的話，就包含stm32f10x_conf.h 這個頭文件。

我們在新建工程的時候，在魔術棒選項卡C/C++中，我們定義了USE_STDPERIPH_DRIVER 這個宏，所以stm32f10x_conf.h 這個頭文件就被stm32f10x.h 包含了，我們在寫程序的時候只需要調用一個頭文件：stm32f10x.h 即可。（預處理指令詳細內容會在【C語言】的文章中提到）

②編寫LED 初始化函數

經過寄存器點亮LED 的操作，我們知道操作一個GPIO 輸出的編程要點大概如下：

1、開啟GPIO 的端口時鐘

2、選擇要具體控制的IO 口，即pin

3、選擇IO 口輸出的速率，即speed

4、選擇IO 口輸出的模式，即mode

5、輸出高/低電平

STM32 的時鐘功能非常豐富，配置靈活，為了降低功耗，每個外設的時鐘都可以獨自的關閉和開啟。STM32 中跟時鐘有關的功能都由RCC 這個外設控制，RCC 中有三個寄存器控制著所以外設時鐘的開啟和關閉：RCC_APHENR、RCC_APB2ENR 和RCC_APB1ENR，AHB、APB2 和APB1 代表著三條總線，所有的外設都是掛載到這三條總線上，GPIO 屬于高速的外設，掛載到APB2 總線上，所以其時鐘有RCC_APB2ENR 控制。

GPIO 時鐘控制

固件庫函數：RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE)函數的

原型為：

void RCC_APB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB2Periph,
                              FunctionalState NewState)
{
 /* Check the parameters */
 assert_param(IS_RCC_APB2_PERIPH(RCC_APB2Periph));
 assert_param(IS_FUNCTIONAL_STATE(NewState));
 if (NewState != DISABLE) 
 {
  RCC->APB2ENR |= RCC_APB2Periph;
 } 
 else 
 {
  RCC->APB2ENR &= ~RCC_APB2Periph;
 }
}

當程序編譯一次之后，把光標定位到函數/變量/宏定義處，按鍵盤的F12 或鼠標右鍵的Go to definition of，就可以找到原型。固件庫的底層操作的就是RCC 外設的APB2ENR這個寄存器，宏RCC_APB2Periph_GPIOB 的原型是：0x00000008，即（1<<3），還原成存器操作就是：RCC->APB2ENR |= 1<<<3。相比固件庫操作，寄存器操作的代碼可讀性就很差，只有才查閱寄存器配置才知道具體代碼的功能，而固件庫操作恰好相反，見名知意。

GPIO 端口配置

GPIO 的pin，速度，模式，都由GPIO 的端口配置寄存器來控制，其中IO0~IO7 由端口配置低寄存器CRL 控制，IO8~IO15 由端口配置高寄存器CRH 配置。固件庫把端口配置的pin，速度和模式封裝成一個結構體：

typedef struct 
{
 uint16_t GPIO_Pin;
 GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;
 GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;
} GPIO_InitTypeDef;

pin 可以是GPIO_Pin_0~GPIO_Pin_15 或者是GPIO_Pin_All，這些都是庫預先定義好的宏。speed 也被封裝成一個結構體：

typedef enum 
{
 GPIO_Speed_10MHz = 1,
 GPIO_Speed_2MHz,
 GPIO_Speed_50MHz
} GPIOSpeed_TypeDef;

速度可以是10M，2M 或者50M，這個由端口配置寄存器的MODE 位控制，速度是針對IO 口輸出的時候而言，在輸入的時候可以不用設置。mode 也被封裝成一個結構體：

typedef enum 
{
 GPIO_Mode_AIN = 0x0, // 模擬輸入
 GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, // 浮空輸入（復位后的狀態）
 GPIO_Mode_IPD = 0x28, // 下拉輸入
 GPIO_Mode_IPU = 0x48, // 上拉輸入
 GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, // 通用開漏輸出
 GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, // 通用推挽輸出
 GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, // 復用開漏輸出
 GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 // 復用推挽輸出
} GPIOMode_TypeDef;

IO 口的模式有8 種，輸入輸出各4 種，由端口配置寄存器的CNF 配置。平時用的最多的就是通用推挽輸出，可以輸出高低電平，驅動能力大，一般用于接數字器件。至于剩下的七種模式的用法和電路原理，我們在后面的GPIO 章節再詳細講解。

最終用固件庫實現就變成這樣：

// 定義一個GPIO_InitTypeDef 類型的結構體
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

// 選擇要控制的IO 口
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;

// 設置引腳為推挽輸出
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;

// 設置引腳速率為50MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;

/*調用庫函數，初始化GPIOB0*/
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

倘若同一端口下不同引腳有不同的模式配置，每次對每個引腳配置完成后都要調用GPIO初始化函數，代碼如下：

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15 ;                      
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;                  //上拉輸入
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 ;                     
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;               //推挽輸出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); 

GPIO 輸出控制

GPIO 輸出控制，可以通過端口數據輸出寄存器ODR、端口位設置/清除寄存器BSRR和端口位清除寄存器BRR 這三個來控制。端口輸出寄存器ODR 是一個32 位的寄存器，低16 位有效，對應著IO0~IO15，只能以字的形式操作，一般使用寄存器操作。

// PB0 輸出高電平，點亮LED
GPIOB->ODR = 1<<0;

端口位清除寄存器BRR 是一個32 位的寄存器，低十六位有效，對應著IO0~IO15，只能以字的形式操作，可以單獨對某一個位操作，寫1 清0。

// PB0 輸出低電平，點亮LED
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);

BSRR 是一個32 位的寄存器，低16 位用于置位，寫1 有效，高16 位用于復位，寫1有效，相當于BRR 寄存器。高16 位我們一般不用，而是操作BRR 這個寄存器，所以BSRR 這個寄存器一般用來置位操作。

// PB0 輸出高電平，熄滅LED
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);

綜上：固件庫LED GPIO 初始化函數

void LED_GPIO_Config(void)
{
 // 定義一個GPIO_InitTypeDef 類型的結構體
 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

 // 開啟GPIOB 的時鐘
 RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

 // 選擇要控制的IO 口
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;

 // 設置引腳為推挽輸出
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;

 // 設置引腳速率為50MHz
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

 /*調用庫函數，初始化GPIOB0*/
 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

 // 關閉LED
 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
}

主函數

#include "stm32f10x.h"


void SOFT_Delay(__IO uint32_t nCount);
void LED_GPIO_Config(void);

int main(void)
{
 // 程序來到main 函數之前，啟動文件：statup_stm32f10x_hd.s 已經調用
 // SystemInit()函數把系統時鐘初始化成72MHZ
 // SystemInit()在system_stm32f10x.c 中定義
 // 如果用戶想修改系統時鐘，可自行編寫程序修改

 LED_GPIO_Config();

 while ( 1 ) 
 {
  // 點亮LED
  GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
  Time_Delay(0x0FFFFF);

  // 熄滅LED
  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
  Time_Delay(0x0FFFFF);
 }
}
// 簡陋的軟件延時函數
void Time_Delay(volatile uint32_t Count)
{
 for (; Count != 0; Count--);
}

注意void Time_Delay(volatile uint32_t Count)只是一個簡陋的軟件延時函數，如果小伙伴們有興趣可以看一看MultiTimer，它是一個軟件定時器擴展模塊，可無限擴展所需的定時器任務，取代傳統的標志位判斷方式， 更優雅更便捷地管理程序的時間觸發時序。

本文分享自華為云社區《【嵌入式】層層遞進，了解庫開發》，原文作者：LongYorke。

來源：https://huaweicloud.blog.csdn.net/article/

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