野火学习笔记(4) —— 固件库_固件库和标准库的区别-优快云博客

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- 自己写库—构建库函数雏形
- 初识 STM32 标准库

个人感觉了解一下就可以了

- 自己写库—构建库函数雏形

1. 什么是 STM32 函数库

以上所说的固件库是指 “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。

当我们调用库 API 的时候不需要挖空心思去了解库底层的寄存器操作，就像当年我们刚开始学习 C 语言的时候，用 prinft() 函数时只是学习它的使用格式，并没有去研究它的源码实现，但需要深入研究的时候，经过千锤百炼的库源码就是最佳学习范例。

实际上，库是架设在寄存器与用户驱动层之间的代码，向下处理与寄存器直接相关的配置，向上为用户提供配置寄存器的接口。库开发方式与直接配置寄存器方式的区别见图 9-1。

在这里插入图片描述图 9-1 固件库开发与寄存器开发对比图

2. 为什么采用库来开发及学习？

在以前 8 位机时代的程序开发中，一般直接配置芯片的寄存器，控制芯片的工作方式，如中断，定时器等。配置的时候，常常要查阅寄存器表，看用到哪些配置位，为了配置某功能，该置 1 还是置 0。这些都是很琐碎的、机械的工作，因为 8 位机的软件相对来说较简单，而且资源很有限，所以可以直接配置寄存器的方式来开发。

对于 STM32，因为外设资源丰富，带来的必然是寄存器的数量和复杂度的增加，这时直接配置寄存器方式的缺陷就突显出来了：

① 开发速度慢
② 程序可读性差
③ 维护复杂

这些缺陷直接影响了开发效率，程序维护成本，交流成本。库开发方式则正好弥补了这些缺陷。

而坚持采用直接配置寄存器的方式开发的程序员，会列举以下原因：

① 具体参数更直观
② 程序运行占用资源少

相对于库开发的方式，直接配置寄存器方式生成的代码量的确会少一点，但因为 STM32 有充足的资源，权衡库的优势与不足，绝大部分时候，我们愿意牺牲一点 CPU 资源，选择库开发。一般只有在对代码运行时间要求极苛刻的地方，才用直接配置寄存器的方式代替，如频繁调用的中断服务函数。

对于库开发与直接配置寄存器的方式，就好比编程是用汇编好还是用 C 好一样。在 STM32F1 系列刚推出函数库时引起程序员的激烈争论，但是，随着 ST 库的完善与大家对库的了解，更多的程序员选择了库开发。现在 STM32F1 系列和 STM32F4 系列各有一套自己的函数库，但是它们大部分是兼容的， F1 和 F4 之间的程序移植，只需要小修改即可。而如果要移植用寄存器写的程序，那简直跟脱胎换骨差不多。

3. 实验：构建库函数雏形

3.1 外设寄存器结构体定义

上一章中我们在操作寄存器的时候，操作的是都寄存器的绝对地址，如果每个外设寄存器都这样操作，那将非常麻烦。我们考虑到外设寄存器的地址都是基于外设基地址的偏移地址，都是在外设基地址上逐个连续递增的，每个寄存器占 32 个字节，这种方式跟结构体里面的成员类似。所以我们可以定义一种外设结构体，结构体的地址等于外设的基地址，结构体的成员等于寄存器，成员的排列顺序跟寄存器的顺序一样。这样我们操作寄存器的时候就不用每次都找到绝对地址，只要知道外设的基地址就可以操作外设的全部寄存器，即操作结构体的成员即可。

在工程中的 “stm32f10x.h” 文件中，我们使用结构体封装 GPIO 及 RCC 外设的的寄存器，见代码清单 9-1。结构体成员的顺序按照寄存器的偏移地址从低到高排列，成员类型跟寄存器类型一样。

代码清单 9-1 封装寄存器列表

//寄存器的值常常是芯片外设自动更改的，即使 CPU 没有执行程序，也有可能发生变化
//编译器有可能会对没有执行程序的变量进行优化

//volatile 表示易变的变量，防止编译器优化，
#define __IO volatile
typedef unsigned int uint32_t;
typedef unsigned short uint16_t;

// GPIO 寄存器结构体定义
typedef struct
{
   
    __IO uint32_t CRL; // 端口配置低寄存器， 地址偏移 0X00
    __IO uint32_t CRH; // 端口配置高寄存器， 地址偏移 0X04
    __IO uint32_t IDR; // 端口数据输入寄存器， 地址偏移 0X08
    __IO uint32_t ODR; // 端口数据输出寄存器， 地址偏移 0X0C
    __IO uint32_t BSRR; // 端口位设置/清除寄存器，地址偏移 0X10
    __IO uint32_t BRR; // 端口位清除寄存器， 地址偏移 0X14
    __IO uint32_t LCKR; // 端口配置锁定寄存器， 地址偏移 0X18
}GPIO_TypeDef;

这段代码在每个结构体成员前增加了一个 “__IO” 前缀，它的原型在这段代码的第一行，代表了 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。

3.2 外设存储器映射

外设寄存器结构体定义仅仅是一个定义，要想实现给这个结构体赋值就达到操作寄存器的效果，我们还需要找到该寄存器的地址，就把寄存器地址跟结构体的地址对应起来。所以我们要再找到外设的地址，根据我们前面的学习，我们可以把这些外设的地址定义成一个个宏，实现外设存储器的映射。

/*片上外设基地址 */
#define PERIPH_BASE ((unsigned int)0x40000000)

/*APB2 总线基地址 */
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000)
/* AHB 总线基地址 */
#define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x20000)

/*GPIO 外设基地址*/
#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)

/*RCC 外设基地址*/
#define RCC_BASE (AHBPERIPH_BASE + 0x1000)

3.3 外设声明

定义好外设寄存器结构体，实现完外设存储器映射后，我们再把外设的基址强制类型转换成相应的外设寄存器结构体指针，然后再把该指针声明成外设名，这样一来，外设名就跟外设的地址对应起来了，而且该外设名还是一个该外设类型的寄存器结构体指针，通过该指针可以直接操作该外设的全部寄存器，见代码清单 9-2。

代码清单 9-2 指向外设首地址的结构体指针

// GPIO 外设声明
#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)

// RCC 外设声明
#define RCC ((RCC_TypeDef *) RCC_BASE)

/*RCC 的 AHB1 时钟使能寄存器地址,强制转换成指针*/
#define RCC_APB2ENR *(unsigned int*)(RCC_BASE+0x18)

首先通过强制类型转换把外设的基地址转换成 GPIO_TypeDef 类型的结构体指针，然后通过宏定义把 GPIOA、 GPIOB 等定义成外设的结构体指针，通过外设的结构体指针我们就可以达到访问外设的寄存器的目的。

通过操作外设结构体指针的方式，我们把 main 文件里对应的代码修改掉，见代码 9-2

代码 9-1 C 语言条件编译

/*
     * C 语言知识，条件编译
     * #if 为真
     * 执行这里的程序
     * #else
     * 否则执行这里的程序
     * #endif
*/

代码 9-2 使用寄存器结构体指针操作寄存器

// 使用寄存器结构体指针点亮 LED
int main(void)
{
   
#if 0 // 直接通过操作内存来控制寄存器
    // 开启 GPIOB 端口时钟
    RCC_APB2ENR |= (1<<3);
    
    // 空控制 PB0 的端口位
    GPIOB_CRL &= ~( 0x0F<< (4*0));
    // 配置 PB0 为通用推挽输出，速度为 10M
    GPIOB_CRL |= (1<<4*0);
    
    // PB0 输出 低电平
    GPIOB_ODR |= (0<<0);
    
    while (1);
    
#else // 通过寄存器结构体指针来控制寄存器
    
    // 开启 GPIOB 端口时钟
    RCC->APB2ENR |= (1<<3);
    
    // 空控制 PB0 的端口位
    GPIOB->CRL &= ~( 0x0F</