寄存器映射原理及GPIO初始化

简述

根据每个单元功能的不同，以功能为名给这个内存单元取一个别名，这个别名就是我们经常说的寄存器，这个给已经分配好地址的有特定功能的内存单元取别名的过程就叫寄存器映射。

一、 什么是寄存器

在单片机中，寄存器是一种用来存储数据的特殊内存单元。它们通常位于中央处理器（CPU）内部，并且具有非常快的访问速度。寄存器在单片机中扮演着重要的角色，用于存储临时数据、控制和配置外设以及执行算术和逻辑操作。

单片机中的寄存器可以分为多个类型，包括通用寄存器、特殊功能寄存器和状态寄存器等。通用寄存器用于存储临时数据，可以被程序员随意使用。特殊功能寄存器（SFR）用于控制和配置单片机的各种功能，如输入输出、定时器、中断等。状态寄存器用于存储和表示某些特定的状态信息，比如进位标志、溢出标志等。

寄存器在单片机编程中起着至关重要的作用，程序员可以通过读写寄存器的值来实现对单片机的控制和操作。不同的单片机架构和型号可能具有不同的寄存器集合和功能，因此在编程时需要参考相应的单片机手册或数据手册来了解具体的寄存器定义和用法。

二、 寄存器的映射原理

1.寄存器映射的解释

寄存器映射是指将特定功能的寄存器与特定的地址关联起来，以便通过读写这些地址来访问和配置寄存器。

STMF103的寄存器映射是按照一定的规则组织的，其中包含了多个寄存器组，每个寄存器组又包含了多个寄存器。这些寄存器用于控制和配置不同的外设，如GPIO（通用输入输出）、定时器、串口等。

在STMF103中，每个寄存器都有一个唯一的地址，通过读写这个地址可以对寄存器进行操作。通过对寄存器的读写，可以配置外设的工作模式、设置中断使能、读取或写入数据等。

图取自STM32F103中文教程及参考手册

2.寄存器映射的原理

STMF103的寄存器映射是通过内存映射的方式实现的，即将寄存器的地址与内存地址进行映射。当CPU访问某个寄存器时，实际上是通过读写对应的内存地址来实现的

我们可以用代码来解释寄存器原理

假设我们以一个简单的GPIO寄存器为例，该寄存器用于控制一个LED灯的开关状态。假设该寄存器的地址为0x40000000，其中的位0用于表示LED的开关状态（0表示关，1表示开）。

// 定义寄存器地址
#define GPIO_REG_ADDR 0x40000000

// 定义寄存器的位偏移
#define LED_BIT_OFFSET 0

// 定义寄存器的位掩码
#define LED_BIT_MASK (1 << LED_BIT_OFFSET)

// 定义寄存器指针类型
typedef volatile unsigned int* reg_ptr;

// 定义寄存器指针变量
reg_ptr gpio_reg = (reg_ptr)GPIO_REG_ADDR;

// 定义函数来控制LED的开关状态
void set_led_state(int state) {
    if (state) {
        // 将位0设置为1，表示LED开
        *gpio_reg |= LED_BIT_MASK;
    } else {
        // 将位0设置为0，表示LED关
        *gpio_reg &= ~LED_BIT_MASK;
    }
}

int main() {
    // 打开LED灯
    set_led_state(1);

    // 关闭LED灯
    set_led_state(0);

    return 0;
}

以上代码中，首先定义了寄存器的地址和位偏移。然后定义了一个寄存器指针类型，使用volatile关键字确保对寄存器的读写操作不会被编译器优化。接着定义了一个寄存器指针变量，将其指向寄存器的地址。

在set_led_state函数中，根据传入的state参数来控制LED的开关状态。当state为1时，通过位操作将寄存器的位0设置为1，表示LED开；当state为0时，通过位操作将寄存器的位0设置为0，表示LED关。

在main函数中，通过调用set_led_state函数来打开和关闭LED灯。

这段代码的关键在于利用指针对寄存器进行读写操作，通过位操作来控制寄存器中特定位的状态，从而实现对外设的控制。

3. 关于GPIO的说明

Ⅰ GPIO的定义

GPIO全拼叫General Purpose Input Output（通用输入输出）简称IO口也叫总线扩展器，GPIO口是由引脚，功能寄存器组成，不同的架构中的GPIO封装不同，所使用的引脚数与寄存器数不同，具体可以参考芯片手册里的GPIO篇。

GPIO的作用是用来控制连接在此GPIO口上的外设，我们一般通过观察原理图找到当前板子的GPIO口引出在哪个口上或者排针上，我们把我们的外设接到上面去就可以通过GPIO与这个外设进行交互控制，在驱动层我们通过读写GPIO口中的功能寄存器来改变连接在此GPIO上的外设状态。

Ⅱ GPIO初始化

GPIO初始化是指在使用GPIO之前，需要对其进行一些配置和初始化操作，以确保其正常工作。初始化过程包括以下几个步骤：

1. 确定GPIO的引脚编号：根据具体的芯片或开发板，确定要使用的GPIO引脚编号，通常以数字或字母表示。

2. 设置引脚的工作模式：根据需要，将GPIO引脚设置为输入或输出模式。输入模式用于读取外部信号，输出模式用于控制外部设备。

3. 配置引脚的电平：对于输出模式的GPIO，需要设置引脚的电平，即高电平或低电平。高电平表示输出高电压，低电平表示输出低电压。

4. 配置中断：如果需要使用GPIO的中断功能，需要进行中断的配置，如触发条件、中断优先级等。

5. 其他配置：根据具体需求，可能还需要进行其他配置，如上拉/下拉电阻的设置、输入输出速度的调整等。

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GPIO初始化与寄存器映射密切相关。在微控制器或单片机中，GPIO通常是通过寄存器来进行配置和控制的。

在GPIO初始化过程中，需要对相关的寄存器进行配置，以实现所需的功能。通过对寄存器的读写操作，可以设置引脚的工作模式、电平状态、中断配置等。

具体来说，GPIO初始化的过程通常涉及以下几个方面的寄存器配置：

1. GPIO模式寄存器（GPIO Mode Register）：该寄存器用于设置GPIO引脚的工作模式，如输入模式、输出模式、复用功能等。通过对该寄存器的位操作，可以将相应引脚设置为输入或输出。

2. GPIO数据寄存器（GPIO Data Register）：该寄存器用于读取或写入GPIO引脚的电平状态。对于输出模式的GPIO，通过对该寄存器的位操作，可以设置引脚的电平状态，从而控制外部设备的状态。

3. GPIO中断使能寄存器（GPIO Interrupt Enable Register）：该寄存器用于配置GPIO引脚的中断使能。通过对该寄存器的位操作，可以设置引脚的中断触发条件和中断使能状态。

4. 其他相关寄存器：根据具体的微控制器或单片机，可能还有其他相关的寄存器，如上拉/下拉电阻寄存器、输入输出速度寄存器等，用于配置GPIO引脚的其他特性。

5. 通过对这些寄存器的配置，可以实现对GPIO引脚的初始化和控制。寄存器映射的原理是将这些寄存器与特定的地址关联起来，通过读写这些地址来访问和配置寄存器。因此，GPIO初始化过程中的寄存器配置，实际上就是对寄存器映射的应用。

三、思考

Q:嵌入式C程序代码对内存(RAM)中的各变量的修改操作，与对外部设备（寄存器—>对应相关管脚）的操作有哪些相同与差别？

A:
相同点：

1. 都需要通过编程来进行操作。
2. 都需要使用适当的指令或函数来读取或写入数据。
3. 都需要考虑数据的类型、大小和对齐等问题。

差异点：

4. 内存中的变量是在RAM中存储的，可以直接通过变量名来访问和修改。而外部设备（寄存器）通常是通过特定的地址来访问和修改。
5. 对内存中的变量进行修改操作时，只需考虑编程语言的规范和变量的作用域等问题。而对外部设备的操作需要考虑寄存器的功能、位操作、寄存器映射等底层细节。
6. 对内存中的变量进行修改操作时，不需要特殊的权限或访问控制。而对外部设备的操作可能需要特定的权限或访问控制，以确保安全和正确性。

Q:为什么51单片机的LED点灯编程要比STM32的简单？

A:
51单片机和STM32是两种不同的微控制器系列，其体系结构、指令集和功能特性有所不同，因此在编程上存在一些差异。

以下是一些可能导致51单片机的LED点灯编程相对简单的原因：

1. 51单片机的体系结构相对简单，指令集较为基础，适合初学者入门。相比之下，STM32系列的微控制器具有更复杂的体系结构和功能特性，需要更深入的理解和掌握。

2. 51单片机的编程环境和工具链相对简单易用，支持的编程语言较为基础，如C语言和汇编语言。而STM32系列的微控制器通常使用更强大和复杂的开发环境和工具链，如Keil MDK，需要更多的配置和学习成本。

3. 51单片机的GPIO引脚数量相对较少，常见的开发板和实验板上通常只有几个引脚，因此对于LED点灯等简单应用，引脚的选择和配置相对简单。而STM32系列的微控制器通常具有更多的GPIO引脚，需要更复杂的引脚配置和映射。

参考文献：
1.https://blog.youkuaiyun.com/bjbz_cxy/article/details/119925257
2.https://cloud.tencent.com/developer/article/1559034