一、STM32芯片简介（手册下载）、内部结构、存储器映射、寄存器映射

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一、STM32简介

1. STM32含义

STM，即意法半导体（STMicroelectronics）；
- 1987 年由意大利的 SGS 微电子公司和法国 Thomson 半导体公司合并而成。
- 1998 年 5 月，SGS-THOMSON Microelectronics 将公司名称改为意法半导体有限公司。
- 公司总部设在瑞士日内瓦，美国总部设在德克萨斯州达拉斯市的卡罗顿，亚太区总部设在新加坡，日本业务以东京为总部，大中国区总部设在上海
32，即32位的微控制器；
即STM32表示意法半导体32位系列的微控制器；

2.STM32芯片

下图印刷电路板中的标注的芯片是144pin的STM32F103ZET6；
芯片正面是丝印，标记这芯片的型号（arm表示该芯片使用的是arm内核）；
芯片四周是引脚，左下角的小圆点表示1脚，其余引脚从1脚按照逆时针顺序排列；
【把芯片引脚引出来，连接到各种传感器上，然后在芯片上编程来控制各种传感器，这就是STM32开发】

3.STM32分类

STM32命名方法
- 从内核上分有Cortex-M0、M3、M4和M7这几种
  - 每个内核又大概分为主流、高性能、低功耗；
- 单纯从学习的角度出发，可以选择F1和F4；
  - F1代表基础型，Cortex-M3内核，主频72MHZ；
  - F4代表高性能，Cortex-M4内核，主频180MHZ；
  - F4（429系列以上）除了内核不同和主频的提升外，升级的明显特色就是带了LCD控制和摄像头接口；

4.开发时MCU的选择方法

根据项目需求先大概选择MCU的内核；
- 普通应用，不需要接大屏幕的一般选择Cortex-M3内核的F1系列；
- 追求高性能、需要大量的数据运算、且需要外接大屏幕的选择Cortex-M4内核的F429系列；
确定引脚数量
- 引脚多的功能就多，价格也越贵。根据具体项目中需要使用到的功能，够用就好；
选择Flash大小
- 相同引脚数的MCU会有不同的Flash大小可供选择；程序大的就选择大点的Flash。
根据数据手册来查询每个IO的具体功能。开发时，常用到参考手册（reference manual）和数据手册（Data Sheet）这两个官方文档，具体区别如下。
- 数据手册主要用于芯片选型和原理图设计；
- 参考手册主要用于编程时查阅；
- 数据手册和参考手册下载链接，密码:2nkx
分配原理图IO（画原理图前，一般先把引脚分类好，具体方法如下）

5. 数据手册和参考手册下载方法

STM32F103数据手册和参考手册蓝奏云下载链接，密码:2nkx
官网下载
- ST官网链接
- 下载步骤
ST中文论坛下载
- 下载地址：ST中文论坛地址
- 下载步骤
  - 设计资源
  - STM32MCU
  - STM32F1
  - 参考手册—>RM0008;
  - 数据手册—>DS5792(STM32F103ZET6)/DS5319(STM32F103C8T6)
  - 中文版下载

二、STM32内部结构

1.STM32的系统结构（了解即可）；

内核，即CPU，由ARM公司设计。（ARM公司不生产芯片，而是出售其芯片技术授权）Cortex-M表示该内核属于M系列；
- ARM内核分为以下系列
  - A系列：Application缩写，高性能应用，用于手机、电脑、路由器等；
  - R系列，Real-Time缩写，实时性强，用于汽车电子、军工、无线基带等；
  - M系列：Microcontroller缩写，微控制器，用于消费电子、家电、医疗器械、工控等；
  - 性能由高到低，时钟频率由高到底；
内核之外的部件为片上外设，如GPIO、USART、I2C、SPI等都叫做片上外设。（芯片生产厂商，负责在内核之外设计部件并生产整个芯片，例如ST、TI等）
内核和外设之间通过各种总线连接，其中驱动单元、被动单元各有4个；
- ICode（指令代码）总线：该总线将内核与闪存指令接口相连接，用来指令预取；
- 总线矩阵：协调内核系统总线和DMA主控总线之间的访问仲裁；
- 4个驱动单元：DCode（数据代码）总线、System（系统）总线、通用DMA1和通用DMA2；
  - DCode总线：该总线将内核与闪存数据接口相连接，用来加载常量和调试访问；
  - System总线：用于内核访问外设；
  - DMA总线：该总线将DMA的AHB主控接口与总线矩阵相连接；
- 4个被动单元：内部SRAM、内部Flash、FSMC、AHB到APB的桥；
  - 内部SRAM，用于存放程序中的变量以及堆栈的开销，内核通过Dcode总线来进行访问；
  - 内部Flash：用于存放编写好的程序，内核通过ICode宗信来取里面的指令；
  - FSMC，Flexible Static Memory Controller，灵活的静态存储器控制器，用来扩展静态内存；
  - AHB到APB的桥：AHB总线延伸出来2条总线（APB1、APB2），用来挂载各种外设，如GPIO、USART、I2C等；

三、STM32的存储器映射

STM32的Flash、SRAM、FSMC、AHB到APB的桥，这些功能部件共同排列在一个4GB的地址空间内。我们在编程时，可以通过地址找到它们，然后进行操作（通过C语言进行数据的读写）。
- STM32为32位控制器，所以最多只能访问2²⁴ 字节（即4GB）存储空间；
存储器本身不具有信息，它的地址由厂商或用户分配，给存储器分配地址的过程就称为存储器映射；如果给存储器再分配一个地址就叫存储器重映射；
- 存储器映射的硬件实现原理是通过地址译码电路。当CPU发一个一个内存访问请求时，会输出一个地址信号，地址译码电路会根据这个地址信号判断要访问哪个模块（如Flash、SRAM、外设等），然后将访问请求引导到相应的模块上；
ARM将这4G的地址空间平均分成了8块（512MB/块），每块规定了相应的用途，如下表所示；

这8个Block中，由三个块非常重要，即Block0、1、2；

Block0用来设计成内部Flash；
Block1用来设计成内部RAM；
Block2用来设计成片上外设；

序号	用途	地址范围
Block 0	Code（内部Flash）	0x0000 0000 ~ 0x1FFF FFFF(512MB)
Block 1	SRAM	0x2000 0000 ~ 0x3FFF FFFF(512MB)
Block 2	片上外设	0x4000 0000 ~ 0x5FFF FFFF(512MB)
Block 3	FSMC的bank1~bank2	0x6000 0000 ~ 0x7FFF FFFF(512MB)
Block 4	FSMC的bank3~bank4	0x8000 0000 ~ 0x9FFF FFFF(512MB)
Block 5	FSMC寄存器	0xA000 0000 ~ 0xBFFF FFFF(512MB)
Block 6	未使用	0xC000 0000 ~ 0xDFFF FFFF(512MB)
Block 7	Cortex-M3内部外设	0xE000 0000 ~ 0xFFFF FFFF(512MB)

STM32F103ZET6的Flash大小为512KB，存储器Block0内部区域功能划分如下：
- ISP（In-System Programing），在系统中编程（指不需要把IC从电路板上取下就可以烧录程序的方法），串口下载时需要用到这部分程序；
- 可以配置BOOT引脚来选择程序从FLASH、RAM还是系统存储器启动；
STM32F103ZET6的SRAM大小为64KB，存储器Block1内部区域功能划分如下
Block2用于设计篇上外设，根据外设总线速度不同，Block2被分成了APB、AHB1、AHB2，内部区域功能划分如下：

四、STM32的寄存器映射

在存储器Block2这块区域，设计的是片上外设，它们以4个字节（32bit）为一个单元，每个单元对应不同的功能------>我们通过C语言向这些单元进行读写时就可以驱动外设工作；
- 如果我们直接通过地址来进行访问，不仅不好记忆还容易出错，如下面所示：
  - GPIOB的ODR（输出数据寄存器）地址为0x4001 0C0C，共32bit，低16bit有效，对应着16个IO，写0/1对应的IO则输出低/高电平，下面是通过C语言指针的操作方式，让GPIOB的16个IO都输出高电平；(0x4001 0C0C是GPIOB ODR的地址，如果要让STM32也将其看成一个地址，需要把它强制转换成指针)
```
*(unsigned int *)(0x4001 0C0C) = 0xFF;
```
- 所以可以根据每个单元的功能，为其取一个别名，这个别名就是我们所说的寄存器，即为外设的每个功能单元取的别名就是寄存器；而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是寄存器映射；如下图所示
```
#define GPIOB_ODR			(unsigned int*)(0x4001 0C0C)
* GPIOB_ODR = 0xFF;
```
  - 为了更方便操作，可以直接把解指针操作"*"定义到寄存器别名中，如下图所示
```
#define GPIOB_ODR		*(unsigned int*)(0x4001 0C0C)
GPIOB_ODR = 0xFF;
```

1. 总线基地址

片上外设区分为三条总线，分别挂载着不同的速度的外设；
- APB1挂载低俗外设；
- APB2、AHB挂载告诉外设；
总线的最低地址，称为总线基地址；（总线基地址也是挂载在该总线上首个外设的起始地址）；
三条总线中，APB1总线地址最低，片上外设的地址从这里开始，也就做外设基地址；

2. xx外设基地址

每条总线上挂载着各种外设，这些外设有着自己的地址范围，xx外设的起始地址称为"xx外设基地址"具体有关 STM32F10xx 外设的基地址请参考《STM32F10xx参考手册》的 2.3 小节的存储器映射的表 1：STM32F10xx 寄存器边界地址。，下表所示为挂载在APB2总线上的GPIOA~G的基地址

3. 外设寄存器

在xx外设的地址范围内，分布着的就是该外设的寄存器。以GPIOB为例，每个寄存器为32bit（占4个字节），在该外设的基地址上按照顺序排列，寄存器的位置都以相对该外设基地址的偏移地址来描述。
外设的寄存器说明可参考《STM32F10xx 参考手册》中具体章节的寄存器描述部分，在编程
的时候我们需要反复的查阅外设的寄存器说明。以端口位设置/清除寄存器为例，来对参考手册中寄存器的描述进行说明。
- 名称：GPIOx_BSRR(x=A…E)，其中"x"可以为A ~ E，即这个寄存器说明适用于GPIOA ~ GPIOE，这些GPIO端口都有这样的一个寄存器；
- 偏移地址：该寄存器相对于外设的基地址的偏移；
- 寄存器位表：列出了0 ~ 31位的名称及权限；表的上方数字为位编号、中间为位名称、最下方为读写权限（w表示只写，r表示只读，rw表示可读写）；
- 位功能说明：详细介绍了寄存器每一个位的功能；

五、C语言对寄存器的封装

1.封装总线和外设基地址

/* 外设基地址 */
#define PERIPH_BASE           ((uint32_t)0x40000000)

/* 总线基地址 */
#define APB1PERIPH_BASE       PERIPH_BASE
#define APB2PERIPH_BASE       (PERIPH_BASE + 0x10000)
#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)

/* 寄存器基地址，以 GPIOB 为例 */
#define GPIOB_CRL (GPIOB_BASE+0x00)
#define GPIOB_CRH (GPIOB_BASE+0x04)
#define GPIOB_IDR (GPIOB_BASE+0x08)
#define GPIOB_ODR (GPIOB_BASE+0x0C)
#define GPIOB_BSRR (GPIOB_BASE+0x10)
#define GPIOB_BRR (GPIOB_BASE+0x14)
#define GPIOB_LCKR (GPIOB_BASE+0x18)

2.封装寄存器列表

GPIOA~GPIOE都有一组功能相同的寄存器，这些寄存器在该外设的基地址上按照顺序，C语言中的结构体变量的存储空间也是连续的。那么我们就可以通过结构体对寄存器进行封装。

typedef unsigned int uint32_t; /* 无符号 32 位变量 */
typedef unsigned short int uint16_t; /* 无符号 16 位变量 */

/* GPIO 寄存器列表 */
typedef struct
{
	uint32_t CRL;
	uint32_t CRH;
	uint32_t IDR;
	uint32_t ODR;
	uint32_t BSRR;
	uint32_t BRR;
	uint32_t LCKR;
} GPIO_TypeDef;

接着我们我们使用宏定义好GPIO_TypeDef类型的指针，而指针指向各个GPIO端口的首地址，使用时直接用该宏访问寄存器即可。

/* 使用 GPIO_TypeDef 把地址强制转换成指针 */
#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 GPIOH ((GPIO_TypeDef *) GPIOH_BASE)

/* 访问 GPIOA 端口的寄存器 */
GPIOA->BSRR = 0xFFFF;
GPIOA->CRL = 0xFFFF;
GPIOA->ODR =0xFFFF;

uint32_t temp;
temp = GPIOA->IDR; //读取 GPIOA_IDR 寄存器的值到变量 temp 中

六、修改寄存器的位操作方法

使用C语言操作寄存器时，常常要求只修改寄存器某几位的值，而寄存器其他位的值保持不变。这时就需要用到C语言的位操作了；

1. 把某位清0 &= ~

//定义一个变量 a = 1001 1111 b (二进制数)
unsigned char a = 0x9f;

//对 bit2 清零
a &= ~(1<<2);
//括号中的 1 左移两位，(1<<2) 得二进制数：0000 0100 b
//按位取反，~(1<<2) 得 1111 1011 b
//假如 a 中原来的值为二进制数： a = 1001 1111 b
//所得的数与 a 作”位与&”运算，a = (1001 1111 b)&(1111 1011 b),
//经过运算后，a 的值 a=1001 1011 b
// a 的 bit2 位被清零，而其它位不变。

2.把某位置1 |=

//定义一个变量 a = 1001 1111 b (二进制数)
unsigned char a = 0x9f;

//对 bit5 置1
a |= (1<<5);
//括号中的 1 左移5位，(1<<5) 得二进制数：0010 0000 b
//假如 a 中原来的值为二进制数： a = 1001 1111 b
//所得的数与 a 作”位或|”运算，a = (1001 1111 b)|(0010 0000 b),
//经过运算后，a 的值 a=1011 1011 b
// a 的 bit5 位被置1，而其它位不变。

3.把某位取反 ^=

//定义一个变量 a = 1001 1111 b (二进制数)
unsigned char a = 0x9f;

//对 bit3 取反
a ^= (1<<3);
//括号中的 1 左移3位，(1<<3) 得二进制数：0000 1000 b
//假如 a 中原来的值为二进制数： a = 1001 1111 b
//所得的数与 a 作”异或^”运算，a = (1001 1111 b)^(0000 1000 b),
//经过运算后，a 的值 a=1001 0111 b 
// a 的 bit3 位取反，而其它位不变。