第7章 CMSIS架构与STM32库开发方式6H

EmbeddedSystemDevelopment聊城大学理工学院曹银杰caoyinjie@

嵌入式系统与应用

第7章CMSIS架构与STM32库开发方式7.1STM32库简介7.2STM32结构及库层次关系7.3库文件及使用简介7.4GPIO7.5stm32f10x.h中GPIO代码剖析7.6GPIO控制LED灯实验7.7时钟设置与开启外设时钟7.1STM32库简介STM32外设资源丰富，寄存器的数量多、设置复杂度高，直接配置寄存器方式开发程序效率低。STM32库是由ST公司针对STM32提供的函数接口，即API(ApplicationProgramInterface)，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。STM32库简介开发者可调用这些函数接口来配置STM32的寄存器，开发快速，易于阅读，维护成本低等优点。事实上，库函数的底层实现恰恰是直接配置寄存器方式的最佳例子，想深入了解芯片是如何工作的话，只要追踪到库的最底层实现就能理解。想修炼C语言，就从ST的库开始。7.2STM32结构及库层次关系解决不同的芯片厂商生产的Cortex微控制器软件的兼容性问题，ARM与芯片厂商建立了一个软件抽象层。CMSIS标准：CortexMicroControllerSoftwareInterfaceStandard。CMSIS架构STM32结构及库层次关系CMSIS标准中最主要的为CMSIS核心层，它包括了：

内核函数层：其中包含用于访问内核寄存器的名称、地址定义，主要由ARM公司提供。

设备外设访问层：提供了片上的核外外设的地址和中断定义，主要由芯片生产商提供可见CMSIS层位于硬件层与操作系统或用户层之间，提供了与芯片生产商无关的硬件抽象层，可以为接口外设、实时操作系统提供简单的处理器软件接口，屏蔽了硬件差异，这对软件的移植是有极大的好处的。STM32的库，就是按照CMSIS标准建立的。7.3库文件及使用简介新建工程---选择芯片后—选择运行环境、用的库、驱动文件、RTX等—编译时自动添加其他用的库文件库文件及使用简介ARM公司提供的：如

core_cm3.h、及core_前缀的头文件，核内设备函数层，进入M3内核的接口。

stdin.h头文件，这是一个ANSIC文件，是独立于处理器之外的，就像我们熟知的C语言头文件stdio.h文件一样。misc.h和misc.c是和CM3内核有关的NVIC和SysTick的驱动代码。自行添加到工程。ST公司提供的：stm32f10x.h重要文件，定义寄存器地址、寄存器数据结构、中断向量表。stm32f10x_adc.c、stm32f10x_adc.h，针对模数转换(ADC)外设，还有很多其他设备外设的驱动程序。每个外设对应一个.c和.h后缀的文件。库文件及使用简介startup_stm32f10x_xx.s

启动文件,作用是：1.初始化堆栈指针SP;2.初始化程序计数器指针PC;3.设置堆、栈的大小;4.设置异常向量表的入口地址;5.配置外部SRAM作为数据存储器（这个由用户配置，一般的开发板可没有外部SRAM）;6.设置C库的分支入口__main（最终调用main函数）;7.启动文件还调用了在system_stm32f10x.c文件中的SystemIni()函数配置系统时钟。system_stm32f10x.c文件提供了两个函数和一个全局变量库文件及使用简介stm32f10x.h头文件中重要的内容就是把STM32的所有寄存器进行地址映射。如同51单片机的<reg52.h>头文件一样，stm32f10x.h像一个大表格，我们在使用的时候就是通过宏定义进行类似查表的操作。没有这个文件的话，怎样访问STM32的寄存器，有什么缺点？1、需要查手册来确定哪个地址对应哪个寄存器。2、地址易写错、可读性差、易出错、开发效率低。库文件及使用简介库函数，就是STM32的库文件中为我们编写好的函数接口，调用这些库函数，就可以对STM32进行配置。我们可以不知道库函数是如何实现的，但必须要知道函数的功能、可传入的参数及其意义、和函数的返回值。库函数很多，学会查阅库帮助文档就行！库帮助文档：stm32f10x_stdperiph_lib_um.chm层层打开文档的目录标签即可。在用库函数的地方，直接从库帮助文档复制即可。思考题：1、没有stm32f10x.h头文件的话，怎样访问STM32的寄存器，有什么缺点？2、从STM32库的实现原理上解答库到底是什么？为什么要用库？用库函数与直接配置寄存器的区别等问题。7.4GPIOGPIO（GeneralPurposeI/O）通用型输入/输出，主要用于需要用到数字量输入/输出的场合。如：继电器、LED、蜂鸣器等的控制；传感器状态、高低电平等信息的输入等。1、GPIO简介大部分GPIO为推挽输出，具有完整I2C功能的是开漏结构；正常拉出灌入电流为4mA，短时间极限值40mA；管脚可承受最大5V的输入电压。GPIO寄存器位于AHB总线上，可以进行高性能的CPU快速访问，支持Cortex-M3位带操作。GPIO允许进行DMA数据操作。GPIO简介GPIO引脚又被分为GPIOA、GPIOB…GPIOG不同的组，每组端口分为0~15，共16个不同的引脚，不同芯片的端口组数不同。GPIO结构图：端口配置寄存器GPIO简介I/O引脚可通过端口配置寄存器设置成不同的功能。四种输入模式（结构图上半部分）：上拉输入与下拉输入：与VDD相连的为上拉电阻，与VSS相连的为下拉电阻。再经施密特触发器就把信号转化为0、1存储在输入数据寄存器。浮空输入：不接上拉与下拉电阻，直接由触发器输入，由于其输入阻抗较大，一般把这种模式用于标准的通讯协议如I2C、USART的接收端。模拟输入：把电压信号直接传送到片上外设模块，如ADC。GPIO简介结构图下半部分为输出模式结构：推挽输出模式：在输出高电平时，P-MOS导通，低电平时，N-MOS管导通。开漏输出模式：输出0时为低电平，1为高阻状态。在使用任何一种开漏模式，都需要接上拉电阻。GPIO简介

STM32P0.xP2.xGPIO都可配置为中断功能，并可设置为上升沿、下降沿或边沿触发。上升沿中断下降沿中断

边沿中断

GPIO中断还具有掉电唤醒功能2、GPIO端口配置寄存器端口配置低寄存器GPIOx_CRL(配置0~7引脚)，端口配置高寄存器GPIOx_CRH(配置8~15引脚)

(x=A…G)。可将I/O口配置为输入、输出或模拟模式；PIOx_CRL复位值：44444444h，偏移地址：00h。每个引脚的模式由寄存器的4个位控制，又分引脚配置(CNFy[1:0])，引脚的模式(MODEy[1:0])，其中y表示第y个引脚。GPIOx_CRLGPIO端口配置寄存器例：CRH高寄存器的配置PIOx_CRH复位值：44444444h，偏移地址：04h。例：GPIOx_CRH寄存器的第28至29位设置为11，并在第30至31位设置为00答：则把x端口第15个引脚的模式配置成了：输出的最大速度为50MHz的通用推挽输出模式。3、端口输入数据寄存器GPIOx_IDR端口输入数据寄存器(GPIOx_IDR)(x=A..E)复位值：44444444h，地址偏移：08h高位31:16保留，始终读为0。IDRx[15:0]：端口输入数据(x=0…15)这些位为只读并只能以字的形式读出。读出的值为对应I/O口的状态。4、端口输出数据寄存器GPIOx_ODR端口输出数据寄存器(GPIOx_ODR)(x=A..E)设置I/O口的方向输入还是输出。复位值：44444444h，地址偏移：0Ch高位31:16保留，始终为0。ODRx[15:0]：端口输出数据方向(x=0…15)这些位可读可写并只能以字的形式操作。通过GPIOx_BSRR(x=A…E)，可以分别地对各个ODR位进行独立的置位/清零。5、端口置位/清零寄存器GPIOx_BSRR端口置位/清零寄存器(GPIOx_BSRR)(x=A..E)复位值：44444444h，地址偏移：10h6、端口位复位寄存器(GPIOx_BRR)端口位复位寄存器(GPIOx_BRR)(x=A..E)复位值：44444444h，地址偏移：14h7、端口配置锁定寄存器GPIOx_LCKR端口配置锁定寄存器(GPIOx_LCKR)(x=A..E)复位值：44444444h，地址偏移：14h当执行正确的写序列设置了位16(LCKK)时，该寄存器用来锁定端口位的配置。位[15:0]用于锁定GPIO端口的配置。在规定的写入操作期间，不能改变LCKP[15:0]。当对相应的端口位执行了LOCK序列后，在下次系统复位之前将不能再更改端口位的配置。每个锁定位锁定控制寄存器(CRL,CRH)中相应的4个位。例：要控制引脚电平高低，需要对寄存器进行什么操作？一个引脚y的输出数据由GPIOx_BSRR寄存器位的2个位来控制分别为BRy(BitResety)和BSy(BitSety)，BRy位用于写1清零，使引脚输出低电平；BSy位用来写1置1，使引脚输出高电平。8、GPIO输入输出演示GPIOx_IDR10BRy写1Bsy写1INOUT10GPIOx_ODRGPIOx_PUPDRvccGPIOGPIOx_CRL

设置引脚为GPIO功能

1

配置引脚模式

2

设置GPIO的方向

3

设置GPIO输出电平4

GPIO输入GPIO输出1高电平1输出操作流程输入操作流程1

读取GPIO引脚电平

4

GPIOx_BSRR7.5stm32f10x.h库中GPIO代码剖析以外设GPIOC为例，文件中包含如下宏定义：#defineGPIOC_BASE(APB2PERIPH_BASE+0x1000)#defineAPB2PERIPH_BASE(PERIPH_BASE+0x10000)#definePERIPH_BASE((uint32_t)0x40000000)首先看外设基地址PERIPH_BASE这个宏，宏展开为0x40000000,并把它强制转换为uint32_t类型数据；总线基地址宏APB2PERIPH_BASE指向地址0x40010000；最后到了宏GPIOC_BASE为APB2PERIPH_BASE加上偏移量0x1000得到了GPIOC端口的寄存器组的基地址。stm32f10x.h中GPIO代码剖析stm32f10x.h文件，还可以发现以下类似的宏：#defineGPIOA_BASE(APB2PERIPH_BASE+0x0800)#defineGPIOB_BASE(APB2PERIPH_BASE+0x0C00)#defineGPIOC_BASE(APB2PERIPH_BASE+0x1000)#defineGPIOD_BASE(APB2PERIPH_BASE+0x1400)GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD寄存器组的起始地址，都对应着独立的一组寄存器。typedefstruct{__IOuint32_tCRL;__IOuint32_tCRH;__IOuint32_tIDR;__IOuint32_tODR;__IOuint32_tBSRR;__IOuint32_tBRR;__IOuint32_tLCKR;}GPIO_TypeDef;#defineGPIOA((GPIO_TypeDef*)GPIOA_BASE)#defineGPIOB((GPIO_TypeDef*)GPIOB_BASE)……(GPIO_TypeDef*)把GPIOA_BASE地址转换为GPIO_TypeDef结构体指针类型。对每个GPIOx是用结构封装了寄存器组,stm32f10x.h中代码：GPIO_TypeDef，这个结构体的首地址（变量CRL的地址）若为0x40011000，那么结构体中第二个变量（CRH）地址为0x40011000+0x04,加上的这个0x04，正是4字节地址偏移量。stm32f10x.h中GPIO代码剖析有了这样的宏，就可用以下方式来修改GPIO寄存器：GPIO_TypeDef*GPIOx;//定义一个GPIO_TypeDef型结构体指针GPIOxGPIOx=GPIOA;

//把指针地址设置为宏GPIOA地址GPIOx->CRL=0xffffffff;

//通过指针访问并修改GPIOA_CRL寄存器通过类似的方式，我们就可以给具体的寄存器写上适当的参数，控制STM32了。这只是库开发的皮毛，库提供了更简单的开发方式。GPIO1.配置寄存器：选定GPIO的特定功能，最基本的如：选择作为输入还是输出端口。2.数据寄存器：保存了GPIO的输入电平或将要输出的电平。3.位控制寄存器：设置某引脚的数据为1或0，控制输出的电平。4.锁定寄存器：设置某锁定引脚后，就不能修改其配置。C语言程序举例：TESTc.C#defineuint32 unsignedint#defineN 10uint32sum;//使用加法运算来计算1+2+3+...+(N-1)+N的值。(N>0)intmain(void){uint32i;sum=0;for(i=0;i<=N;i++){ sum+=i;}}GPIO库函数7.6LED流水灯实验想要控制LED灯，当然是通过控制STM32芯片的I/O引脚电平的高低来实现。LED流水灯实验LED流水灯实验1.GPIO端口引脚多-->就要选定需要控制的特定引脚2.GPIO功能如此丰富-->配置需要的特定功能3.控制LED的亮和灭-->设置GPIO输出电压的高低与GPIO相关的寄存器了，可以通过《STM32参考手册》来查看LED流水灯实验LED实验中用到了RCC跟GPIO这两个外设。环境配置如图：main.cled.cled.hLed流水灯主程序：main.c#include"led.h"voidDelay(__IOuint32_tnCount)//简单延时函数{ for(;nCount!=0;nCount--);}intmain(void){LED_GPIO_Config(); while(1) {LED1(ON); Delay(0x0FFFFF); LED1(OFF); LED2(ON); Delay(0x0FFFFF); LED2(OFF); LED3(ON); Delay(0x0FFFFF); LED3(OFF); } }初始化LED函数led.c#include"led.h"#include"stm32f10x_gpio.h"#include"stm32f10x_rcc.h"voidLED_GPIO_Config(void){/*利用库定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;/*开启GPIOC的外设时钟*/RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);/*选择要控制的GPIOC引脚GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5; /*设置引脚模式为通用推挽输出*/GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;初始化LED函数led.c/*设置引脚速率为50MHz*/GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz；/*调用库函数，初始化GPIOC*/GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);//关闭led灯GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5);}个函数LED_GPIO_Config()实现了所有为点亮led的配置led.h#ifndef__LED_H#define__LED_H#include"stm32f10x.h"/**themacrodefinitiontotriggertheledonoroff*1-off*0-on*/#defineON0#defineOFF1/*带参宏，可像内联函数一样使用*/#defineLED1(a) if(a)\ GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_3);\ else \ GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_3)led.h续#defineLED2(a) if(a)\ GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_4);\ else \ GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_4)#defineLED3(a) if(a)\ GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_5);\ else \ GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_5)voidLED_GPIO_Config(void);#endif/*__LED_H*/在编译过程，编译器会把带参宏展开，在相应的位置替换为宏展开代码。其中的反斜杠符号“\”叫做续行符，后面不能有空格、注释等led用到stm32f10x_gpio.h库的结构、宏定义1、GPIO_InitTypeDef结构，引脚初始化的结构2、GPIO_Pin_x引脚为uint16_t类型，宏定义：1.#defineGPIO_Pin_0((uint16_t)0x0001)/*!<Pin0selected*/2.#defineGPIO_Pin_1((uint16_t)0x0002)/*!<Pin1selected*/3.#defineGPIO_Pin_2((uint16_t)0x0004)/*!<Pin2selected*/4.#defineGPIO_Pin_3((uint16_t)0x0008)/*!<Pin3selected*/例：GPIO_Pin_0（0000000000000001）BGPIO_Pin_1（0000000000000010）B

led用到stm32f10x_gpio.h库的结构、宏定义3、GPIOSpeed_TypeDef定义GPIO的输出速率：typedefenum{GPIO_Speed_10MHz=1,//枚举常量值1，对应10MHzGPIO_Speed_2MHz,//常量值为2，对应2MHzGPIO_Speed_50MHz//常量值为3，对应50MHz}GPIOSpeed_TypeDef;GPIO_Speed_10MHz对应(0001)BGPIO_Speed_2MHz对应(0010)BGPIO_Speed_50MHz对应(0011)BSpeed控制参数，它的宏展开低2位的值，正好符合寄存器MODEy中2位的控制值。直接把这个参数写入CRL、CRH配置寄存器的MODEy位，其中y由GPIO_Pin参数确定第几引脚。

led用到stm32f10x_gpio.h库的结构、宏定义4、GPIOMode_TypeDef结构定义GPIO引脚的功能：typedefenum{GPIO_Mode_AIN=0x0,//模拟输入模式GPIO_Mode_IN_FLOATING=0x04,//浮空输入模式GPIO_Mode_IPD=0x28,//下拉输入模式GPIO_Mode_IPU=0x48,//上拉输入模式

GPIO_Mode_Out_OD=0x14,//开漏输出模式GPIO_Mode_Out_PP=0x10,//通用推挽输出模式GPIO_Mode_AF_OD=0x1C,//复用功能开漏输出GPIO_Mode_AF_PP=0x18//复用功能推挽输出}GPIOMode_TypeDef;用于初始化的库函数GPIO_Init()通过查找库帮助文档获得Error:L6218E:Error:L6218E:Undefinedsymbolassert_param(referredfromstm32f10x_gpio.o).断言机制函数assert_param，STM32的函数：assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));刚开始学习的时候都遇到编译不过去的问题,通过在文件中添加USE_STDPERIPH_DRIVER来解决的：error65:创建一个STM32F103VE核的项目error65:accessviolationat0x40021000:no'read'permission是Debug里面的设置有缺陷，不会自动匹配：DialogDLL：DCM3.DLLParameter：-pCM3应手动改为：DialogDLL：DARMSTM.DLLParameter：-pSTM32F103VE逻辑分析窗口使用再点击Setup，输入LED灯对应的三个信号PORTB.0、PORTF.7、PORTF.8；DisplayType选择bit，然后单击Close关闭该对话框；逻辑分析窗口使用点击运行按钮。运行一段时间之后，点击停止按钮，暂停仿真回到逻辑分析窗口，可通过Zoom里面的In按钮来放大波形，通过Out按钮来缩小波形，或者按All显示全部波形。7.7时钟设置与开启外设时钟外设初始化后，必须要开启外设时钟。开启外设时钟之前，首先要配置好系统时钟SYSCLK。在startup_stm32f10x_hd.s启动文件中，调用main函数之前就先调用了SystemInit()函数，就是设置系统时钟SYSCLK：时钟来源、倍频、分频等控制参数。这个函数的定义在system_stm32f10x.c文件之中。时钟设置与开启外设时钟voidSystemInit(void)函数的执行流程是先将与配置时钟相关的寄存器都复位为默认值，复位寄存器后，调用了另外一个函数SetSysClock()，其代码：在system_stm32f10x.c文件的开头，有条件编译定义。选择相应的时钟。时钟设置与开启外设时钟GPIO所用的时钟PCLK2我们采用默认值，也为72MHz。开启和关闭外设时钟也有封装好的库函数RCC_APB2PeriphClockCmd()。在led.c文件中调用了这个函数。

/*开启GPIOC外设时钟，参数DISABLE为关闭*/

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);如用到I/O引脚复用功能，还要开