以STM32F103VET6為例,。

芯片正面是絲印,， ARM 應(yīng)該是表示該芯片使用的是 ARM 的內(nèi)核， STM32F103VET6

是芯片型號,，后面的字應(yīng)該是跟生產(chǎn)批次相關(guān),，最上面的是 ST 的 LOGO。

芯片四周是引腳,，左下角的小圓點(diǎn)表示 1 腳,，然后從 1 腳起按照逆時針的順序排列（所有芯片的引腳順序都是逆時針排列的）。開發(fā)板中把芯片的引腳引出來,，連接到各種傳感器上,，然后在 STM32 上編程（實(shí)際就是通過程序控制這些引腳輸出高電平或者低電平）來控制各種傳感器工作，通過做實(shí)驗(yàn)的方式來學(xué)習(xí) STM32 芯片的各個資源,。

開發(fā)板是一種評估板,，板載資源非常豐富，引腳復(fù)用比較多,，力求在一個板子上驗(yàn)證芯片的全部功能

圖 6-1 STM32F103VET6 實(shí)物圖（紅色框中部分）

圖 6-2 STM32F103VET6 正面引腳圖

6.3 芯片里面有什么

我們看到的 STM32 芯片是已經(jīng)封裝好的成品,，主要由內(nèi)核和片上外設(shè)組成。若與電腦類比,，內(nèi)核與外設(shè)就如同電腦上的 CPU 與主板,、內(nèi)存、顯卡,、硬盤的關(guān)系,。

STM32F103 采用的是 Cortex-M3 內(nèi)核，內(nèi)核即 CPU,，由 ARM 公司設(shè)計(jì),。 ARM 公司并不生產(chǎn)芯片,，而是出售其芯片技術(shù)授權(quán)。芯片生產(chǎn)廠商(SOC)如 ST,、 TI,、 Freescale，負(fù)責(zé)在內(nèi)核之外設(shè)計(jì)部件并生產(chǎn)整個芯片,，這些內(nèi)核之外的部件被稱為核外外設(shè)或片上外設(shè),。如 GPIO、 USART（串口）,、 I2C,、 SPI 等都叫做片上外設(shè)。具體見圖 6-3,。

圖 6-3 STM32 芯片架構(gòu)簡圖

芯片（這里指內(nèi)核,，或者叫 CPU）和外設(shè)之間通過各種總線連接,，其中驅(qū)動單元有 4個,，被動單元也有 4 個，具體見圖 6-4,。為了方便理解,，我們都可以把驅(qū)動單元理解成是CPU 部分，被動單元都理解成外設(shè),。下面我們簡單介紹下驅(qū)動單元和被動單元的各個部件

1. ICode 總線

ICode 中的 I 表示 Instruction,，即指令。我們寫好的程序編譯之后都是一條條指令,，存放在 FLASH 中,，內(nèi)核要讀取這些指令來執(zhí)行程序就必須通過 ICode 總線，它幾乎每時每刻都需要被使用,，它是專門用來取指的,。

2. 驅(qū)動單元

DCode 總線

DCode 中的 D 表示 Data，即數(shù)據(jù),，那說明這條總線是用來取數(shù)的,。我們在寫程序的時候，數(shù)據(jù)有常量和變量兩種,，常量就是固定不變的,，用 C 語言中的 const 關(guān)鍵字修飾，是放到內(nèi)部的 FLASH 當(dāng)中的,，變量是可變的,，不管是全局變量還是局部變量都放在內(nèi)部的SRAM。因?yàn)閿?shù)據(jù)可以被 Dcode 總線和 DMA 總線訪問,，所以為了避免訪問沖突,，在取數(shù)的時候需要經(jīng)過一個總線矩陣來仲裁,，決定哪個總線在取數(shù)。

系統(tǒng)總線

系統(tǒng)總線主要是訪問外設(shè)的寄存器,，我們通常說的寄存器編程,，即讀寫寄存器都是通過這根系統(tǒng)總線來完成的。

DMA 總線

DMA 總線也主要是用來傳輸數(shù)據(jù),，這個數(shù)據(jù)可以是在某個外設(shè)的數(shù)據(jù)寄存器,，可以在SRAM，可以在內(nèi)部的 FLASH,。因?yàn)閿?shù)據(jù)可以被 Dcode 總線和 DMA 總線訪問,，所以為了避免訪問沖突，在取數(shù)的時候需要經(jīng)過一個總線矩陣來仲裁,，決定哪個總線在取數(shù),。

3. 被動單元

內(nèi)部的閃存存儲器

內(nèi)部的閃存存儲器即 FLASH，我們編寫好的程序就放在這個地方,。內(nèi)核通過 ICode 總線來取里面的指令,。

內(nèi)部的 SRAM

內(nèi)部的 SRAM，即我們通常說的 RAM,，程序的變量,，堆棧等的開銷都是基于內(nèi)部的SRAM。內(nèi)核通過 DCode 總線來訪問它,。

FSMC

FSMC 的英文全稱是 Flexible static memory controller,，叫靈活的靜態(tài)的存儲器控制器，是 STM32F10xx 中一個很有特色的外設(shè),，通過 FSMC,，我們可以擴(kuò)展內(nèi)存，如外部的SRAM,， NANDFLASH 和 NORFLASH,。但有一點(diǎn)我們要注意的是， FSMC 只能擴(kuò)展靜態(tài)的內(nèi)存,，即名稱里面的 S： static,，不能是動態(tài)的內(nèi)存，比如 SDRAM 就不能擴(kuò)展,。

AHB 到 APB 的橋

從 AHB 總線延伸出來的兩條 APB2 和 APB1 總線,，上面掛載著 STM32 各種各樣的特色外設(shè)。我們經(jīng)常說的 GPIO,、串口,、 I2C、 SPI 這些外設(shè)就掛載在這兩條總線上,，這個是我們學(xué)習(xí) STM32 的重點(diǎn),，就是要學(xué)會編程這些外設(shè)去驅(qū)動外部的各種設(shè)備,。

圖 6-4 STM32F10xx 系統(tǒng)框圖（不包括互聯(lián)型）

6.4 存儲器映射

在圖 6-4 中，被控單元的 FLASH,， RAM,， FSMC 和 AHB 到 APB 的橋（即片上外設(shè)），這些功能部件共同排列在一個 4GB 的地址空間內(nèi),。我們在編程的時候,，可以通過他們的地址找到他們，然后來操作他們（通過 C 語言對它們進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀和寫）,。

6.4.1 存儲器映射

存儲器本身不具有地址信息,，它的地址是由芯片廠商或用戶分配，給存儲器分配地址的過程就稱為存儲器映射,，具體見圖 6-5,。
如果給存儲器再分配一個地址就叫存儲器重映射

圖 6-5 存儲器映射（摘自參考手冊-存儲器映射章節(jié)）

1. 存儲器區(qū)域功能劃分

在這 4GB 的地址空間中， ARM 已經(jīng)粗線條的平均分成了 8 個塊,，每塊 512MB,，每個塊也都規(guī)定了用途，具體分類見表格 6-1,。每個塊的大小都有 512MB,，顯然這是非常大的,，芯片廠商在每個塊的范圍內(nèi)設(shè)計(jì)各具特色的外設(shè)時并不一定都用得完,，都是只用了其中的一部分而已

在這 8 個 Block 里面，有 3 個塊非常重要,，也是我們最關(guān)心的三個塊,。 Block0 用來設(shè)計(jì)成內(nèi)部 FLASH， Block1 用來設(shè)計(jì)成內(nèi)部 RAM,， Block2 用來設(shè)計(jì)成片上的外設(shè),，下面我們簡單的介紹下這三個 Block 里面的具體區(qū)域的功能劃分。

存儲器 Block0 內(nèi)部區(qū)域功能劃分

Block0 主要用于設(shè)計(jì)片內(nèi)的 FLASH,， STM32F103ZET6和STM32F103VET6的 FLASH 都是 512KB,，屬于大容量。要在芯片內(nèi)部集成更大的 FLASH 或者 SRAM 都意味著芯片成本的增加,，往往片內(nèi)集成的 FLASH 都不會太大,，ST 能在追求性價比的同時做到 512KB，實(shí)乃良心之舉,。 Block 內(nèi)部區(qū)域的功能劃分具體見表格 6-2,。

儲存器 Block1 內(nèi)部區(qū)域功能劃分

Block1 用 于 設(shè) 計(jì) 片 內(nèi) 的 SRAM 。 STM32F103ZET6和STM32F103VET6的 SRAM 都是 64KB,， Block 內(nèi)部區(qū)域的功能劃分具體見表格6-3

儲存器 Block2 內(nèi)部區(qū)域功能劃分

Block2 用于設(shè)計(jì)片內(nèi)的外設(shè),，根據(jù)外設(shè)的總線速度不同,， Block 被分成了 APB 和 AHB兩部分，其中 APB 又被分為 APB1 和 APB2,，具體見表格 6-4,。

6.5 寄存器映射

我們知道，存儲器本身沒有地址,，給存儲器分配地址的過程叫存儲器映射,，那什么叫寄存器映射？寄存器到底是什么,？

在存儲器 Block2 這塊區(qū)域,，設(shè)計(jì)的是片上外設(shè)，它們以四個字節(jié)為一個單元,，共32bit,，每一個單元對應(yīng)不同的功能，當(dāng)我們控制這些單元時就可以驅(qū)動外設(shè)工作,。我們可以找到每個單元的起始地址,，然后通過 C 語言指針的操作方式來訪問這些單元，如果每次都是通過這種地址的方式來訪問,，不僅不好記憶還容易出錯,，這時我們可以根據(jù)每個單元功能的不同，以功能為名給這個內(nèi)存單元取一個別名,，這個別名就是我們經(jīng)常說的寄存器,，這個給已經(jīng)分配好地址的有特定功能的內(nèi)存單元取別名的過程就叫寄存器映射。

比如,，我們找到 GPIOB 端口的輸出數(shù)據(jù)寄存器 ODR 的地址是 0x4001 0C0C（至于這個地址如何找到可以先跳過,，后面我們會有詳細(xì)的講解）， ODR 寄存器是 32bit,，低 16bit有效,，對應(yīng)著 16 個外部 IO，寫 0/1 對應(yīng)的的 IO 則輸出低/高電平?，F(xiàn)在我們通過 C 語言指針的操作方式,，讓 GPIOB 的 16 個 IO 都輸出高電平，具體見代碼 6-1,。

0x4001 0C0C 在我們看來是 GPIOB 端口 ODR 的地址,，但是在編譯器看來，這只是一個普通的變量,，是一個立即數(shù),，要想讓編譯器也認(rèn)為是指針，我們得進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換，把它轉(zhuǎn)換成指針,，即(unsigned int *)0x4001 0C0C,，然后再對這個指針進(jìn)行 * 操作。

剛剛我們說了,，通過絕對地址訪問內(nèi)存單元不好記憶且容易出錯,，我們可以通過寄存器的方式來操作，具體見代碼 6-2,。

為了方便操作,，我們干脆把指針操作“*”也定義到寄存器別名里面，具體見代碼 6-3,。

6.5.1 STM32 的外設(shè)地址映射

片上外設(shè)區(qū)分為三條總線,，根據(jù)外設(shè)速度的不同，不同總線掛載著不同的外設(shè),， APB1掛載低速外設(shè),， APB2 和 AHB 掛載高速外設(shè)。相應(yīng)總線的最低地址我們稱為該總線的基地址,，總線基地址也是掛載在該總線上的首個外設(shè)的地址,。其中 APB1 總線的地址最低，片上外設(shè)從這里開始,，也叫外設(shè)基地址,。

1. 總線基地址

表格 6-5 的“相對外設(shè)基地址偏移”即該總線地址與“片上外設(shè)”基地址 0x4000 0000的差值。關(guān)于地址的偏移我們后面還會講到,。

2. 外設(shè)基地址

總線上掛載著各種外設(shè),，這些外設(shè)也有自己的地址范圍，特定外設(shè)的首個地址稱為“XX 外設(shè)基地址”,，也叫 XX 外設(shè)的邊界地址,。具體有關(guān) STM32F10xx 外設(shè)的邊界地址請參考《STM32F10xx 參考手冊》的 2.3 小節(jié)的存儲器映射的表 1： STM32F10xx 寄存器邊界地址,。

這里面我們以 GPIO 這個外設(shè)來講解外設(shè)的基地址,， GPIO 屬于高速的外設(shè) ，掛載到APB2 總線上,，具體見表格 6-6,。

3. 外設(shè)寄存器

在 XX 外設(shè)的地址范圍內(nèi)，分布著的就是該外設(shè)的寄存器,。以 GPIO 外設(shè)為例,， GPIO是通用輸入輸出端口的簡稱，簡單來說就是 STM32 可控制的引腳,，基本功能是控制引腳輸出高電平或者低電平,。最簡單的應(yīng)用就是把 GPIO 的引腳連接到 LED 燈的陰極， LED 燈的陽極接電源，然后通過 STM32 控制該引腳的電平,，從而實(shí)現(xiàn)控制 LED 燈的亮滅,。GPIO 有很多個寄存器，每一個都有特定的功能,。每個寄存器為 32bit,，占四個字節(jié)，在該外設(shè)的基地址上按照順序排列,，寄存器的位置都以相對該外設(shè)基地址的偏移地址來描述,。這里我們以 GPIOB 端口為例，來說明 GPIO 都有哪些寄存器,，具體見表格 6-7,。

有關(guān)外設(shè)的寄存器說明可參考《STM32F10xx 參考手冊》中具體章節(jié)的寄存器描述部分，在編程的時候我們需要反復(fù)的查閱外設(shè)的寄存器說明,。這里我們以“GPIO 端口置位/復(fù)位寄存器”為例,，教大家如何理解寄存器的說明，具體見圖 6-6,。

①名稱

寄存器說明中首先列出了該寄存器中的名稱,，“(GPIOx_BSRR)(x=A…E)”這段的意思是該寄存器名為“GPIOx_BSRR”其中的“x”可以為 A-E，也就是說這個寄存器說明適用于 GPIOA,、 GPIOB 至 GPIOE,，這些 GPIO 端口都有這樣的一個寄存器。

②偏移地址

偏移地址是指本寄存器相對于這個外設(shè)的基地址的偏移,。本寄存器的偏移地址是 0x18,，從參考手冊中我們可以查到 GPIOA 外設(shè)的基地址為 0x4001 0800 ，我們就可以算出GPIOA 的這個 GPIOA_BSRR 寄存器的地址為： 0x4001 0800+0x18 ,；同理,，由于 GPIOB 的外設(shè)基地址為 0x4001 0C00，可算出 GPIOB_BSRR 寄存器的地址為： 0x4001 0C00+0x18 ,。其他 GPIO 端口以此類推即可,。

③寄存器位表

緊接著的是本寄存器的位表，表中列出它的0-31 位的名稱及權(quán)限,。表上方的數(shù)字為位編號,，中間為位名稱，最下方為讀寫權(quán)限,，其中 w 表示只寫,， r 表示只讀， rw 表示可讀寫,。本寄存器中的位權(quán)限都是 w,，所以只能寫,，如果讀本寄存器，是無法保證讀取到它真正內(nèi)容的,。而有的寄存器位只讀,，一般是用于表示 STM32 外設(shè)的某種工作狀態(tài)的，由 STM32硬件自動更改,，程序通過讀取那些寄存器位來判斷外設(shè)的工作狀態(tài),。

④位功能說明

位功能是寄存器說明中最重要的部分，它詳細(xì)介紹了寄存器每一個位的功能,。例如本寄存器中有兩種寄存器位,，分別為 BRy 及 BSy，其中的 y 數(shù)值可以是 0-15,，這里的 0-15表示端口的引腳號,，如 BR0、 BS0 用于控制 GPIOx 的第 0 個引腳,，若 x 表示 GPIOA,，那就是控制 GPIOA 的第 0 引腳，而BR1,、 BS1 就是控制 GPIOA 第 1 個引腳(BR1&BS1兩個一起控制一個GPIOA引腳),。其中 BRy 引腳的說明是“0：不會對相應(yīng)的 ODRx 位執(zhí)行任何操作； 1：對相應(yīng) ODRx位進(jìn)行復(fù)位”,。這里的“復(fù)位”是將該位設(shè)置為 0 的意思,，而“置位”表示將該位設(shè)置為1；說明中的 ODRx 是另一個寄存器的寄存器位,，我們只需要知道 ODRx 位為 1 的時候,，對應(yīng)的引腳 x 輸出高電平，為 0 的時候?qū)?yīng)的引腳輸出低電平即可(感興趣的讀者可以查詢該寄存器 GPIOx_ODR 的說明了解),。所以,，如果對 BR0 寫入“1”的話，那么 GPIOx 的第0 個引腳就會輸出“低電平”,，但是對 BR0 寫入“0”的話,，卻不會影響 ODR0 位，所以引腳電平不會改變,。要想該引腳輸出“高電平”,，就需要對“BS0”位寫入“1”，寄存器位BSy 與 BRy 是相反的操作

6.5.2 C 語言對寄存器的封裝

以上所有的關(guān)于存儲器映射的內(nèi)容,，最終都是為大家更好地理解如何用 C 語言控制讀寫外設(shè)寄存器做準(zhǔn)備，此處是本章的重點(diǎn)內(nèi)容,。

1. 封裝總線和外設(shè)基地址

在編程上為了方便理解和記憶,，我們把總線基地址和外設(shè)基地址都以相應(yīng)的宏定義起來，總線或者外設(shè)都以他們的名字作為宏名，具體見代碼 6-4,。

代碼 6-4 首先定義了 “片上外設(shè)”基地址 PERIPH_BASE,，接著在 PERIPH_BASE 上加入各個 總線 的地址 偏移， 得到 APB1,、 APB2 總線 的地址 APB1PERIPH_BASE ,、APB2PERIPH_BASE，在其之上加入外設(shè)地址的偏移,，得到 GPIOA-G 的外設(shè)地址,，最后在外設(shè)地址上加入各寄存器的地址偏移，得到特定寄存器的地址,。一旦有了具體地址,，就可以用指針讀寫，具體見代碼 6-5,。

該代碼使用 (unsigned int *) 把 GPIOB_BSRR 宏的數(shù)值強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成了地址,，然后再用“*”號做取指針操作，對該地址的賦值,，從而實(shí)現(xiàn)了寫寄存器的功能,。同樣，讀寄存器也是用取指針操作,，把寄存器中的數(shù)據(jù)取到變量里,，從而獲取 STM32 外設(shè)的狀態(tài)。

2. 封裝寄存器列表

用上面的方法去定義地址,，還是稍顯繁瑣,，例如 GPIOA-GPIOE 都各有一組功能相同的寄存器，如 GPIOA_ODR/GPIOB_ODR/GPIOC_ODR 等等,，它們只是地址不一樣,，但卻要為每個寄存器都定義它的地址。為了更方便地訪問寄存器,，我們引入 C 語言中的結(jié)構(gòu)體語法對寄存器進(jìn)行封裝,，具體見代碼 6-6。

這段代碼用 typedef 關(guān)鍵字聲明了名為 GPIO_TypeDef 的結(jié)構(gòu)體類型,，結(jié)構(gòu)體內(nèi)有 7 個成員變量,，變量名正好對應(yīng)寄存器的名字。 C 語言的語法規(guī)定,，結(jié)構(gòu)體內(nèi)變量的存儲空間是連續(xù)的,，其中 32 位的變量占用 4 個字節(jié)， 16 位的變量占用 2 個字節(jié),，具體見圖 6-7,。

也就是說,，我們定義的這個 GPIO_TypeDef ， 假如這個結(jié)構(gòu)體的首地址為 0x40010C00（這也是第一個成員變量 CRL 的地址） ,， 那么結(jié)構(gòu)體中第二個成員變量 CRH 的地址即為 0x4001 0C00 +0x04 ,， 加上的這個 0x04 ，正是代表 CRL 所占用的 4 個字節(jié)地址的偏移量,，其它成員變量相對于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移,，在上述代碼右側(cè)注釋已給。

這樣的地址偏移與 STM32 GPIO 外設(shè)定義的寄存器地址偏移一一對應(yīng),，只要給結(jié)構(gòu)體設(shè)置好首地址,，就能把結(jié)構(gòu)體內(nèi)成員的地址確定下來，然后就能以結(jié)構(gòu)體的形式訪問寄存器,，具體見代碼 6-7,。

這段代碼先用 GPIO_TypeDef 類型定義一個結(jié)構(gòu)體指針 GPIOx，并讓指針指向地址GPIOB_BASE(0x4001 0C00),，使用地址確定下來,，然后根據(jù) C 語言訪問結(jié)構(gòu)體的語法，用GPIOx->ODR 及 GPIOx->IDR 等方式讀寫寄存器,。最后,，我們更進(jìn)一步，直接使用宏定義好 GPIO_TypeDef 類型的指針,，而且指針指向各個 GPIO 端口的首地址,，使用時我們直接用該宏訪問寄存器即可，具體代碼 6-8,。

這里我們僅是以 GPIO 這個外設(shè)為例,，給大家講解了 C 語言對寄存器的封裝。以此類推,，其他外設(shè)也同樣可以用這種方法來封裝,。好消息是，這部分工作都由固件庫幫我們完成了,，這里我們只是分析了下這個封裝的過程,，讓大家知其然，也只其所以然,。