stm32官方为了方便开发者,利用CubeMX 生成HAL库有关的C代码。HAL库就是硬件抽象层(hardware abstraction layer),生成一系列的函数帮助我们快速生成工程,脱离复杂的寄存器配置。stm32相对于51来功能强大,但是寄存器的数量也不是一个量级,单靠配置寄存器来做项目的话,进度会非常缓慢。但是在学习阶段还是有必要研究一个寄存器配置或者说研究HAL是如何操作寄存器的。
一、利用CubeMX 生成代码
具体怎么操作的这里就不讲解了,网上一大堆。实验用的开发板用的led,一端接到vcc,一端接到PB9(GPIO_B的第9个引脚),当PB9输出低电平时,led就会亮,反之则灭。
生成的工程中,main函数内调用了MX_GPIO_Init函数,这个是GPIO_B_9引脚的初始化。
函数示例如下:
void MX_GPIO_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
/* GPIO Ports Clock Enable */
__HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
/*Configure GPIO pin Output Level */
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_9, GPIO_PIN_RESET);
/*Configure GPIO pin : PB9 */
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}
整个过程就是
- 配置__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE时钟,
- 配置GPIO_InitTypeDef变量,
- 给GPIO_PIN_9进行reset操作,也是给引脚设置成0
- HAL_GPIO_Init进行初始化。
1.1、 GPIO_InitTypeDef类型定义
typedef struct
{
uint32_t Pin; /*!< Specifies the GPIO pins to be configured.
This parameter can be any value of @ref GPIO_pins_define */
uint32_t Mode; /*!< Specifies the operating mode for the selected pins.
This parameter can be a value of @ref GPIO_mode_define */
uint32_t Pull; /*!< Specifies the Pull-up or Pull-Down activation for the selected pins.
This parameter can be a value of @ref GPIO_pull_define */
uint32_t Speed; /*!< Specifies the speed for the selected pins.
This parameter can be a value of @ref GPIO_speed_define */
} GPIO_InitTypeDef;
结构体内部有四个成员变量
- Pin: 要配置的引脚
- Mode: 要配置的模式,输入或输出
- Pull: 配置上拉、下拉或者两者都不
- Speed:这里的speed暂时有三种模式,low(2MHZ), medium(10MHZ), high(50MHZ),后续会有说明
引脚有两种状态,0或1,定义如下
typedef enum
{
GPIO_PIN_RESET = 0u,
GPIO_PIN_SET
} GPIO_PinState;
1.2、给GPIOB开启时钟
在stm32中每个片上外设都有对应的时钟,所以在使用时都需要开启。GPIOB时钟开启的代码如下所示
#define __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg; \
SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPBEN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */\
tmpreg = READ_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPBEN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
代码里面就是搞了一个宏进行设置的。其中__IO 也是一个宏,它的类型是volatile,意为“直接存取原始内存地址”。
1.2.1、 SET_BIT是一个宏,作用就是将寄存器的某一个设置成1。
#define SET_BIT(REG, BIT) ((REG) |= (BIT))
另外所有GPIO是挂载到APB2总线上的,
SET_BIT的第一个参数是APB2ENR,这里就涉及到RCC_APB2ENR寄存器。
所有外设都需要时钟驱动,这里用到的是GPIO_B, 所以要把RCC_APB2ENR中的第3位置1。
SET_BIT的第二个参数是一个宏
#define RCC_APB2ENR_IOPBEN_Pos (3U)
#define RCC_APB2ENR_IOPBEN_Msk (0x1UL << RCC_APB2ENR_IOPBEN_Pos) /*!< 0x00000008 */
#define RCC_APB2ENR_IOPBEN RCC_APB2ENR_IOPBEN_Msk /*!< I/O port B clock enable */
它代表的意思是通过移位将第3位(从0开始数)变成1,其它位都是0。
这样一来 SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPBEN) 代表的意思就是将RCC_APB2ENR寄存器中的第三位置1,也即使能GPIOB。
另外一点是RCC_APB2ENR_IOPBEN寄存器的获取是通过RCC->APB2ENR这种形式。这里又涉及到RCC的问题。
1.2.2、RCC相关寄存器
RCC内部包括一系列和时钟相关的寄存器,当然也包括APB2ENR。RCC是一个宏,我把相关代码集中到一块如下所示
// 所有外设的基址
#define PERIPH_BASE 0x40000000UL /*!< Peripheral base address in the alias region */
// 这里AHB的基址
#define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x00020000UL)
// RCC 是挂载到AHB上的
define RCC_BASE (AHBPERIPH_BASE + 0x00001000UL)
// RCC 包括众多寄存器,这里通过C语言的结构体和指针进行操作,将RCC的地址绑定到RCC_BASE
#define RCC ((RCC_TypeDef *)RCC_BASE)
typedef struct
{
__IO uint32_t CR;
__IO uint32_t CFGR;
__IO uint32_t CIR;
__IO uint32_t APB2RSTR;
__IO uint32_t APB1RSTR;
__IO uint32_t AHBENR;
__IO uint32_t APB2ENR;
__IO uint32_t APB1ENR;
__IO uint32_t BDCR;
__IO uint32_t CSR;
} RCC_TypeDef
通过上面的操作,就可以利用RCC这个指针来操作各个寄存器,RCC内的变量都是按照寄存器的顺序排列的。这里再强制一点,RCC是挂载到AHB总线上的,所以它的地址是相对AHB总线进行偏移的。
1.2.3、READ_BIT
知道了SET_BIT, 那么READ_BIT也清楚了,采取的操作都差不多,作用就是取出指定的位。
将要取出的位置1,其它位全部是0,这样就取出了指定位。
#define READ_BIT(REG, BIT) ((REG) & (BIT))
1.3、HAL_GPIO_WritePin
这个函数的定义如下:
void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState)
{
/* Check the parameters */
assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));
assert_param(IS_GPIO_PIN_ACTION(PinState));
if (PinState != GPIO_PIN_RESET)
{
GPIOx->BSRR = GPIO_Pin;
}
else
{
GPIOx->BSRR = (uint32_t)GPIO_Pin << 16u;
}
}
这里可以看到主要是设置寄存器BSRR。这个函数传入的第一个参数是GPIOB,GPIOB的配置和上面说的RCC采用相似的策略
// 所有外设的基址
#define PERIPH_BASE 0x40000000UL /*!< Peripheral base address in the alias region */
// APB2总线基址
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x00010000UL)
// GPIOB总线基址,GPIO是挂载到APB2上的
#define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x00000C00UL)
// GPIOB 包括众多寄存器,这里通过C语言的结构体和指针进行操作,将GPIOB的地址绑定到GPIOB_BASE
#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *)GPIOB_BASE)
typedef struct
{
__IO uint32_t CRL;
__IO uint32_t CRH;
__IO uint32_t IDR;
__IO uint32_t ODR;
__IO uint32_t BSRR;
__IO uint32_t BRR;
__IO uint32_t LCKR;
} GPIO_TypeDef;
BSRR寄存器定义如下:
ODR(端口输出数据寄存器)定义如下:
上面简单来讲
- 给BSy设置1,ODR对应的位会输出1
- 给BRy设置1,ODR对应的位会输出0
所以设置将引脚设置成0时需要在BSRR高16位进行操作,输出1 时在BSRR低16位进行操作。
1.4、HAL_GPIO_Init
这里涉及主要的初始化配置,是重中之重。涉及的函数比较多,已经在里面添加了注释。
void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)
{
//通过这个变量遍历所有的引脚
uint32_t position = 0x00u;
uint32_t ioposition;
uint32_t iocurrent;
uint32_t temp;
uint32_t config = 0x00u;
//
__IO uint32_t *configregister; /* Store the address of CRL or CRH register based on pin number */
// 引脚的偏移量(每个引脚由CNF和MODE总共4位组成)
uint32_t registeroffset; /* offset used during computation of CNF and MODE bits placement inside CRL or CRH register */
/* Check the parameters */
assert_param(IS_GPIO_ALL_INSTANCE(GPIOx));
assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Init->Pin));
assert_param(IS_GPIO_MODE(GPIO_Init->Mode));
// 判断后续是否还有引脚设置了1
while (((GPIO_Init->Pin) >> position) != 0x00u)
{
/* 获取引脚的位置 */
ioposition = (0x01uL << position);
/* 再次能过Pin获取当前要设置的引脚 */
iocurrent = (uint32_t)(GPIO_Init->Pin) & ioposition;
// 两种方式求得的引脚比较如果相同才进行处理
if (iocurrent == ioposition)
{
/* Check the Alternate function parameters */
assert_param(IS_GPIO_AF_INSTANCE(GPIOx));
/* Based on the required mode, filling config variable with MODEy[1:0] and CNFy[3:2] corresponding bits */
// 根据模式来配置config
switch (GPIO_Init->Mode)
{
/* 推挽输出模式 */
case GPIO_MODE_OUTPUT_PP:
/* Check the GPIO speed parameter */
assert_param(IS_GPIO_SPEED(GPIO_Init->Speed));
config = GPIO_Init->Speed + GPIO_CR_CNF_GP_OUTPUT_PP;
break;
/* 开漏输出模式 */
case GPIO_MODE_OUTPUT_OD:
/* Check the GPIO speed parameter */
assert_param(IS_GPIO_SPEED(GPIO_Init->Speed));
config = GPIO_Init->Speed + GPIO_CR_CNF_GP_OUTPUT_OD;
break;
/* 复用推挽模式 */
case GPIO_MODE_AF_PP:
/* Check the GPIO speed parameter */
assert_param(IS_GPIO_SPEED(GPIO_Init->Speed));
config = GPIO_Init->Speed + GPIO_CR_CNF_AF_OUTPUT_PP;
break;
/* 复用开漏输出模式 */
case GPIO_MODE_AF_OD:
/* Check the GPIO speed parameter */
assert_param(IS_GPIO_SPEED(GPIO_Init->Speed));
config = GPIO_Init->Speed + GPIO_CR_CNF_AF_OUTPUT_OD;
break;
/* 下面是输入,要么事件输入要么中断输入 */
// 输入悬空
case GPIO_MODE_INPUT:
// 中断上升沿
case GPIO_MODE_IT_RISING:
// 中断下降沿
case GPIO_MODE_IT_FALLING:
// 中断上长或下降沿
case GPIO_MODE_IT_RISING_FALLING:
// 事件上长沿
case GPIO_MODE_EVT_RISING:
// 事件下降沿
case GPIO_MODE_EVT_FALLING:
// 事件上长或下降沿
case GPIO_MODE_EVT_RISING_FALLING:
/* Check the GPIO pull parameter */
assert_param(IS_GPIO_PULL(GPIO_Init->Pull));
if (GPIO_Init->Pull == GPIO_NOPULL)
{
config = GPIO_CR_MODE_INPUT + GPIO_CR_CNF_INPUT_FLOATING;
}
else if (GPIO_Init->Pull == GPIO_PULLUP)
{
config = GPIO_CR_MODE_INPUT + GPIO_CR_CNF_INPUT_PU_PD;
/* Set the corresponding ODR bit */
GPIOx->BSRR = ioposition;
}
else /* GPIO_PULLDOWN */
{
config = GPIO_CR_MODE_INPUT + GPIO_CR_CNF_INPUT_PU_PD;
/* Reset the corresponding ODR bit */
GPIOx->BRR = ioposition;
}
break;
/* 模拟输入 */
case GPIO_MODE_ANALOG:
config = GPIO_CR_MODE_INPUT + GPIO_CR_CNF_ANALOG;
break;
/* Parameters are checked with assert_param */
default:
break;
}
/* Check if the current bit belongs to first half or last half of the pin count number
in order to address CRH or CRL register*/
/*
点灯目前没有用到输入模式,只用到输出模式
1、如果当前的引脚是低8位,那就是么对CRL的操作,否则就是对CRH的操作
2、如果当前的引脚是低8位,将Postion向左偏移四位,操作的就是当前引脚的MODE和CNF.
如果是高8位,将(position - 8u)向左偏移四位,操作的就是当前引脚的MODE和CNF.
*/
configregister = (iocurrent < GPIO_PIN_8) ? &GPIOx->CRL : &GPIOx->CRH;
registeroffset = (iocurrent < GPIO_PIN_8) ? (position << 2u) : ((position - 8u) << 2u);
/* 清除当前引脚的配置,并设置新配置 */
MODIFY_REG((*configregister), ((GPIO_CRL_MODE0 | GPIO_CRL_CNF0) << registeroffset), (config << registeroffset));
// 由于没有中断这里的操作是可以删除的
/*--------------------- EXTI Mode Configuration ------------------------*/
/* Configure the External Interrupt or event for the current IO */
if ((GPIO_Init->Mode & EXTI_MODE) == EXTI_MODE)
{
/* Enable AFIO Clock */
__HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE();
temp = AFIO->EXTICR[position >> 2u];
CLEAR_BIT(temp, (0x0Fu) << (4u * (position & 0x03u)));
SET_BIT(temp, (GPIO_GET_INDEX(GPIOx)) << (4u * (position & 0x03u)));
AFIO->EXTICR[position >> 2u] = temp;
/* Enable or disable the rising trigger */
if ((GPIO_Init->Mode & RISING_EDGE) == RISING_EDGE)
{
SET_BIT(EXTI->RTSR, iocurrent);
}
else
{
CLEAR_BIT(EXTI->RTSR, iocurrent);
}
/* Enable or disable the falling trigger */
if ((GPIO_Init->Mode & FALLING_EDGE) == FALLING_EDGE)
{
SET_BIT(EXTI->FTSR, iocurrent);
}
else
{
CLEAR_BIT(EXTI->FTSR, iocurrent);
}
/* Configure the event mask */
if ((GPIO_Init->Mode & GPIO_MODE_EVT) == GPIO_MODE_EVT)
{
SET_BIT(EXTI->EMR, iocurrent);
}
else
{
CLEAR_BIT(EXTI->EMR, iocurrent);
}
/* Configure the interrupt mask */
if ((GPIO_Init->Mode & GPIO_MODE_IT) == GPIO_MODE_IT)
{
SET_BIT(EXTI->IMR, iocurrent);
}
else
{
CLEAR_BIT(EXTI->IMR, iocurrent);
}
}
}
position++;
}
}
代码相关的解释已经写到注释里了,这里有一个比较有意思的点。
开始是GPIO_Init->Speed设置的是GPIO_SPEED_FREQ_LOW,它其实是一个有关MODE的宏,就是和CNY对应的MODE的宏。
#define GPIO_CRL_MODE0_Pos (0U)
// 这个就是50MHZ的输出模式
#define GPIO_CRL_MODE0_Msk (0x3UL << GPIO_CRL_MODE0_Pos) /*!< 0x00000003 */
// 这个就是50MHZ的输出模式
#define GPIO_CRL_MODE0 GPIO_CRL_MODE0_Msk /*!< MODE0[1:0] bits (Port x mode bits, pin 0) */
// 这个就是1的输出模式
#define GPIO_CRL_MODE0_0 (0x1UL << GPIO_CRL_MODE0_Pos) /*!< 0x00000001 */
// 这个就是2MHZ的输出模式
#define GPIO_CRL_MODE0_1 (0x2UL << GPIO_CRL_MODE0_Pos) /*!< 0x00000002 */
#define GPIO_SPEED_FREQ_LOW (GPIO_CRL_MODE0_1) /*!< Low speed */
#define GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM (GPIO_CRL_MODE0_0) /*!< Medium speed */
#define GPIO_SPEED_FREQ_HIGH (GPIO_CRL_MODE0) /*!< High speed */
所以初始化的Speed其实就是设置了MODE。而对于每个输出模式,在HAL_GPIO_Init函数里都用到这样的操作
// 低二位都是0,为了配合Mode
#define GPIO_CR_CNF_GP_OUTPUT_PP 0x00000000u /*!< 00: General purpose output push-pull */
// 低二位都是0,为了配合Mode
#define GPIO_CR_CNF_GP_OUTPUT_OD 0x00000004u /*!< 01: General purpose output Open-drain */
// 低二位都是0,为了配合Mode
#define GPIO_CR_CNF_AF_OUTPUT_PP 0x00000008u /*!< 10: Alternate function output Push-pull */
// 低二位都是0,为了配合Mode
#define GPIO_CR_CNF_AF_OUTPUT_OD 0x0000000Cu /*!< 11: Alternate function output Open-drain */
// 这里就是配置CNF+Mode
config = GPIO_Init->Speed + GPIO_CR_CNF_GP_OUTPUT_PP;
其实就是将MODE和CNF结合到一块共同控制一个引脚。
二、在main()自定义操作
知道了库函数的操作,其实我们自己也可以将Led灯进行点亮或者熄灭,比如
// 熄灭
GPIOB->BSRR = GPIO_PIN_9;
// 点亮
GPIOB->BSRR = GPIO_PIN_9 << 16;
其实最终就是操作的寄存器(不研究也知道操作的寄存器,哈哈哈)。
点灯对寄存器的操作如下:
- 配置APB2ENR开启GPIOB时钟
- 配置CRL或CRH,来操作引脚的CNF和MODE,让其作为输入或输出
- 配置BSRR使ODR对应的位输出1或0
通过对stm32内存映射和GPIO寄存器的分析,大致了解了HAL的一些细节,确实单独操作寄存器难度比较大,但是通过对HAL函数的研究,加深了自己对HAL操作的了解以及寄存器细节的了解。