文章目录

一、寄存器是什么
二、瑞萨RA6M5 芯片内部模块与资源
三、存储器映射
- 1. 存储器映射表
- 2. 存储器区域划分
- 3. 外设寄存器
四、C语言操作寄存器
- 1. C语言对寄存器的封装
- - （1）外设模块基地址定义
  - （2）寄存器结构体定义
  - （3）外设模块寄存器定义
- 2. 修改寄存器操作的本质：读-改-写
- - （1）清零寄存器上的某 N 个位
  - （2）对寄存器上的某 N 个位进行置位
  - （3）对寄存器上的某 N 个位进行取反

一、寄存器是什么

寄存器实际上与 RAM、FLASH 一样，也是芯片内部的一种存储器（Memory）。一般而言，RAM 是程序运行的内存，FLASH 则是用来保存程序本身。寄存器与 RAM、FLASH 等存储器的不同之处在于：寄存器除了保存了芯片的功能状态之外，还是配置和控制芯片的桥梁，我们可以通过寄存器配置和操作芯片的功能。

一般而言，我们在对 MCU 芯片进行编程时有两种编程方式，一种是寄存器编程，另外一种是固件库编程（或者说库函数编程）。那么，固件库又是什么东西？固件库说白了其实是通过寄存器编程之后的产物，它是对寄存器操作的一种封装，最终提供给开发者一套固定的函数API进行调用。

我们可以从以下两种角度来了解寄存器编程与固件库编程的区别。从程序执行效率的角度来看：一般而言，寄存器编程生成的程序执行效率高，而固件库编程生成的程序执行效率不如寄存器编程的。然而从开发者的角度来看：固件库编程使得开发者不必深入理解硬件层面的寄存器细节，在开发时只需要调用库函数以实现所需的功能，因此可以提高开发者的开发效率。

二、瑞萨RA6M5 芯片内部模块与资源

在这里插入图片描述
上图中，我们可以看到有一个标着 “Arm Cortex-M33” 的方框，其所表示的便是 CPU 内核，其中包含的小方框（DSP、FPU、MPU、NVIC等）属于内核的设备。

除了 “Arm Cortex-M33” 的方框以外，还有很多个大方框，它们对片上的全部外设模块进行了一个分类，大方框当中的小方框表示的是外设模块，如下：
在这里插入图片描述
RA6M5 芯片 Cortex-M33 CPU 内核结构如图所示：

三、存储器映射

前文所述，寄存器与 RAM、FLASH 一样都是芯片内部的一种存储设备。那么，当我们需要访问它们的时候，我们需要知道它们的存储地址。

1. 存储器映射表

如下图所示为 RA6M5 的存储器映射表，可以看到 RA6M5 芯片内部的存储器被映射到这一整块 4G（0 ~ 0xFFFF FFFF）的地址空间中。我们还可以看到，除了寄存器和 SRAM、Flash 的地址空间区域以外，还存在着其他类型的地址空间区域，比如 QSPI area 和 OSPI area。 Reserved area 表示的是保留区域，尚未用到。
在这里插入图片描述

2. 存储器区域划分

存储器本身不具有地址信息，它的地址是由芯片厂商或用户分配，给存储器分配地址的过程就称为存储器映射。如果给存储器再次分配一个地址就叫存储器重映射。

对于 RA6M5 (176 pin) 芯片，其内部线性地址空间划分为如下区域：在这里插入图片描述
表格中的 “0x4000_0000 ~ 0x4018_0000 - 1” 区域，也就是 “0x4000_0000 ~ 0x4017_FFFF” 区域，它映射到了绝大部分外设模块的寄存器。

3. 外设寄存器

在这里插入图片描述
说明：

①寄存器名称。

②外设模块基地址及其寄存器偏移地址。

③寄存器位表格。32位MCU的寄存器大小一般为 32 位（bit），占四个字节。 “Bit position”为位号，指示该位处于该寄存器中的位置； “Bit field”为位域，一般不同的位域有不同的作用； “Value after reset”为复位值，指示该位的复位值。

④位域功能说明。这部分为对每一个位域的功能的详细说明。

四、C语言操作寄存器

1. C语言对寄存器的封装

（1）外设模块基地址定义

在编程上为了方便理解和记忆，我们要把外设模块基地址以相应的宏定义起来，外设基地址都以它们的名字作为宏名的组成部分。以下是 IO 端口外设基地址的宏定义。

IOPORT 外设基地址宏定义

/* 外设基地址 */
#define R_PORT0_BASE          0x40080000
#define R_PORT1_BASE          0x40080020
#define R_PORT2_BASE          0x40080040
#define R_PORT3_BASE          0x40080060
#define R_PORT4_BASE          0x40080080
#define R_PORT5_BASE          0x400800A0
#define R_PORT6_BASE          0x400800C0
#define R_PORT7_BASE          0x400800E0
#define R_PORT8_BASE          0x40080100
#define R_PORT9_BASE          0x40080120
#define R_PORT10_BASE         0x40080140
#define R_PORT11_BASE         0x40080160
#define R_PFS_BASE            0x40080800
#define R_PMISC_BASE          0x40080D00

（2）寄存器结构体定义

由于寄存器的数量是非常之多的，如果每个寄存器都用像 *( (uint32_t )(0x40080000 + 0x00201) ) 这样的方式去访问的话，会显得很繁琐、很麻烦。为了更方便地访问寄存器，我们会借助C语言结构体的特性去定义寄存器和寄存器位域，这是通用的做法。

使用结构体封装外设寄存器

// 注：关于输入输出端口的声明
/* C语言: IO definitions (access restrictions to peripheral registers) */
//#define     __I     volatile const       /*!< Defines 'read only' permissions */
//#define     __O     volatile             /*!< Defines 'write only' permissions */
//#define     __IO    volatile             /*!< Defines 'read / write' permissions */

/* 下面的宏定义用于结构体成员 */
/* following defines should be used for structure members */
//#define     __IM     volatile const      /*! Defines 'read only' structure member permissions */
//#define     __OM     volatile            /*! Defines 'write only' structure member permissions */
//#define     __IOM    volatile            /*! Defines 'read / write' structure member permissions */

//typedef unsigned          char uint8_t;
//typedef unsigned short     int uint16_t;  /* 无符号16位整型变量 */
//typedef unsigned           int uint32_t;  /* 无符号32位整型变量 */

/**
* @brief I/O Ports (R_PORT0)
*/
typedef struct                         /*!< (@ 0x40040000) R_PORT0 Structure */
{
   union
   {
      union
      {
            __IOM uint32_t PCNTR1;        /*!< (@ 0x00000000) Port Control Register 1 */

            struct
            {
               __IOM uint32_t PDR  : 16; /*!< [15..0] Pmn Direction（引脚Pmn 方向）*/
               __IOM uint32_t PODR : 16; /*!< [31..16] Pmn Output Data（引脚Pmn 输出数据）*/
            } PCNTR1_b;
      };

      /* ... 代码过长省略 ... */
   };

   union
   {
      union
      {
            __IM uint32_t PCNTR2;        /*!< (@ 0x00000004) Port Control Register 2 */

            struct
            {
               __IM uint32_t PIDR : 16; /*!< [15..0] Pmn Input Data（引脚Pmn 输入数据）*/
               __IM uint32_t EIDR : 16; /*!< [31..16] Pmn Event Input Data（引脚Pmn 事件输入数据）*/
            } PCNTR2_b;
      };

      /* ... 代码过长省略 ... */
   };

   union
   {
      union
      {
            __OM uint32_t PCNTR3;        /*!< (@ 0x00000008) Port Control Register 3 */

            struct
            {
               __OM uint32_t POSR : 16; /*!< [15..0] Pmn Output Set（引脚Pmn 输出置位）*/
               __OM uint32_t PORR : 16; /*!< [31..16] Pmn Output Reset（引脚Pmn 输出复位）*/
            } PCNTR3_b;
      };

      /* ... 代码过长省略 ... */
   };

   union
   {
      union
      {
            __IOM uint32_t PCNTR4;        /*!< (@ 0x0000000C) Port Control Register 4 */

            struct
            {
               __IOM uint32_t EOSR : 16; /*!< [15..0] Pmn Event Output Set（引脚Pmn 事件输出置位）*/
               __IOM uint32_t EORR : 16; /*!< [31..16] Pmn Event Output Reset（引脚Pmn 事件输出复位）*/
            } PCNTR4_b;
      };

      /* ... 代码过长省略 ... */
   };
} R_PORT0_Type;                        /*!< Size = 16 (0x10) */

（3）外设模块寄存器定义

我们在上一步已经定义好了 R_PORT0_Type 类型的结构体，它包含了 IOPORT 的寄存器定义。接下来使用宏定义来表示结构体指针，指针指向 IOPORT 外设的每个端口的寄存器首地址。

寄存器定义

#define R_PORT0           ((R_PORT0_Type *) R_PORT0_BASE)
#define R_PORT1           ((R_PORT0_Type *) R_PORT1_BASE)
#define R_PORT2           ((R_PORT0_Type *) R_PORT2_BASE)
#define R_PORT3           ((R_PORT0_Type *) R_PORT3_BASE)
#define R_PORT4           ((R_PORT0_Type *) R_PORT4_BASE)
#define R_PORT5           ((R_PORT0_Type *) R_PORT5_BASE)
#define R_PORT6           ((R_PORT0_Type *) R_PORT6_BASE)
#define R_PORT7           ((R_PORT0_Type *) R_PORT7_BASE)
#define R_PORT8           ((R_PORT0_Type *) R_PORT8_BASE)
#define R_PORT9           ((R_PORT0_Type *) R_PORT9_BASE)
#define R_PORT10          ((R_PORT0_Type *) R_PORT10_BASE)

2. 修改寄存器操作的本质：读-改-写

有了以上的对 IOPORT 这个外设模块的寄存器的定义，我们便完成了“C语言对寄存器的封装”这个步骤，接下来我们便可以使用C语言对寄存器进行各种操作了。

对寄存器进行操作可以是忽略寄存器原本的值，而直接覆盖写入新的值；但是更为一般的操作是根据原本的寄存器值进行修改，即：先读出寄存器原本的值，然后修改该值，最后重新写入到寄存器里面，让新的值生效。

接下来将介绍修改寄存器的几种通用方法。

（1）清零寄存器上的某 N 个位

使用 C 语言的按位与 “&” 运算符可以将位进行清零。

位清零：按位与 &

//清零某个位
R_PORT0->PODR &= ~(1u<<0); //清零PODR寄存器的第0位
R_PORT0->PODR &= ~(1u<<6); //清零PODR寄存器的第6位

//清零多个位
R_PORT0->PODR &= ~(3u<<0); //清零PODR寄存器的第0,1位
R_PORT0->PODR &= ~(3u<<6); //清零PODR寄存器的第6,7位

（2）对寄存器上的某 N 个位进行置位

使用 C 语言的按位或 “|” 运算符可以将位进行置一。

位置位：按位或 |

//置位某个位
R_PORT0->PODR |= 1u<<0; //PODR寄存器的第0位置1
R_PORT0->PODR |= 1u<<6; //PODR寄存器的第6位置1

//置位多个位
R_PORT0->PODR |= 3u<<0; //PODR寄存器的第0,1位置1
R_PORT0->PODR |= 3u<<6; //PODR寄存器的第6,7位置1

（3）对寄存器上的某 N 个位进行取反

使用 C 语言的按位异或 “^” 运算符可以将位进行取反。

位取反：按位异或 ^

//取反某个位
R_PORT0->PODR ^= 1u<<0; //取反PODR寄存器的第0位
R_PORT0->PODR ^= 1u<<6; //取反PODR寄存器的第6位

//取反多个位
R_PORT0->PODR ^= 3u<<0; //取反PODR寄存器的第0,1位
R_PORT0->PODR ^= 3u<<6; //取反PODR寄存器的第6,7位