STM32F103C8T6開發板入門學習——寄存器和庫函數介紹

學習目標：STM32F103C8T6開發板入門學習——寄存器和庫函數介紹

學習內容：

1. 寄存器介紹

1.1 存儲器映射

存儲器本身無固有地址，是具有特定功能的內存單元。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叫做存儲區映射。給內存單元分配地址之后，就可以通過指針去操作內存地址。

1.2 存儲器映射表

STM32作為32位單片機，地址范圍為232（即4GB）。為降低相同應用場景下的軟件復雜度，其存儲映射按Cortex-M4處理器規則預先定義：

部分地址空間由Arm Cortex-M4的系統外設占用，且不可更改；
其余地址空間可由芯片供應商定義使用。

1.3 什么是寄存器

寄存器是具有特定功能的內存單元，通過操作這些單元可驅動外設工作。按功能可分為：

指令寄存器、地址寄存器、數據寄存器；
處理器可通過相互獨立的總線讀取指令、加載/存儲數據。

1.4 寄存器映射

程序存儲器、數據存儲器、寄存器和I/O端口位于同一4GB線性地址空間內：

每個寄存器對應不同功能，操作相應寄存器可配置對應功能；
控制外設時，可通過起始地址以C語言指針方式訪問內存單元；
給已分配地址、有特定功能的內存單元取別名的過程，稱為寄存器映射，該別名即寄存器。

1.5 寄存器重映射

給寄存器再次分配地址的過程稱為寄存器重映射。

1.6 總線基地址

片上外設區域分為三條總線，按外設速度不同掛載相應外設：

AHB總線：最高時鐘可達72MHz；
APB1總線：最高時鐘可達36MHz；
APB2總線：最高時鐘可達72MHz。

根據外設速度的不同，不同的總線掛載著不同的外設。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的地址。
請添加圖片描述

1.7 外設基地址

每條總線上掛載多個外設，每個外設均有自己的地址范圍。

請添加圖片描述

1.8 外設寄存器地址

在外設的地址范圍內，分布著該外設的多個寄存器。以GPIO外設為例：

GPIO外設地址范圍內有多個寄存器，每個均有特定功能，通過操作對應寄存器可配置GPIO功能；
每個寄存器為32位，占4個字節。

請添加圖片描述

1.9 如何操作寄存器

以“讓GPIOA端口的16個引腳都置1”為例，操作步驟如下：

確定目標寄存器：需配置端口輸出寄存器GPIOx_ODR；
計算寄存器地址：
- 由中文參考手冊第115頁可知，GPIOx_ODR寄存器的地址偏移量為0x0C；
- GPIOA端口的基地址為0x40010800；
- 因此，GPIOx_ODR寄存器的地址為：0x40010800 + 0x0C = 0x4001080C。

通過上圖可以了解到要想使能所有引腳配置為1,只需要將ODRy（y=0…15）對應的位置1即可。也就是配置GPIOA_ODR寄存器的高16位為0，低16位為1,換成十六進制就是0x0000FFFF。

1.通過絕對地址訪問內存單元

// GPIOA 端口的16個引腳全部輸出高電平
*(unsigned int*)(0x4001080C) = 0xFFFF;

說明：

(unsigned int*)：將立即數0x4001080C強制轉換為無符號整型指針，告訴編譯器這是一個內存地址；
*：對該地址進行解引用，訪問地址對應的內存空間；
整體含義：向0x4001080C（GPIOA_ODR寄存器）對應的內存空間寫入0xFFFF，實現GPIOA所有16個引腳輸出高電平（低16位置1，高16位為0）。

2. 通過別名訪問內存單元

為簡化操作并增強可讀性，可給寄存器地址定義別名：

方式一：定義地址指針

// 定義 GPIOA_ODR 地址指針
#define GPIOA_ODR (unsigned int*)(0x4001080C)// GPIOA 端口的16個引腳全部輸出高電平
*GPIOA_ODR = 0xFFFF;

方式二：直接定義解引用的地址（更常用）

// 定義 GPIOA_ODR 并直接解引用
#define GPIOA_ODR (*(unsigned int*)(0x4001080C))// GPIOA 端口的16個引腳全部輸出高電平
GPIOA_ODR = 0xFFFF;

優勢：通過GPIOA_ODR這樣的別名，可直觀理解操作的是GPIOA的輸出數據寄存器，無需記憶復雜的十六進制地址，提升代碼可讀性和可維護性。

2. 庫函數介紹

2.1 為什么要使用庫函數

從上一節可知，通過寄存器驅動外設雖可行，但STM32寄存器數量極多：

僅定義寄存器就需耗費大量時間，還需逐一查找其功能、地址并配置對應值，在開發難度和時間成本上均不劃算。

庫函數的出現正是為解決這一問題，其優勢在于：

由STM32官方開發，可直接移植到工程中使用，大幅提升開發效率；
無需深入了解硬件底層機制，只需根據需求查找對應函數并調用，降低了開發門檻。

2.2 庫函數簡單介紹

在創建的工程模板中，包含STM32F1x的標準外設庫，可通過打開stm32f10x_gpio.h和stm32f10x_gpio.c等文件查看具體實現。

本質上，庫函數是在寄存器操作的基礎上進行了封裝：

底層仍通過操作寄存器實現功能，但上層提供了更簡潔的函數接口，使開發操作更簡單。

3. 寄存器和庫函數的區別

寄存器和庫函數最終均通過對地址操作實現功能，但二者存在明顯差異，適用場景也不同：

原理與直觀性：寄存器操作更易理解底層原理，過程直觀；庫函數則屏蔽了底層細節，直接面向應用功能。
代碼量與冗余：庫函數代碼量相對更大，因函數需考慮多種使用場景，可能存在代碼冗余；寄存器操作代碼更精簡。
開發難度與效率：庫函數使用簡單、易上手，可快速開發應用，能顯著提高開發效率；寄存器操作需熟悉硬件細節，開發門檻更高。
資源占用與速度：寄存器操作占用內存少、執行速度快，在資源有限（如內存緊張）或對執行速度有高要求的場景下更具優勢。

學習時間：8月25日

1. 寄存器介紹

1.1 存儲器映射

原文核心：存儲器本身無固有地址，分配地址的過程稱為存儲區映射，映射后可通過指針操作內存單元。

個人理解：存儲器就像一堆無編號的儲物箱，“存儲器映射”就是給每個箱子貼上限號（地址）。有了編號后，CPU才能通過“地址指針”準確找到并操作對應的存儲單元。這是硬件與軟件交互的基礎——沒有地址映射，軟件就無法“定位”硬件資源。

1.2 存儲器映射表

原文核心：STM32作為32位單片機，地址范圍為4GB，部分地址由Cortex-M4內核占用（不可改），其余由芯片廠商定義。

個人理解：4GB地址空間是32位處理器的“理論上限”，就像一個巨大的“地址版圖”。其中，Cortex-M4內核預留了部分區域（如系統外設），相當于“國家劃定的保護區”，不可占用；剩下的區域由STM32廠商分配給片上外設（如GPIO、UART等），形成了固定的“地址規劃”。這種標準化的映射表讓不同開發者能基于同一套地址規則操作硬件，降低了兼容性成本。

1.3 什么是寄存器

原文核心：寄存器是具有特定功能的內存單元，按功能分為指令、地址、數據寄存器，處理器通過獨立總線訪問。

個人理解：寄存器是硬件的“控制面板”。比如，指令寄存器存放當前要執行的指令，地址寄存器存放要訪問的內存地址，數據寄存器臨時存儲運算數據。獨立總線設計（如指令總線、數據總線）就像“專用通道”，避免了指令讀取和數據傳輸的沖突，提高了CPU效率。簡單說，寄存器是CPU與外設“對話”的直接窗口——操作寄存器就是在“告訴”硬件該做什么。

1.4 寄存器映射

原文核心：給已分配地址、有特定功能的內存單元取別名的過程，稱為寄存器映射，別名即寄存器。

個人理解：假設某塊內存單元的地址是0x4001080C，其功能是控制GPIOA的輸出，我們給它起個名字“GPIOA_ODR”，這個過程就是寄存器映射。它的本質是“地址→功能別名”的映射，讓開發者不用死記硬背冗長的十六進制地址，而是通過“GPIOA_ODR”這樣直觀的名字操作硬件，大幅降低了代碼的理解難度。

1.6 總線基地址

原文核心：片上外設分為AHB（72MHz）、APB1（36MHz）、APB2（72MHz）三條總線，總線基地址是總線上首個外設的地址。

個人理解：總線就像“高速公路”，外設是“車輛”。AHB和APB2是“快車道”（72MHz），適合高速外設（如GPIO、SPI）；APB1是“慢車道”（36MHz），適合低速外設（如I2C、UART）。總線基地址是“高速路的起點”，比如AHB總線基地址是0x40010000，總線上的所有外設地址都從這個起點開始“編號”，方便按總線歸類管理外設。

1.7 外設基地址

原文核心：每條總線上的外設都有自己的地址范圍。

個人理解：如果總線是“高速公路”，外設就是路上的“服務區”，每個服務區有自己的“管轄范圍”（地址范圍）。比如，GPIOA掛在APB2總線上，其基地址是0x40010800，地址范圍從0x40010800到下一個外設的基地址前，這樣CPU就能通過地址范圍準確區分不同外設（如GPIOA和GPIOB）。

1.8 外設寄存器地址

原文核心：外設地址范圍內有多個寄存器，每個32位（4字節），對應特定功能（以GPIO為例）。

個人理解：一個外設（如GPIOA）就像一個“工具箱”，里面的每個“工具”（寄存器）對應不同功能：比如“GPIOA_CRL”控制低8位引腳模式，“GPIOA_ODR”控制輸出電平。每個寄存器占4字節（32位），是因為STM32是32位處理器，一次可處理32位數據，這種設計能高效讀寫寄存器。

1.9 如何操作寄存器（以GPIOA引腳置1為例）

原文核心：步驟為“確定目標寄存器→計算地址→寫入值”，并給出了具體示例。

個人理解：操作寄存器的本質是“地址+值”的精準控制。比如要讓GPIOA所有引腳輸出高電平，需找到“輸出數據寄存器（ODR）”，計算其地址（GPIOA基地址+偏移量0x0C=0x4001080C），再寫入0xFFFF（低16位置1）。這個過程像“按地址找到開關，再撥動開關”，需要對硬件地址和寄存器功能有清晰了解。

1. 通過絕對地址訪問內存單元

原文示例：*(unsigned int*)(0x4001080C) = 0xFFFF;

個人理解：這種方式直接通過地址操作，優點是“直達底層”，缺點是可讀性差——如果不查手冊，沒人知道0x4001080C是什么。適合對硬件極度熟悉的場景，或調試時快速驗證功能。

2. 通過別名訪問內存單元

原文給出兩種方式：定義地址指針（#define GPIOA_ODR (unsigned int*)(0x4001080C)）或直接定義解引用地址（#define GPIOA_ODR (*(unsigned int*)(0x4001080C))）。

個人理解：這是實際開發中更推薦的方式。通過“GPIOA_ODR”這樣的別名，代碼可讀性大幅提升，且修改時只需改宏定義，無需逐個修改地址。就像用“家門鑰匙”代替“鑰匙的物理編號”，更符合人類的記憶習慣。

2. 庫函數介紹

2.1 為什么要使用庫函數

原文核心：寄存器數量多，手動定義和配置耗時，庫函數由官方開發，可直接移植，降低門檻、提高效率。

個人理解：STM32的外設和寄存器極其龐大（僅GPIO就有近10個寄存器，全芯片有上百個外設），如果每個寄存器都手動定義地址、查手冊配置值，開發效率會極低。庫函數就像“封裝好的快捷指令”，比如要配置GPIO輸出，直接調用GPIO_Init()即可，無需關心底層寄存器的地址和具體值，適合快速開發。

2.2 庫函數簡單介紹

原文核心：庫函數基于寄存器操作封裝，在stm32f10x_gpio.h等文件中實現，提供簡潔接口。

個人理解：庫函數不是“魔法”，其底層依然是操作寄存器。比如GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_All)函數，內部其實是對GPIOA_ODR寄存器寫入0xFFFF。它的價值在于“抽象”——把復雜的寄存器配置邏輯（如時鐘使能、模式設置、輸出控制）打包成函數，讓開發者只需關注“要做什么”，而非“怎么做”。