【嵌入式】层层递进，了解库开发
【摘要】 自从CubeMX等图像配置软件的出现，同学们往往点几下鼠标就解决了单片机的配置问题。对于追求开发速度的业务场景下，使用快速配置软件是合理的，高效的，但对于学生的学习场景下，更为重要的是知其然并知其所以然。
自从CubeMX等图像配置软件的出现，同学们往往点几下鼠标就解决了单片机的配置问题。对于追求开发速度的业务场景下，使用快速配置软件是合理的，高效的，但对于学生的学习场景下，更为重要的是知其然并知其所以然。
以下是学习（包括但不限于）嵌入式的三个重要内容，
1、学会如何参考官方的手册和官方的代码来独立写自己的程序。
2、积累常用代码段，知道哪里的问题需要哪些代码处理。
3、跟随大佬步伐，一步一个脚印。
首先：我们都知道编程时一般查的是《参考手册》，而进行芯片选型或需要芯片数据时，查阅的是《数据手册》。此外市面上所有关于STM32的书籍都是立足于前二者（+Cortex内核手册）进行编著。
其次：要分清什么是内核外设与内核之外的外设，为了便于区分，按照网上的一种说法，将“内核之外的外设”以“处理器外设”代替。
再者：如今很少使用标准库了，都是HAL库，但作为高校目前教学方式，
我们将以STM32f10xxx为例对标准库开发进行概览。
一、STM32 系统结构
STM32f10xxx 系统结构
内核IP
从结构框图上看，Cortex-M3 内部有若 干个总线接口，以使 CM3 能同时取址和访内（访问内存），它们是： 指令存储区总线（两条）、系统总线、私有外设总线。有两条代码存储区总线负责对代 码存储区（即 FLASH 外设）的访问，分别是 I-Code 总线和 D-Code 总线。
I-Code 用于取指，D-Code 用于查表等操作，它们按最佳执行速度进行优化。
系统总线（System）用于访问内存和外设，覆盖的区域包括 SRAM，片上外设，片外 RAM，片外扩展设备，以及系统级存储区的部分空间。
私有外设总线负责一部分私有外设的访问，主要就是访问调试组件。它们也在系统级 存储区。
还有一个 MDA 总线，从字面上看，DMA 是 data memory access 的意思，是一种连接内核和外设的桥梁，它可以访问外设、内存，传输不受 CPU 的控制，并且是双向通信。简而言之，这个家伙就是一个速度很快的且不受老大控制的数据搬运工。
处理器外设（内核之外的外设）
从结构框图上看，STM32 的外设有 串口、定时器、IO 口、FSMC、SDIO、SPI、I2C 等，这些外设按 照速度的不同，分别挂载到 AHB、APB2、APB1 这三条总线上。
二、寄存器
什么是寄存器？寄存器是内置于各个 IP 外设中，是一种用于配置外设功能的存储器，并且有想对应的地址。一切库的封装始于映射。
是不是“又臭又长”，如果进行寄存器开发，就需要怼地址以及对寄存器进行字节赋值，不仅效率低而且容易出错。
来，开个玩笑。
你也许听说过“国际 C 语言乱码大赛（IOCCC）”下面这个例子就是网上广为流传的 一个经典作品：
#include <stdio.h>
main(t,_,a)char *a;{return!0<t?t<3?main(-79,-13,a+main(-87,1-_,
main(-86,0,a+1)+a)):1,t<_?main(t+1,_,a):3,main(-94,-27+t,a)&&t==2?_<13?
main(2,_+1,"%s %d %d\n"):9:16:t<0?t<-72?main(_,t,
"@n'+,#'/*{}w+/w#cdnr/+,{}r/*de}+,/*{*+,/w{%+,/w#q#n+,/#{l+,/n{n+,/+#n+,/#\
;#q#n+,/+k#;*+,/'r :'d*'3,}{w+K w'K:'+}e#';dq#'l \
q#'+d'K#!/+k#;q#'r}eKK#}w'r}eKK{nl]'/#;#q#n'){)#}w'){){nl]'/+#n';d}rw' i;# \
){nl]!/n{n#'; r{#w'r nc{nl]'/#{l,+'K {rw' iK{;[{nl]'/w#q#n'wk nw' \
iwk{KK{nl]!/w{%'l##w#' i; :{nl]'/*{q#'ld;r'}{nlwb!/*de}'c \
;;{nl'-{}rw]'/+,}##'*}#nc,',#nw]'/+kd'+e}+;#'rdq#w! nr'/ ') }+}{rl#'{n' ')# \
}'+}##(!!/")
:t<-50?_==*a?putchar(31[a]):main(-65,_,a+1):main((*a=='/')+t,_,a+1)
:0<t?main(2,2,"%s"):*a=='/'||main(0,main(-61,*a,
"!ek;dc i@bK'(q)-[w]*%n+r3#l,{}:\nuwloca-O;m.vpbks,fxntdCeghiry"),a+1);}
库的存在就是为了解决这类问题，将代码语义化。语义化思想不仅仅是嵌入式有的，前端代码也在追求语义特性。
三、万物始于点灯
（1）内核库文件分析
-
cor_cm3.h
这个头文件实现了：1、内核结构体寄存器定义 2、内核寄存器内存映射 3、内存寄存 器位定义。跟处理器相关的头文件 stm32f10x.h 实现的功能一样，一个是针对内核的寄存器，一个是针对内核之外，即处理器的寄存器。
-
misc.h
内核应用函数库头文件，对应 stm32f10x_xxx.h
-
misc.c
内核应用函数库文件，对应 stm32f10x_xxx.c。在 CM3 这个内核里面还有一些功能组 件，如 NVIC、SCB、ITM、MPU、CoreDebug，CM3 带有非常丰富的功能组件，但是芯片 厂商在设计 MCU 的时候有一些并不是非要不可的，是可裁剪的，比如 MPU、ITM 等在 STM32 里面就没有。其中 NVIC 在每一个 CM3 内核的单片机中都会有，但都会被裁剪，只能是 CM3 NVIC 的一个子集。在 NVIC 里面还有一个 SysTick，是一个系统定时器，可以提 供时基，一般为操作系统定时器所用。 misc.h 和 mics.c 这两个文件提供了操作这些组件的函数，并可以在 CM3 内核单片机 直接移植。
（2）处理器外设库文件分析
-
startup_stm32f10x_hd.s
这个是由汇编编写的启动文件，是 STM32 上电启动的第一个程序，启动文件主要实现 了：1、初始化堆栈指针 SP；2、设置 PC 指针=Reset_Handler ；3、设置向量表的地址，并 初始化向量表，向量表里面放的是 STM32 所有中断函数的入口地址 4、调用库函数 SystemInit，把系统时钟配置成 72M，SystemInit 在库文件 stytem_stm32f10x.c 中定义；5、 跳转到标号_main，最终去到 C 的世界。
-
system_stm32f10x.c
这个文件的作用是里面实现了各种常用的系统时钟设置函数，有 72M，56M，48， 36，24，8M，我们使用的是是把系统时钟设置成 72M。
-
Stm32f10x.h
这个头文件非常重要，这个头文件实现了：1、处理器外设寄存器 的结构体定义 2、处理器外设的内存映射 3、处理器外设寄存器的位定义。
关于 1 和 2 我们在用寄存器点亮 LED 的时候有讲解。
其中 3：处理器外设寄存器的位定义，这个非常重要，具体是什么意思？我们知道一个寄存器有很多个位，每个位写 1 或 者写 0 的功能都是不一样的，处理器外设寄存器的位定义就是把外设的每个寄存器的每一 个位写 1 的 16 进制数定义成一个宏，宏名即用该位的名称表示，如果我们操作寄存器要开启某一个功能的话，就不用自己亲自去算这个值是多少，可以直接到这个头文件里面找。
我们以片上外设 ADC 为例，假设我们要启动 ADC 开始转换，根据手册我们知道是要控制 ADC_CR2 寄存器的位 0：ADON，即往位 0 写 1，即：
ADC->CR2=0x00000001;这是 一般的操作方法。现在这个头文件里面有关于 ADON 位的位定义：
#define ADC_CR2_ADON ((uint32_t)0x00000001)有了这个位定义，我们刚刚的 代码就变成了：
ADC->CR2=ADC_CR2_ADON-
stm32f10x_xxx.h
外设 xxx 应用函数库头文件，这里面主要定义了实现外设某一功能 的结构体，比如通用定时器有很多功能，有定时功能，有输出比较功能，有输入捕捉功 能，而通用定时器有非常多的寄存器要实现某一个功能，比如定时功能，我们根本不知道 具体要操作哪些寄存器，这个头文件就为我们打包好了要实现某一个功能的寄存器，是以机构体的形式定义的，比如通用定时器要实现一个定时的功能，我们只需要初始化 TIM_TimeBaseInitTypeDef 这个结构体里面的成员即可，里面的成员就是定时所需要 操作的寄存器。 有了这个头文件，我们就知道要实现某个功能需要操作哪些寄存器，然后 再回手册中精度这些寄存器的说明即可。
-
stm32f10x_xxx.c
stm32f10x_xxx.c：外设 xxx 应用函数库，这里面写好了操作 xxx 外设的所有常用的函 数，我们使用库编程的时候，使用的最多的就是这里的函数。
（3）SystemInit
工程中新建main.c 。
在此文件中编写main函数后直接编译会报错：
Undefined symbol SystemInit (referred from startup_stm32f10x_hd.o).错误提示说SystemInit 没有定义。从分析启动文件startup_stm32f10x_hd.s时我们知道，
1 ;Reset handler
2 Reset_Handler PROC
3 EXPORT Reset_Handler [WEAK]
4 IMPORT __main
5 ;IMPORT SystemInit
6 ;LDR R0, =SystemInit
7 BLX R0
8 LDR R0, =__main
9 BX R0
10 ENDP汇编中；分号是注释的意思
第五行第六行代码Reset_Handler 调用了SystemInit该函数用来初始化系统时钟，而该函数是在库文件system_stm32f10x.c 中实现的。我们重新写一个这样的函数也可以，把功能完整实现一遍，但是为了简单起见，我们在main 文件里面定义一个SystemInit 空函数，为的是骗过编译器，把这个错误去掉。关于配置系统时钟之后会出文章RCC 时钟树详细介绍，主要配置时钟控制寄存器(RCC_CR)和时钟配置寄存器(RCC_CFGR)这两个寄存器，但最好是直接使用CubeMX直接生成，因为它的配置过程有些冗长。
如果我们用的是库，那么有个库函数SystemInit，会帮我们把系统时钟设置成72M。
现在我们没有使用库，那现在时钟是多少？答案是8M，当外部HSE 没有开启或者出现故
障的时候，系统时钟由内部低速时钟LSI 提供，现在我们是没有开启HSE，所以系统默认
的时钟是LSI=8M。
（4）库封装层级
如图，达到第四层级便是我们所熟知的固件库或HAL库的效果。当然库的编写还需要考虑许多问题，不止于这些内容。我们需要的是了解库封装的大概过程。
将库封装等级分为四级来介绍是为了有层次感，就像打怪升级一样，进行认知理解的升级。
我们都知道，操作GPIO输出分三大步：
时钟控制：
STM32 外设很多，为了降低功耗，每个外设都对应着一个时钟，在系统复位的时候这
些时钟都是被关闭的，如果想要外设工作，必须把相应的时钟打开。
STM32 的所有外设的时钟由一个专门的外设来管理，叫RCC（reset and clockcontrol），RCC 在STM32 参考手册的第六章。
STM32 的外设因为速率的不同，分别挂载到三条总系上：AHB、APB2、APB1，AHB为高速总线，APB2 次之，APB1 再次之。所以的IO 口都挂载到APB2 总线上，属于高速
外设。
模式配置：
这个由端口配置寄存器来控制。端口配置寄存器分为高低两个，每4bit 控制一
个IO 口，所以端口配置低寄存器：CRL 控制这IO 口的低8 位，端口配置高寄存器：CRH
控制这IO 口的高8bit。在4 位一组的控制位中，CNFy[1:0] 用来控制端口的输入输出，
MODEy[1:0]用来控制输出模式的速率，又称驱动电路的响应速度，注意此处速率与程序无关，具体内容见文章：【嵌入式】GPIO引脚速度、翻转速度、输出速度区别
输入有4种模式，输出有4种模式，我们在控制LED 的时候选择通用推挽输出。
输出速率有三种模式：2M、10M、50M，这里我们选择2M。
电平控制：
STM32 的IO 口比较复杂，如果要输出1 和0，则要通过控制：端口输出数据寄存
器ODR 来实现，ODR 是：Output data register 的简写，在STM32 里面，其寄存器的命名
名称都是英文的简写，很容易记住。从手册上我们知道ODR 是一个32 位的寄存器，低16
位有效，高16 位保留。低16 位对应着IO0~IO16，只要往相应的位置写入0 或者1 就可以
输出低或者高电平。
第一层级：基地址宏定义
时钟控制：
在STM32 中，每个外设都有一个起始地址，叫做外设基地址，外设的寄存器就以这个基地址为标准按照顺序排列，且每个寄存器32位，（后面作为结构体里面的成员正好内存对齐）。查表看到时钟由APB2 外设时钟使能寄存器(RCC_APB2ENR)来控制，其中PB 端口的时钟由该寄存器的位3 写1 使能。我们可以通过基地址+偏移量0x18，算出RCC_APB2ENR 的地址为：0x40021018。那么使能PB 口的时钟代码则如下所示：
#define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018
// 开启端口B 时钟
RCC_APB2ENR |= 1<<3;
模式配置：
同RCC_APB2ENR 一样，GPIOB 的起始地址是：0X4001 0C00，我们也可以算出GPIO_CRL 的地址为：0x40010C00。那么设置PB0 为通用推挽输出，输出速率为2M 的代码则如下所示：
同上，从手册中我们看到ODR 寄存器的地址偏移是：0CH，可以算出GPIOB_ODR 寄存器的地址是：0X4001 0C00 + 0X0C = 0X4001 0C0C。现在我们就可以定义GPIOB_ODR 这个寄存器了，代码如下：
#define GPIOB_ODR *(volatile unsigned long *)0x40010C0C
//PB0 输出低电平
GPIOB_ODR = 0<<0;
第一层级：基地址宏定义完成用STM32 控制一个LED 的完整代码：
1 #define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018
2 #define GPIOB_CRL *(volatile unsigned long *)0x40010C00
3 #define GPIOB_ODR *(volatile unsigned long *)0x40010C0C
45
int main(void)
6 {
7 // 开启端口B 的时钟
8 RCC_APB2ENR |= 1<<3;
9
10 // 配置PB0 为通用推挽输出模式，速率为2M
11 GPIOB_CRL = (2<<0) | (0<<2);
12
13 // PB0 输出低电平，点亮LED
14 GPIOB_ODR = 0<<0;
15 }
16
17 void SystemInit(void)
18 {
19 }
第二层级：基地址宏定义+结构体封装
外设寄存器结构体封装
上面我们在操作寄存器的时候，操作的是寄存器的绝对地址，如果每个寄存器都这样操作，那将非常麻烦。我们考虑到外设寄存器的地址都是基于外设基地址的偏移地址，都是在外设基地址上逐个连续递增的，每个寄存器占 32 个或者 16 个字节，这种方式跟结构体里面的成员类似。所以我们可以定义一种外设结构体，结构体的地址等于外设的基地址，结构体的成员等于寄存器，成员的排列顺序跟寄存器的顺序一样。这样我们操作寄存器的时候就不用每次都找到绝对地址，只要知道外设的基地址就可以操作外设的全部寄存器，即操作结构体的成员即可。
下面我们先定义一个 GPIO 寄存器结构体，结构体里面的成员是 GPIO 的寄存器，成员的顺序按照寄存器的偏移地址从低到高排列，成员类型跟寄存器类型一样。（struct用法参考【C语言】（2）:关键字的详细介绍）
1 typedef struct {
2 volatile uint32_t CRL;
3 volatile uint32_t CRH;
4 volatile uint32_t IDR;
5 volatile uint32_t ODR;
6 volatile uint32_t BSRR;
7 volatile uint32_t BRR;
8 volatile uint32_t LCKR;
9 } GPIO_TypeDef;
在《STM32 中文参考手册》8.2 寄存器描述章节，我们可以找到结构体里面的7 个寄
存器描述。在点亮LED 的时候我们只用了CRL 和ODR 这两个寄存器，至于其他寄存器的
功能大家可以自行看手册了解。
在GPIO 结构体里面我们用了两个数据类型，一个是uint32_t，表示无符号的32 位整
型，因为GPIO 的寄存器都是32 位的。这个类型声明在标准头文件stdint.h 里面使用typedef
对unsigned int重命名，我们在程序上只要包含这个头文件即可。
另外一个是volatile（volatile用法参考【C语言】（2）:关键字的详细介绍），作用就是告诉
编译器这里的变量会变化不因优化而省略此指令，必须每次都直接读写其值，这样就能确保每
次读或者写寄存器都真正执行到位。
外设封装
STM32F1 系列的GPIO 端口分A~G，即
GPIOA、GPIOB。。。。。。GPIOG。每个端口都含有GPIO_TypeDef 结构体里面的寄存
器，我们可以根据手册各个端口的基地址把GPIO 的各个端口定义成一个GPIO_TypeDef 类型
指针，然后我们就可以根据端口名（实际上现在是结构体指针了）来操作各个端口的寄存器，
代码实现
如下：
1 #define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 0800)
2 #define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 0C00)
3 #define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1000)
4 #define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1400)
5 #define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1800)
6 #define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1C00)
7 #define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 2000)
外设内存映射
讲到基地址的时候我们再引人一个知识点：Cortex-M3 存储器系统，这个知识点在
《Cortex-M3 权威指南》第5 章里面讲到。CM3 的地址空间是4GB，如下图所示：
我们这里要讲的是片上外设，就是我们所说的寄存器的根据地，其大小总共有
512MB，512MB 是其极限空间，并不是每个单片机都用得完，实际上各个MCU 厂商都只
是用了一部分而已。STM32F1 系列用到了：0x4000 0000 ~0x5003 FFFF。
现在我们说的STM32 的寄存器就是位于这个区域
-
APB1、APB2、AHB 总线基地址
现在我们说的STM32 的寄存器就是位于这个区域，这里面ST 设计了三条总线：
AHB、APB2 和APB1，其中AHB 和APB2 是高速总线，APB1 是低速总线。不同的外设
根据速度不同分别挂载到这三条总线上。从下往上依次是：APB1、APB2、AHB，每个总
线对应的地址分别是：APB1：0x40000000，APB2：0x4001 0000，AHB：0x4001 8000。
这三条总线的基地址我们是从《STM32 中文参考手册》2.3 小节—存储器映像得到
的：APB1 的基地址是TIM2 定时器的起始地址，APB2 的基地址是AFIO 的起始地址，
AHB 的基地址是SDIO 的起始地址。
其中APB1 地址又叫做外设基地址，是所有外设的基地址，叫做PERIPH_BASE。
现在我们把这三条总线地址用宏定义出来，以后我们在定义其他外设基地址的时候，
只需要在这三条总线的基址上加上偏移地址即可，代码如下：
1 #define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)
2 #define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
3 #define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000)
4 #define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x20000)-
GPIO 端口基地址
因为GPIO 挂载到APB2 总线上，那么现在我们就可以根据APB2 的基址算出各个
GPIO 端口的基地址，用宏定义实现代码如下：
1 #define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
2 #define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
3 #define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
4 #define GPIOD_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)
5 #define GPIOE_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1800)
6 #define GPIOF_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1C00)
7 #define GPIOG_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x2000)
第二层级：基地址宏定义+结构体封装完成用STM32 控制一个LED 的完整代码：
1 #include <stdint.h>
2 #define __IO volatile
3
4typedef struct {
5 __IO uint32_t CRL;
6 __IO uint32_t CRH;
7 __IO uint32_t IDR;
8 __IO uint32_t ODR;
9 __IO uint32_t BSRR;
10 __IO uint32_t BRR;
11 __IO uint32_t LCKR;
12 } GPIO_TypeDef;
13
14 typedef struct {
15 __IO uint32_t CR;
16 __IO uint32_t CFGR;
17 __IO uint32_t CIR;
18 __IO uint32_t APB2RSTR;
19 __IO uint32_t APB1RSTR;
20 __IO uint32_t AHBENR;
21 __IO uint32_t APB2ENR;
22 __IO uint32_t APB1ENR;
23 __IO uint32_t BDCR;
24 __IO uint32_t CSR;
25 } RCC_TypeDef;
26
27 #define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)
28
29 #define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
30 #define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000)
31 #define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x20000)
32
33 #define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
34 #define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
35 #define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
36 #define GPIOD_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)
37 #define GPIOE_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1800)
38 #define GPIOF_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1C00)
39 #define GPIOG_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x2000)
40 #define RCC_BASE (AHBPERIPH_BASE + 0x1000)
41
42 #define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
43 #define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
44 #define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
45 #define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)
46 #define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)
47 #define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)
48 #define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)
49 #define RCC ((RCC_TypeDef *) RCC_BASE)
50
51
52 #define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018
53 #define GPIOB_CRL *(volatile unsigned long *)0x40010C00
54 #define GPIOB_ODR *(volatile unsigned long *)0x40010C0C
55
56 int main(void)
57 {
58 // 开启端口B 的时钟
59 RCC->APB2ENR |= 1<<3;
60
61 // 配置PB0 为通用推挽输出模式，速率为2M
62 GPIOB->CRL = (2<<0) | (0<<2);
63
64 // PB0 输出低电平，点亮LED
65 GPIOB->ODR = 0<<0;
66
67 }
68
69 void SystemInit(void)
70 {
71 }
第二层级变化：
①、定义一个外设（GPIO）寄存器结构体，结构体的成员包含该外设的所有寄存器，
成员的排列顺序跟寄存器偏移地址一样，成员的数据类型跟寄存器的一样。
②外设内存映射，即把地址跟外设建立起一一对应的关系。
③外设声明，即把外设的名字定义成一个外设寄存器结构体类型的指针。
④通过结构体操作寄存器，实现点亮LED。
第三层级：基地址宏定义+结构体封装+“位封装”（每一位的对应字节封装）
上面我们在控制GPIO 输出内容的时候控制的是ODR（Output data register）寄存器，
ODR 是一个16 位的寄存器，必须以字的形式控制
其实我们还可以控制BSRR 和BRR 这两个寄存器来控制IO 的电平，下面我们简单介
绍下BRR 寄存器的功能，BSRR 自行看手册研究。
位清除寄存器BRR 只能实现位清0 操作，是一个32 位寄存器，低16 位有效，写0 没
影响，写1 清0。
现在我们要使PB0 输出低电平，点亮LED，则只要往BRR 的BR0 位写1 即可，其他
位为0，代码如下：
1 GPIOB->BRR = 0X0001;
这时PB0 就输出了低电平，LED 就被点亮了。
如果要PB2 输出低电平，则是：
1 GPIOB->BRR = 0X0004;
如果要PB3/4/5/6。。。。。。这些IO 输出低电平呢？道理是一样的，只要往BRR 的
相应位置赋不同的值即可。因为BRR 是一个16 位的寄存器，位数比较多，赋值的时候容
易出错，而且从赋值的16 进制数字我们很难清楚的知道控制的是哪个IO。这时，我们是
否可以把BRR 的每个位置1 都用宏定义来实现，如GPIO_Pin_0 就表示0X0001，
GPIO_Pin_2 就表示0X0004。只要我们定义一次，以后都可以使用，而且还见名知意。
“位封装”（每一位的对应字节封装） 代码如下：
1 #define GPIO_Pin_0 ((uint16_t)0x0001) /*!< Pin 0 selected */
2 #define GPIO_Pin_1 ((uint16_t)0x0002) /*!< Pin 1 selected */
3 #define GPIO_Pin_2 ((uint16_t)0x0004) /*!< Pin 2 selected */
4 #define GPIO_Pin_3 ((uint16_t)0x0008) /*!< Pin 3 selected */
5 #define GPIO_Pin_4 ((uint16_t)0x0010) /*!< Pin 4 selected */
6 #define GPIO_Pin_5 ((uint16_t)0x0020) /*!< Pin 5 selected */
7 #define GPIO_Pin_6 ((uint16_t)0x0040) /*!< Pin 6 selected */
8 #define GPIO_Pin_7 ((uint16_t)0x0080) /*!< Pin 7 selected */
9 #define GPIO_Pin_8 ((uint16_t)0x0100) /*!< Pin 8 selected */
10 #define GPIO_Pin_9 ((uint16_t)0x0200) /*!< Pin 9 selected */
11 #define GPIO_Pin_10 ((uint16_t)0x0400) /*!< Pin 10 selected */
12 #define GPIO_Pin_11 ((uint16_t)0x0800) /*!< Pin 11 selected */
13 #define GPIO_Pin_12 ((uint16_t)0x1000) /*!< Pin 12 selected */
14 #define GPIO_Pin_13 ((uint16_t)0x2000) /*!< Pin 13 selected */
15 #define GPIO_Pin_14 ((uint16_t)0x4000) /*!< Pin 14 selected */
16 #define GPIO_Pin_15 ((uint16_t)0x8000) /*!< Pin 15 selected */
17 #define GPIO_Pin_All ((uint16_t)0xFFFF) /*!< All pins selected */1 GPIOB->BRR = GPIO_Pin_0;（如果同时让PB0/PB15输出低电平，用或运算，代码：
1 GPIOB->BRR = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_15;
为了不使main 函数看起来冗余，上述库封装 的代码不应该放在main 里面，因
为其是跟GPIO 相关的，我们可以把这些宏放在一个单独的头文件里面。
在工程目录下新建stm32f10x_gpio.h，把封装代码放里面，然后把这个
文件添加到工程里面。这时我们只需要在main.c 里面包含这个头文件即可。
第四层级：基地址宏定义+结构体封装+“位封装”+函数封装
我们点亮LED 的时候，控制的是PB0 这个IO，如果LED 接到的是其他IO，我们就
需要把GPIOB 修改成其他的端口，其实这样修改起来也很快很方便。但是为了提高程序的
可读性和可移植性，我们是否可以编写一个专门的函数用来复位GPIO 的某个位，这个函
数有两个形参，一个是GPIOX（X=A...G），另外一个是GPIO_Pin（0...15），函数的主体
则是根据形参GPIOX 和GPIO_Pin 来控制BRR 寄存器，代码如下：
1 void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
2 {
3 GPIOx->BRR = GPIO_Pin;
4 }
这时，PB0 输出低电平，点亮LED 的代码就变成了：
1 GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);
同理， 我们可以控制BSRR 这个寄存器来实现关闭LED，代码如下：
1 // GPIO 端口置位函数
2 void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
3 {
4 GPIOx->BSRR = GPIO_Pin;
5 }
这时，PB0 输出高电平，关闭LED 的代码就变成了：
1 GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);
同样，因为这个函数是控制GPIO 的函数，我们可以新建一个专门的文件来放跟gpio
有关的函数。
在工程目录下新建stm32f10x_gpio.c，把GPIO 相关的函数放里面。
这时我们是否发现刚刚新建了一个头文件stm32f10x_gpio.h，这两个文件存放的都是
跟外设GPIO 相关的。C 文件里面的函数会用到h 头文件里面的定义，这两个文件是相辅
相成的，故我们在stm32f10x_gpio.c 文件中也包含stm32f10x_gpio.h 这个头文件。别忘了把
stm32f10x.h 这个头文件也包含进去，因为有关寄存器的所有定义都在这个头文件里面。
如果我们写其他外设的函数，我们也应该跟GPIO 一样，新建两个文件专门来存函
数，比如RCC 这个外设我们可以新建stm32f10x_rcc.c 和stm32f10x_rcc.h。其他外依葫芦
画瓢即可。
（5）实例编写
以上，是对库封住过程的概述，下面我们正在地使用库函数编写LED程序
①管理库的头文件
当我们开始调用库函数写代码的时候，有些
库我们不需要，在编译的时候可以不编译，可以通过一个总的头文件stm32f10x_conf.h 来
控制，该头文件主要代码如下：
1 //#include "stm32f10x_adc.h"
2 //#include "stm32f10x_bkp.h"
3 //#include "stm32f10x_can.h"
4 //#include "stm32f10x_cec.h"
5 //#include "stm32f10x_crc.h"
6 //#include "stm32f10x_dac.h"
7 //#include "stm32f10x_dbgmcu.h"
8 //#include "stm32f10x_dma.h"
9 //#include "stm32f10x_exti.h"
10 //#include "stm32f10x_flash.h"
11 //#include "stm32f10x_fsmc.h"
12 #include "stm32f10x_gpio.h"
13 //#include "stm32f10x_i2c.h"
14 //#include "stm32f10x_iwdg.h"
15 //#include "stm32f10x_pwr.h"
16 #include "stm32f10x_rcc.h"
17 //#include "stm32f10x_rtc.h"
18 //#include "stm32f10x_sdio.h"
19 //#include "stm32f10x_spi.h"
20 //#include "stm32f10x_tim.h"
21 //#include "stm32f10x_usart.h"
22 //#include "stm32f10x_wwdg.h"
23 //#include "misc.h"
这里面包含了全部外设的头文件，点亮一个LED 我们只需要RCC 和GPIO 这两个外
设的库函数即可，其中RCC 控制的是时钟，GPIO 控制的具体的IO 口。所以其他外设库函
数的头文件我们注释掉，当我们需要的时候就把相应头文件的注释去掉即可。
stm32f10x_conf.h 这个头文件在stm32f10x.h 这个头文件的最后面被包含，在第8296
行：
1 #ifdef USE_STDPERIPH_DRIVER
2 #include "stm32f10x_conf.h"
3 #endif
代码的意思是，如果定义了USE_STDPERIPH_DRIVER 这个宏的话，就包含
stm32f10x_conf.h 这个头文件。我们在新建工程的时候，在魔术棒选项卡C/C++中，我们定
义了USE_STDPERIPH_DRIVER 这个宏，所以stm32f10x_conf.h 这个头文件就被
stm32f10x.h 包含了，我们在写程序的时候只需要调用一个头文件：stm32f10x.h 即可。（预
处理指令详细内容会在【C语言】的文章中提到）
②编写LED 初始化函数
经过寄存器点亮LED 的操作，我们知道操作一个GPIO 输出的编程要点大概如下：
1、开启GPIO 的端口时钟
2、选择要具体控制的IO 口，即pin
3、选择IO 口输出的速率，即speed
4、选择IO 口输出的模式，即mode
5、输出高/低电平
STM32 的时钟功能非常丰富，配置灵活，为了降低功耗，每个外设的时钟都可以独自
的关闭和开启。STM32 中跟时钟有关的功能都由RCC 这个外设控制，RCC 中有三个寄存
器控制着所以外设时钟的开启和关闭：RCC_APHENR、RCC_APB2ENR 和
RCC_APB1ENR，AHB、APB2 和APB1 代表着三条总线，所有的外设都是挂载到这三条
总线上，GPIO 属于高速的外设，挂载到APB2 总线上，所以其时钟有RCC_APB2ENR 控
制。
GPIO 时钟控制
固件库函数：RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE)函数的
原型为：
1 void RCC_APB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB2Periph,
FunctionalState NewState)
2 {
3 /* Check the parameters */
4 assert_param(IS_RCC_APB2_PERIPH(RCC_APB2Periph));
5 assert_param(IS_FUNCTIONAL_STATE(NewState));
6 if (NewState != DISABLE) {
7 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2Periph;
8 } else {
9 RCC->APB2ENR &= ~RCC_APB2Periph;
10 }
11 }
当程序编译一次之后，把光标定位到函数/变量/宏定义处，按键盘的F12 或鼠标右键
的Go to definition of，就可以找到原型。固件库的底层操作的就是RCC 外设的APB2ENR
这个寄存器，宏RCC_APB2Periph_GPIOB 的原型是：0x00000008，即（1<<3），还原成
存器操作就是：RCC->APB2ENR |= 1<<<3。相比固件库操作，寄存器操作的代码可读性
就很差，只有才查阅寄存器配置才知道具体代码的功能，而固件库操作恰好相反，见名知
意。
GPIO 端口配置
GPIO 的pin，速度，模式，都由GPIO 的端口配置寄存器来控制，其中IO0~IO7 由端
口配置低寄存器CRL 控制，IO8~IO15 由端口配置高寄存器CRH 配置。
固件库把端口配置的pin，速度和模式封装成一个结构体：
1 typedef struct {
2 uint16_t GPIO_Pin;
3 GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;
4 GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;
5 } GPIO_InitTypeDef;
pin 可以是GPIO_Pin_0~GPIO_Pin_15 或者是GPIO_Pin_All，这些都是库预先定义好的
宏。
speed 也被封装成一个结构体：
1 typedef enum {
2 GPIO_Speed_10MHz = 1,
3 GPIO_Speed_2MHz,
4 GPIO_Speed_50MHz
5 } GPIOSpeed_TypeDef;
速度可以是10M，2M 或者50M，这个由端口配置寄存器的MODE 位控制，速度是针
对IO 口输出的时候而言，在输入的时候可以不用设置。
mode 也被封装成一个结构体：
1 typedef enum {
2 GPIO_Mode_AIN = 0x0, // 模拟输入
3 GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, // 浮空输入（复位后的状态）
4 GPIO_Mode_IPD = 0x28, // 下拉输入
5 GPIO_Mode_IPU = 0x48, // 上拉输入
6 GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, // 通用开漏输出
7 GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, // 通用推挽输出
8 GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, // 复用开漏输出
9 GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 // 复用推挽输出
10 } GPIOMode_TypeDef;
IO 口的模式有8 种，输入输出各4 种，由端口配置寄存器的CNF 配置。平时用的最多
的就是通用推挽输出，可以输出高低电平，驱动能力大，一般用于接数字器件。至于剩下
的七种模式的用法和电路原理，我们在后面的GPIO 章节再详细讲解。
最终用固件库实现就变成这样：
1 // 定义一个GPIO_InitTypeDef 类型的结构体
2 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
3
4// 选择要控制的IO 口
5 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
6
7// 设置引脚为推挽输出
8 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
9
10 // 设置引脚速率为50MHz
11 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
12
13 /*调用库函数，初始化GPIOB0*/
14 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
倘若同一端口下不同引脚有不同的模式配置，每次对每个引脚配置完成后都要调用GPIO初始化函数，代码如下：
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15 ;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; //上拉输入
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 ;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO 输出控制
GPIO 输出控制，可以通过端口数据输出寄存器ODR、端口位设置/清除寄存器BSRR
和端口位清除寄存器BRR 这三个来控制。
端口输出寄存器ODR 是一个32 位的寄存器，低16 位有效，对应着IO0~IO15，只能
以字的形式操作，一般使用寄存器操作。
// PB0 输出高电平，点亮LED
GPIOB->ODR = 1<<0;
端口位清除寄存器BRR 是一个32 位的寄存器，低十六位有效，对应着IO0~IO15，只
能以字的形式操作，可以单独对某一个位操作，写1 清0。
// PB0 输出低电平，点亮LED
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
BSRR 是一个32 位的寄存器，低16 位用于置位，写1 有效，高16 位用于复位，写1
有效，相当于BRR 寄存器。高16 位我们一般不用，而是操作BRR 这个寄存器，所以
BSRR 这个寄存器一般用来置位操作。
// PB0 输出高电平，熄灭LED
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
综上：固件库LED GPIO 初始化函数
1 void LED_GPIO_Config(void)
2 {
3 // 定义一个GPIO_InitTypeDef 类型的结构体
4 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
5
6// 开启GPIOB 的时钟
7 RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
8
9// 选择要控制的IO 口
10 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
11
12 // 设置引脚为推挽输出
13 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
14
15 // 设置引脚速率为50MHz
16 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
17
18 /*调用库函数，初始化GPIOB0*/
19 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
20
21 // 关闭LED
22 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
23 }
主函数
1 #include "stm32f10x.h"
2
3
void SOFT_Delay(__IO uint32_t nCount);
4 void LED_GPIO_Config(void);
5
6int main(void)
7 {
8 // 程序来到main 函数之前，启动文件：statup_stm32f10x_hd.s 已经调用
9 // SystemInit()函数把系统时钟初始化成72MHZ
10 // SystemInit()在system_stm32f10x.c 中定义
11 // 如果用户想修改系统时钟，可自行编写程序修改
12
13 LED_GPIO_Config();
14
15 while ( 1 ) {
16 // 点亮LED
17 GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
18 Time_Delay(0x0FFFFF);
19
20 // 熄灭LED
21 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
22 Time_Delay(0x0FFFFF);
23 }
24 }
25// 简陋的软件延时函数
26 void Time_Delay(volatile uint32_t Count)
27 {
28 for (; Count != 0; Count--);
29 }
注意void Time_Delay(volatile uint32_t Count)只是一个简陋的软件延时函数，如果小伙伴们有兴趣可以看一看MultiTimer，它是一个软件定时器扩展模块，可无限扩展所需的定时器任务，取代传统的标志位判断方式， 更优雅更便捷地管理程序的时间触发时序。
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