STM32F103C8T6开发板入门学习——寄存器和库函数介绍

学习目标：STM32F103C8T6开发板入门学习——寄存器和库函数介绍

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学习内容：

1. 寄存器介绍

1.1 存储器映射

存储器本身无固有地址，是具有特定功能的内存单元。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叫做存储区映射。给内存单元分配地址之后，就可以通过指针去操作内存地址。

1.2 存储器映射表

STM32作为32位单片机，地址范围为2³²（即4GB）。为降低相同应用场景下的软件复杂度，其存储映射按Cortex-M4处理器规则预先定义：

• 部分地址空间由Arm Cortex-M4的系统外设占用，且不可更改；
• 其余地址空间可由芯片供应商定义使用。

1.3 什么是寄存器

寄存器是具有特定功能的内存单元，通过操作这些单元可驱动外设工作。按功能可分为：

• 指令寄存器、地址寄存器、数据寄存器；
• 处理器可通过相互独立的总线读取指令、加载/存储数据。

1.4 寄存器映射

程序存储器、数据存储器、寄存器和I/O端口位于同一4GB线性地址空间内：

• 每个寄存器对应不同功能，操作相应寄存器可配置对应功能；
• 控制外设时，可通过起始地址以C语言指针方式访问内存单元；
• 给已分配地址、有特定功能的内存单元取别名的过程，称为寄存器映射，该别名即寄存器。

1.5 寄存器重映射

给寄存器再次分配地址的过程称为寄存器重映射。

1.6 总线基地址

片上外设区域分为三条总线，按外设速度不同挂载相应外设：

• AHB总线：最高时钟可达72MHz；
• APB1总线：最高时钟可达36MHz；
• APB2总线：最高时钟可达72MHz。

根据外设速度的不同，不同的总线挂载着不同的外设。总线的最低地址我们称为该总线的基地址，总线基地址也是挂载在该总线上的首个外设的地址。

1.7 外设基地址

每条总线上挂载多个外设，每个外设均有自己的地址范围。

1.8 外设寄存器地址

在外设的地址范围内，分布着该外设的多个寄存器。以GPIO外设为例：

• GPIO外设地址范围内有多个寄存器，每个均有特定功能，通过操作对应寄存器可配置GPIO功能；
• 每个寄存器为32位，占4个字节。

1.9 如何操作寄存器

以“让GPIOA端口的16个引脚都置1”为例，操作步骤如下：

1. 确定目标寄存器：需配置端口输出寄存器GPIOx_ODR；
2. 计算寄存器地址：
   • 由中文参考手册第115页可知，GPIOx_ODR寄存器的地址偏移量为0x0C；
   • GPIOA端口的基地址为0x40010800；
   • 因此，GPIOx_ODR寄存器的地址为：0x40010800 + 0x0C = 0x4001080C。
     

通过上图可以了解到要想使能所有引脚配置为1,只需要将ODRy（y=0…15）对应的位置1即可。也就是配置GPIOA_ODR寄存器的高16位为0，低16位为1,换成十六进制就是0x0000FFFF。

1.通过绝对地址访问内存单元

// GPIOA 端口的16个引脚全部输出高电平
*(unsigned int*)(0x4001080C) = 0xFFFF;

说明：

• (unsigned int*)：将立即数0x4001080C强制转换为无符号整型指针，告诉编译器这是一个内存地址；
• *：对该地址进行解引用，访问地址对应的内存空间；
• 整体含义：向0x4001080C（GPIOA_ODR寄存器）对应的内存空间写入0xFFFF，实现GPIOA所有16个引脚输出高电平（低16位置1，高16位为0）。

2. 通过别名访问内存单元

为简化操作并增强可读性，可给寄存器地址定义别名：

方式一：定义地址指针

// 定义 GPIOA_ODR 地址指针
#define GPIOA_ODR (unsigned int*)(0x4001080C)// GPIOA 端口的16个引脚全部输出高电平
*GPIOA_ODR = 0xFFFF;

方式二：直接定义解引用的地址（更常用）

// 定义 GPIOA_ODR 并直接解引用
#define GPIOA_ODR (*(unsigned int*)(0x4001080C))// GPIOA 端口的16个引脚全部输出高电平
GPIOA_ODR = 0xFFFF;

• 优势：通过GPIOA_ODR这样的别名，可直观理解操作的是GPIOA的输出数据寄存器，无需记忆复杂的十六进制地址，提升代码可读性和可维护性。

2. 库函数介绍

2.1 为什么要使用库函数

从上一节可知，通过寄存器驱动外设虽可行，但STM32寄存器数量极多：

• 仅定义寄存器就需耗费大量时间，还需逐一查找其功能、地址并配置对应值，在开发难度和时间成本上均不划算。

库函数的出现正是为解决这一问题，其优势在于：

• 由STM32官方开发，可直接移植到工程中使用，大幅提升开发效率；
• 无需深入了解硬件底层机制，只需根据需求查找对应函数并调用，降低了开发门槛。

2.2 库函数简单介绍

在创建的工程模板中，包含STM32F1x的标准外设库，可通过打开stm32f10x_gpio.h和stm32f10x_gpio.c等文件查看具体实现。

本质上，库函数是在寄存器操作的基础上进行了封装：

• 底层仍通过操作寄存器实现功能，但上层提供了更简洁的函数接口，使开发操作更简单。

3. 寄存器和库函数的区别

寄存器和库函数最终均通过对地址操作实现功能，但二者存在明显差异，适用场景也不同：

• 原理与直观性：寄存器操作更易理解底层原理，过程直观；库函数则屏蔽了底层细节，直接面向应用功能。
• 代码量与冗余：库函数代码量相对更大，因函数需考虑多种使用场景，可能存在代码冗余；寄存器操作代码更精简。
• 开发难度与效率：库函数使用简单、易上手，可快速开发应用，能显著提高开发效率；寄存器操作需熟悉硬件细节，开发门槛更高。
• 资源占用与速度：寄存器操作占用内存少、执行速度快，在资源有限（如内存紧张）或对执行速度有高要求的场景下更具优势。

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学习时间：8月25日

1. 寄存器介绍

1.1 存储器映射

原文核心：存储器本身无固有地址，分配地址的过程称为存储区映射，映射后可通过指针操作内存单元。

个人理解：存储器就像一堆无编号的储物箱，“存储器映射”就是给每个箱子贴上限号（地址）。有了编号后，CPU才能通过“地址指针”准确找到并操作对应的存储单元。这是硬件与软件交互的基础——没有地址映射，软件就无法“定位”硬件资源。

1.2 存储器映射表

原文核心：STM32作为32位单片机，地址范围为4GB，部分地址由Cortex-M4内核占用（不可改），其余由芯片厂商定义。

个人理解：4GB地址空间是32位处理器的“理论上限”，就像一个巨大的“地址版图”。其中，Cortex-M4内核预留了部分区域（如系统外设），相当于“国家划定的保护区”，不可占用；剩下的区域由STM32厂商分配给片上外设（如GPIO、UART等），形成了固定的“地址规划”。这种标准化的映射表让不同开发者能基于同一套地址规则操作硬件，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内存单元，按功能分为指令、地址、数据寄存器，处理器通过独立总线访问。

个人理解：寄存器是硬件的“控制面板”。比如，指令寄存器存放当前要执行的指令，地址寄存器存放要访问的内存地址，数据寄存器临时存储运算数据。独立总线设计（如指令总线、数据总线）就像“专用通道”，避免了指令读取和数据传输的冲突，提高了CPU效率。简单说，寄存器是CPU与外设“对话”的直接窗口——操作寄存器就是在“告诉”硬件该做什么。

1.4 寄存器映射

原文核心：给已分配地址、有特定功能的内存单元取别名的过程，称为寄存器映射，别名即寄存器。

个人理解：假设某块内存单元的地址是0x4001080C，其功能是控制GPIOA的输出，我们给它起个名字“GPIOA_ODR”，这个过程就是寄存器映射。它的本质是“地址→功能别名”的映射，让开发者不用死记硬背冗长的十六进制地址，而是通过“GPIOA_ODR”这样直观的名字操作硬件，大幅降低了代码的理解难度。

1.6 总线基地址

原文核心：片上外设分为AHB（72MHz）、APB1（36MHz）、APB2（72MHz）三条总线，总线基地址是总线上首个外设的地址。

个人理解：总线就像“高速公路”，外设是“车辆”。AHB和APB2是“快车道”（72MHz），适合高速外设（如GPIO、SPI）；APB1是“慢车道”（36MHz），适合低速外设（如I2C、UART）。总线基地址是“高速路的起点”，比如AHB总线基地址是0x40010000，总线上的所有外设地址都从这个起点开始“编号”，方便按总线归类管理外设。

1.7 外设基地址

原文核心：每条总线上的外设都有自己的地址范围。

个人理解：如果总线是“高速公路”，外设就是路上的“服务区”，每个服务区有自己的“管辖范围”（地址范围）。比如，GPIOA挂在APB2总线上，其基地址是0x40010800，地址范围从0x40010800到下一个外设的基地址前，这样CPU就能通过地址范围准确区分不同外设（如GPIOA和GPIOB）。

1.8 外设寄存器地址

原文核心：外设地址范围内有多个寄存器，每个32位（4字节），对应特定功能（以GPIO为例）。

个人理解：一个外设（如GPIOA）就像一个“工具箱”，里面的每个“工具”（寄存器）对应不同功能：比如“GPIOA_CRL”控制低8位引脚模式，“GPIOA_ODR”控制输出电平。每个寄存器占4字节（32位），是因为STM32是32位处理器，一次可处理32位数据，这种设计能高效读写寄存器。

1.9 如何操作寄存器（以GPIOA引脚置1为例）

原文核心：步骤为“确定目标寄存器→计算地址→写入值”，并给出了具体示例。

个人理解：操作寄存器的本质是“地址+值”的精准控制。比如要让GPIOA所有引脚输出高电平，需找到“输出数据寄存器（ODR）”，计算其地址（GPIOA基地址+偏移量0x0C=0x4001080C），再写入0xFFFF（低16位置1）。这个过程像“按地址找到开关，再拨动开关”，需要对硬件地址和寄存器功能有清晰了解。

1. 通过绝对地址访问内存单元

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

个人理解：这种方式直接通过地址操作，优点是“直达底层”，缺点是可读性差——如果不查手册，没人知道0x4001080C是什么。适合对硬件极度熟悉的场景，或调试时快速验证功能。

2. 通过别名访问内存单元

原文给出两种方式：定义地址指针（#define GPIOA_ODR (unsigned int*)(0x4001080C)）或直接定义解引用地址（#define GPIOA_ODR (*(unsigned int*)(0x4001080C))）。

个人理解：这是实际开发中更推荐的方式。通过“GPIOA_ODR”这样的别名，代码可读性大幅提升，且修改时只需改宏定义，无需逐个修改地址。就像用“家门钥匙”代替“钥匙的物理编号”，更符合人类的记忆习惯。

2. 库函数介绍

2.1 为什么要使用库函数

原文核心：寄存器数量多，手动定义和配置耗时，库函数由官方开发，可直接移植，降低门槛、提高效率。

个人理解：STM32的外设和寄存器极其庞大（仅GPIO就有近10个寄存器，全芯片有上百个外设），如果每个寄存器都手动定义地址、查手册配置值，开发效率会极低。库函数就像“封装好的快捷指令”，比如要配置GPIO输出，直接调用GPIO_Init()即可，无需关心底层寄存器的地址和具体值，适合快速开发。

2.2 库函数简单介绍

原文核心：库函数基于寄存器操作封装，在stm32f10x_gpio.h等文件中实现，提供简洁接口。

个人理解：库函数不是“魔法”，其底层依然是操作寄存器。比如GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_All)函数，内部其实是对GPIOA_ODR寄存器写入0xFFFF。它的价值在于“抽象”——把复杂的寄存器配置逻辑（如时钟使能、模式设置、输出控制）打包成函数，让开发者只需关注“要做什么”，而非“怎么做”。

3. 寄存器和库函数的区别

原文从原理、代码量、开发效率、资源占用等方面对比了两者。

个人感悟：

• 寄存器是“手动挡”：直接操作硬件，代码精简、执行快，但需要深入了解硬件细节，开发门槛高，适合底层驱动开发或资源受限场景（如内存极小的设备）。
• 库函数是“自动挡”：屏蔽底层细节，开发效率高、易上手，但代码量较大（可能有冗余），执行速度略慢，适合应用层开发或快速原型验证。

实际开发中，两者并非对立：简单功能可用库函数快速实现，对性能要求高的部分（如中断处理）可结合寄存器操作优化。初学者建议先通过库函数入门，熟悉后再深入寄存器，理解底层原理。

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学习产出：

• 了解并学习STMSTM32F103C8T6开发板的寄存器和库函数介绍
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