《M144Z-M3最小系统板使用指南——STM32F103版》第五章 STM32基础知识入门

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第五章 STM32基础知识入门

1）实验平台：正点原子 M144Z-M3 STM32F103最小系统板

2) 章节摘自【正点原子】M144Z-M3最小系统板使用指南——STM32F103版

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本章着重介绍STM32的一些基础知识，令读者对STM32有一个初步的了解，为后面的章节学习做铺垫。对于本章的内容，读者可以先只看一个大概，在后面需要使用到这部分知识点的时候，再回过头来仔细看。

本章分为如下几个小节：

5.1 C语言基础知识复习

5.2 寄存器基础知识

5.3 STM32F103系统架构

5.1 C语言基础知识复习

本节介绍C语言的基础知识，对C语言比较熟练的读者，可以跳过本节，对于基础比较薄弱的读者，建议好好学习一下本节的内容。

由于C语言博大精深，不可能由一小节的内容就全讲明白，所以本节知识回顾在进行STM32开发时常用的几个C语言知识点，以便读者的更好的学习本书后续的内容，并编写相关的代码。

5.1.1 位操作

C语言的位操作就是对基本类型变量进行位级别的操作。本节的内容比较简单，这里也就点到为止，不深入探讨。下面先讲解几种位操作运算符，然后介绍其相关的使用技巧。C语言支持如下6种位操作的运算符：

表5.1.1.1 6种位操作的运算符

下面介绍这些位操作运算符的使用技巧。

①：在不改变其他位的状况下，对某几个位进行设值

这个场景在单片机开发中经常使用，方法就是先对需要设置的位用&运算符进行清零操作，然后用|运算符设值。例如要设置GPIOA的ODATA寄存器Bit6（第6位）为1，则可以先使用&运算符对该寄存器的Bit6进行清零操作：

1. GPIOA->ODATA &= 0xFFFFFFBF;    /* 将Bit6清0 */

复制代码

然后再使用|运算符对该寄存器的Bit6进行置1操作：

1. GPIOA->ODATA |= 0x00000040;    /* 将Bit6置1 */

复制代码

②：移位操作提高代码的可读性

例如①中|操作使用到的0x00000040，虽然通过换算，可以知道是将Bit6置1，但是这样的表达可读性比较差，可以通过移位操作对其进行改进：

1. GPIOA->ODATA |= (1 << 6);      /* 将Bit6置1 */

复制代码

这么一来，就可以非常直观地看出是将Bit6置1了。

③：按位取反操作使用技巧

②中使用移位操作改进①中仅使用|运算将Bit6置1的可读性，但要改进①中使用&运算将Bit6清0的可读性还需借助按位取反操作：

1. GPIOA->ODATA &= ~(1 << 6);     /* 将Bit6清0 */

复制代码

这么一来，就可以非常直观地看出是将Bit6清0了。

④：按位异或操作使用技巧

按位异或可以很方便地对Bit位进行翻转，例如不考虑LED当前是何种状态，只要求控制LED翻转状态等情况（假设LED的亮灭状态由PA6输出的高低电平控制）：

1. GPIOA->ODATA ^= (1 << 6);      /* Bit6的值取反 */

复制代码

这么一来，就可以很方便地操作PA6引脚输出相反的电平，而不用先读取PA6输出的电平状态然后才输出相反的电平。

5.1.2 define宏定义

define是C语言中的预处理命令，它用于宏定义，可以提高源代码的可读性，为编程提供方便，其常见的格式如下：

1. #define 标识符   字符串

复制代码

“标识符”为所定义宏的名称；“字符串”可以是常数、表达式、格式串等。例如：

1. #define HSE_VALUE 8000000U

复制代码

定义标识符HSE_VALUE的值为8000000U，数字后的U是unsigned（无符号）的意思，随后便可在程序代码中使用HSE_VALUE来代替8000000U。

至于define宏定义的一些其他高级用法，例如宏定义带参数等，本章不过多介绍。

5.1.3 ifdef条件编译

在单片机程序开发过程中，经常会遇到需要在满足某些条件时对一段代码进行编译，而当条件不满足或满足另一条件时编译另一段代码，这就可以使用条件编译，条件编译最常见的形式如下：

1. #ifdef 标识符
   
2. 代码段1
   
3. #else
   
4. 代码段2
   
5. #endif

复制代码

如上的条件编译，当标识符被定义过（一般使用define进行定义），则代码段1会被编译，否则会编译代码段2。

5.1.4 extern外部申明

C语言中extern关键字用于修饰变量或函数，以表示变量或函数定义在别的文件中，提示编译器遇到此变量或函数时，需在其他文件中寻找其定义。这里要注意的是，可以使用extern多次在不同文件中修饰同一个变量或函数，但该变量或函数只能被定义一次

5.1.5 typedef类型别名

typedef用于为现有类型创建一个新的名字，或称为类型别名，用来简化变量的定义。例如在编写程序时经常使用到的uint8_t、uint16_t和uint32_t等都是由typedef定义的类型别名，其定义如下：

1. typedef unsigned char      uint8_t;
   
2. typedef unsigned short int uint16_t;
   
3. typedef unsigned int       uint32_t;

复制代码

这么一来就可以在编写程序代码的时候使用uint8_t等代替unsigned char等，极大地提高的代码的可读性可编写代码的效率。

5.1.6 struct结构体

struct用于定义结构体，结构体就是一堆变量的集合，结构体中的成员变量的作用一般都是相互关联的，定义结构体的形式如下：

1. struct 结构体名
   
2. {
   
3.     成员变量1的定义;
   
4.     成员变量2的定义;
   
5.     ......
   
6. };
   
7. 例如：
   
8. struct lcd_device_struct
   
9. {
   
10.     uint16_t width;
    
11.     uint16_t height;
    
12. };

复制代码

如上举例的结构体定义，一堆描述LCD屏幕的变量的集合，其中包含了LCD屏幕的宽度和高度。

结构体变量的定义如下：

1. struct lcd_device_struct lcd_device;

复制代码

如上，就定义了一个名为lcd_device的结构体变量，那么怎么访问这个结构体变量中的成员变量呢？如下：

1. lcd_device.width = 240;
   
2. printf("LCD Height: %d\n", lcd_device.height);

复制代码

如上就展示了结构体变量中成员变量的访问操作。

5.1.7 指针

指针是另一个变量的变量，指针变量在内存中保存的是另一个变量在内存中的地址，通过指针可以访问到另一个变量所在内存地址中的数据。

举一个定义指针的例子，如下：

1. char *p_str = "This is a string!";

复制代码

如上，就定义一个名为p_str的指针变量，并将p_str指针指向了字符串“This is a string!”保存在内存中首地址，对于STM32来说，此时p_str的值就是一个32位的数，这个数就是一个内存地址，这个内存地址就是上述字符串保存在内存中的首地址。

通过p_str指针就可以访问到字符串“This is a string!”，那具体是如何访问的呢？前面说p_str保存的是一个内存地址，那么就可以通过这个内存地址去内存中读取数据，通过*p_str就可以访问地址为p_str的内存数据，*(p_str + 1)可以访问下一个内存地址中的数据。

知道了如何访问内存中的数据，但是读取到的数据要如何解析呢？这就有p_str指针的类型决定了。在这个例子中p_str是一个char类型的指针，那么访问*p_str就是访问地址为p_str，大小为sizeof(char)（一般为一个字节）的一段内存数据，在这个例子中就可以读取到字符“T”， 读取*(p_str + 1)就是“h”，以此类推。

指针是C语言的精髓，但也是初学者望而生畏的一个知识点，若读者一时半会无法理解指针的用法也没关系，善用搜索引擎，网上有很多参考的学习资料。

5.2 寄存器基础知识

寄存器（Register）是一种特殊的内存，它主要用于实现控制和访问MCU的内核和各个片上外设。

对于STM32来说，寄存器一般都是32位的，但由于MCU上的内存资源十分宝贵，因此在一个32位寄存器中，会使用其中的1位或多位来控制或访问MCU的内核或各个片上外设的一种功能，但即使如此，STM32上也还是有上百个寄存器，这实际上是因为STM32有很多的片上外设导致的，只要将这些寄存器按照功能分好类，学起来就不难了。

从大方向来区分，STM32中的寄存器可分为两大类，分别为内核寄存器和外设寄存器，大类下还可以分出许多小类，如下表所示：

表5.2.1 STM32寄存器分类

对于初学者来说仅需在学习MCU的各个片上外设时，再去学习该片上外设相关的寄存器即可。

5.3 STM32F103系统架构

STM32F103是ST公司基于ARM授权Cortex-M3内核设计的一款芯片，而Cortex-M内核采用了ARM v7-M架构，具有低成本、低功耗、实时性好、中断响应快、处理效率高等特点。

5.3.1 Cortex-M3内核&芯片

ARM公司提供内核（例如Cortex-M3内核）授权，完成的MCU芯片还需要很多其他的组件。芯片公司（例如ST）在获取Cortex-M3内核授权后，就可以将其用于自己的芯片设计中，并添加存储器、外设、I/O等其他组件。同于型号的芯片也会有不同的规格，实际当大多数就是存储器容量、外设资源等的差异。

5.3.2 STM32F103系统框图

STM32F103的系统框图，如下图所示：                             

图5.3.2.1 STM32F103系统框图

从上图可以看出，STM32F103就是在ARM提供的Cortex-M3内核上通过各种总线，挂载了各种各样的外设和存储器。

5.3.3 地址映射

STM32是32位的MCU，因此其地址总线的宽度也是32位，因此最大可访问的内存空间为4GB（2^32=4GB），STM32就将这4GB的空间映射给各种寄存器和存储器。

STM32F103地址映射图，如下图所示：   

图5.3.3.1 STM32F103地址映射图