摘要：从STM32新建工程、编译下载程序出发，让新手由浅入深，尽享STM32标准库开发的乐趣。

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DMA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：

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

• 初始化堆栈指针 SP；

• 设置 PC 指针=Reset_Handler ；

• 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

• 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；

• 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：

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：

有了这个位定义，我们刚刚的代码就变成了：

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：

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，

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，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：

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：

第一层级：基地址宏定义完成用STM32控制一个LED的完整代码：

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。

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

这时PB0就输出了低电平的代码就变成了：

（如果同时让PB0/PB15输出低电平，用或运算，代码：

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：

这时，PB0输出低电平，点亮LED的代码就变成了：

同理， 我们可以控制BSRR这个寄存器来实现关闭LED，代码如下：

这时，PB0输出高电平，关闭LED的代码就变成了：

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：

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：

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