stm32之GPIO库函数点灯分析

stm32官方为了方便开发者，利用CubeMX 生成HAL库有关的C代码。HAL库就是硬件抽象层(hardware abstraction layer)，生成一系列的函数帮助我们快速生成工程，脱离复杂的寄存器配置。stm32相对于51来功能强大，但是寄存器的数量也不是一个量级，单靠配置寄存器来做项目的话，进度会非常缓慢。但是在学习阶段还是有必要研究一个寄存器配置或者说研究HAL是如何操作寄存器的。

一、利用CubeMX 生成代码

具体怎么操作的这里就不讲解了，网上一大堆。实验用的开发板用的led，一端接到vcc,一端接到PB9(GPIO_B的第9个引脚)，当PB9输出低电平时，led就会亮，反之则灭。

生成的工程中，main函数内调用了MX_GPIO_Init函数，这个是GPIO_B_9引脚的初始化。

函数示例如下：

void MX_GPIO_Init(void)
{

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin Output Level */
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_9, GPIO_PIN_RESET);
  /*Configure GPIO pin : PB9 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

}

整个过程就是

1. 配置**__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE**时钟，
2. 配置GPIO_InitTypeDef变量，
3. 给GPIO_PIN_9进行reset操作，也是给引脚设置成0
4. HAL_GPIO_Init进行初始化。

1.1、 GPIO_InitTypeDef类型定义

typedef struct
{
  uint32_t Pin;       /*!< Specifies the GPIO pins to be configured.
                           This parameter can be any value of @ref GPIO_pins_define */

  uint32_t Mode;      /*!< Specifies the operating mode for the selected pins.
                           This parameter can be a value of @ref GPIO_mode_define */

  uint32_t Pull;      /*!< Specifies the Pull-up or Pull-Down activation for the selected pins.
                           This parameter can be a value of @ref GPIO_pull_define */

  uint32_t Speed;     /*!< Specifies the speed for the selected pins.
                           This parameter can be a value of @ref GPIO_speed_define */
} GPIO_InitTypeDef;

结构体内部有四个成员变量

• Pin: 要配置的引脚
• Mode: 要配置的模式，输入或输出
• Pull: 配置上拉、下拉或者两者都不
• Speed：这里的speed暂时有三种模式，low(2MHZ), medium(10MHZ), high(50MHZ),后续会有说明

引脚有两种状态，0或1，定义如下

typedef enum
{
  GPIO_PIN_RESET = 0u,
  GPIO_PIN_SET
} GPIO_PinState;

1.2、给GPIOB开启时钟

在stm32中每个片上外设都有对应的时钟，所以在使用时都需要开启。GPIOB时钟开启的代码如下所示

#define __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()   do { \
                                        __IO uint32_t tmpreg; \
                                        SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPBEN);\
                                        /* Delay after an RCC peripheral clock enabling */\
                                        tmpreg = READ_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPBEN);\
                                        UNUSED(tmpreg); \
                                      } while(0U)

代码里面就是搞了一个宏进行设置的。其中__IO 也是一个宏，它的类型是volatile,意为"直接存取原始内存地址"。

1.2.1、 SET_BIT是一个宏，作用就是将寄存器的某一个设置成1。

#define SET_BIT(REG, BIT)     ((REG) |= (BIT))

另外所有GPIO是挂载到APB2总线上的，

SET_BIT的第一个参数是APB2ENR，这里就涉及到RCC_APB2ENR寄存器。

所有外设都需要时钟驱动，这里用到的是GPIO_B, 所以要把RCC_APB2ENR中的第3位置1。

SET_BIT的第二个参数是一个宏

#define RCC_APB2ENR_IOPBEN_Pos               (3U)                              
#define RCC_APB2ENR_IOPBEN_Msk               (0x1UL << RCC_APB2ENR_IOPBEN_Pos)  /*!< 0x00000008 */
#define RCC_APB2ENR_IOPBEN                   RCC_APB2ENR_IOPBEN_Msk            /*!< I/O port B clock enable */

它代表的意思是通过移位将第3位(从0开始数)变成1，其它位都是0。

这样一来 **SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPBEN)**代表的意思就是将RCC_APB2ENR寄存器中的第三位置1，也即使能GPIOB。

另外一点是RCC_APB2ENR_IOPBEN 寄存器的获取是通过RCC->APB2ENR这种形式。这里又涉及到RCC的问题。

1.2.2、RCC相关寄存器

RCC内部包括一系列和时钟相关的寄存器，当然也包括APB2ENR。RCC是一个宏，我把相关代码集中到一块如下所示

// 所有外设的基址
#define PERIPH_BASE           0x40000000UL /*!< Peripheral base address in the alias region */

// 这里AHB的基址
#define AHBPERIPH_BASE        (PERIPH_BASE + 0x00020000UL)

// RCC 是挂载到AHB上的
define RCC_BASE              (AHBPERIPH_BASE + 0x00001000UL)

// RCC 包括众多寄存器，这里通过C语言的结构体和指针进行操作,将RCC的地址绑定到RCC_BASE
#define RCC                 ((RCC_TypeDef *)RCC_BASE)

typedef struct
{
  __IO uint32_t CR;
  __IO uint32_t CFGR;
  __IO uint32_t CIR;
  __IO uint32_t APB2RSTR;
  __IO uint32_t APB1RSTR;
  __IO uint32_t AHBENR;
  __IO uint32_t APB2ENR;
  __IO uint32_t APB1ENR;
  __IO uint32_t BDCR;
  __IO uint32_t CSR;


} RCC_TypeDef

通过上面的操作，就可以利用RCC这个指针来操作各个寄存器，RCC内的变量都是按照寄存器的顺序排列的。这里再强制一点，RCC是挂载到AHB总线上的，所以它的地址是相对AHB总线进行偏移的。

1.2.3、READ_BIT

知道了SET_BIT, 那么READ_BIT也清楚了，采取的操作都差不多，作用就是取出指定的位。

将要取出的位置1，其它位全部是0，这样就取出了指定位。

#define READ_BIT(REG, BIT)    ((REG) & (BIT))

1.3、HAL_GPIO_WritePin

这个函数的定义如下：

void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState)
{
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));
  assert_param(IS_GPIO_PIN_ACTION(PinState));

  if (PinState != GPIO_PIN_RESET)
  {
    GPIOx->BSRR = GPIO_Pin;
  }
  else
  {
    GPIOx->BSRR = (uint32_t)GPIO_Pin << 16u;
  }
}

这里可以看到主要是设置寄存器BSRR。这个函数传入的第一个参数是GPIOB，GPIOB的配置和上面说的RCC采用相似的策略

// 所有外设的基址
#define PERIPH_BASE           0x40000000UL /*!< Peripheral base address in the alias region */

// APB2总线基址
#define APB2PERIPH_BASE       (PERIPH_BASE + 0x00010000UL)
// GPIOB总线基址，GPIO是挂载到APB2上的
#define GPIOB_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x00000C00UL)
// GPIOB 包括众多寄存器，这里通过C语言的结构体和指针进行操作,将GPIOB的地址绑定到GPIOB_BASE
#define GPIOB               ((GPIO_TypeDef *)GPIOB_BASE)

typedef struct
{
  __IO uint32_t CRL;
  __IO uint32_t CRH;
  __IO uint32_t IDR;
  __IO uint32_t ODR;
  __IO uint32_t BSRR;
  __IO uint32_t BRR;
  __IO uint32_t LCKR;
} GPIO_TypeDef;

BSRR寄存器定义如下：

ODR(端口输出数据寄存器)定义如下：

上面简单来讲

• 给BSy设置1，ODR对应的位会输出1
• 给BRy设置1，ODR对应的位会输出0

所以设置将引脚设置成0时需要在BSRR高16位进行操作，输出1 时在BSRR低16位进行操作。

1.4、HAL_GPIO_Init

这里涉及主要的初始化配置，是重中之重。涉及的函数比较多，已经在里面添加了注释。

void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef  *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)
{
	//通过这个变量遍历所有的引脚
  uint32_t position = 0x00u;
  uint32_t ioposition;
  uint32_t iocurrent;
  uint32_t temp;
  uint32_t config = 0x00u;
	// 
  __IO uint32_t *configregister; /* Store the address of CRL or CRH register based on pin number */
	// 引脚的偏移量（每个引脚由CNF和MODE总共4位组成）
  uint32_t registeroffset;       /* offset used during computation of CNF and MODE bits placement inside CRL or CRH register */

  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_GPIO_ALL_INSTANCE(GPIOx));
  assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Init->Pin));
  assert_param(IS_GPIO_MODE(GPIO_Init->Mode));

	// 判断后续是否还有引脚设置了1
  while (((GPIO_Init->Pin) >> position) != 0x00u)
  {
    /* 获取引脚的位置 */
    ioposition = (0x01uL << position);

    /* 再次能过Pin获取当前要设置的引脚 */
    iocurrent = (uint32_t)(GPIO_Init->Pin) & ioposition;

		// 两种方式求得的引脚比较如果相同才进行处理
    if (iocurrent == ioposition)
    {
      /* Check the Alternate function parameters */
      assert_param(IS_GPIO_AF_INSTANCE(GPIOx));

      /* Based on the required mode, filling config variable with MODEy[1:0] and CNFy[3:2] corresponding bits */
			// 根据模式来配置config
      switch (GPIO_Init->Mode)
      {
        /* 推挽输出模式 */
        case GPIO_MODE_OUTPUT_PP:
          /* Check the GPIO speed parameter */
          assert_param(IS_GPIO_SPEED(GPIO_Init->Speed));
          config = GPIO_Init->Speed + GPIO_CR_CNF_GP_OUTPUT_PP;
          break;

        /* 开漏输出模式 */
        case GPIO_MODE_OUTPUT_OD:
          /* Check the GPIO speed parameter */
          assert_param(IS_GPIO_SPEED(GPIO_Init->Speed));
          config = GPIO_Init->Speed + GPIO_CR_CNF_GP_OUTPUT_OD;
          break;

        /* 复用推挽模式 */
        case GPIO_MODE_AF_PP:
          /* Check the GPIO speed parameter */
          assert_param(IS_GPIO_SPEED(GPIO_Init->Speed));
          config = GPIO_Init->Speed + GPIO_CR_CNF_AF_OUTPUT_PP;
          break;

        /* 复用开漏输出模式  */
        case GPIO_MODE_AF_OD:
          /* Check the GPIO speed parameter */
          assert_param(IS_GPIO_SPEED(GPIO_Init->Speed));
          config = GPIO_Init->Speed + GPIO_CR_CNF_AF_OUTPUT_OD;
          break;

        /* 下面是输入，要么事件输入要么中断输入 */
				// 输入悬空
        case GPIO_MODE_INPUT:
				// 中断上升沿
        case GPIO_MODE_IT_RISING:
				// 中断下降沿
        case GPIO_MODE_IT_FALLING:
				// 中断上长或下降沿
        case GPIO_MODE_IT_RISING_FALLING:
				// 事件上长沿
        case GPIO_MODE_EVT_RISING:
				// 事件下降沿
        case GPIO_MODE_EVT_FALLING:
				// 事件上长或下降沿
        case GPIO_MODE_EVT_RISING_FALLING:
          /* Check the GPIO pull parameter */
          assert_param(IS_GPIO_PULL(GPIO_Init->Pull));
          if (GPIO_Init->Pull == GPIO_NOPULL)
          {
            config = GPIO_CR_MODE_INPUT + GPIO_CR_CNF_INPUT_FLOATING;
          }
          else if (GPIO_Init->Pull == GPIO_PULLUP)
          {
            config = GPIO_CR_MODE_INPUT + GPIO_CR_CNF_INPUT_PU_PD;

            /* Set the corresponding ODR bit */
            GPIOx->BSRR = ioposition;
          }
          else /* GPIO_PULLDOWN */
          {
            config = GPIO_CR_MODE_INPUT + GPIO_CR_CNF_INPUT_PU_PD;

            /* Reset the corresponding ODR bit */
            GPIOx->BRR = ioposition;
          }
          break;

        /* 模拟输入 */
        case GPIO_MODE_ANALOG:
          config = GPIO_CR_MODE_INPUT + GPIO_CR_CNF_ANALOG;
          break;

        /* Parameters are checked with assert_param */
        default:
          break;
      }

      /* Check if the current bit belongs to first half or last half of the pin count number
       in order to address CRH or CRL register*/
			/*
				点灯目前没有用到输入模式，只用到输出模式
			1、如果当前的引脚是低8位，那就是么对CRL的操作，否则就是对CRH的操作
			2、如果当前的引脚是低8位，将Postion向左偏移四位，操作的就是当前引脚的MODE和CNF.
				如果是高8位，将(position - 8u)向左偏移四位，操作的就是当前引脚的MODE和CNF.
			*/
      configregister = (iocurrent < GPIO_PIN_8) ? &GPIOx->CRL     : &GPIOx->CRH;
      registeroffset = (iocurrent < GPIO_PIN_8) ? (position << 2u) : ((position - 8u) << 2u);

      /* 清除当前引脚的配置，并设置新配置 */
      MODIFY_REG((*configregister), ((GPIO_CRL_MODE0 | GPIO_CRL_CNF0) << registeroffset), (config << registeroffset));

      //  由于没有中断这里的操作是可以删除的
      /*--------------------- EXTI Mode Configuration ------------------------*/
      /* Configure the External Interrupt or event for the current IO */
      if ((GPIO_Init->Mode & EXTI_MODE) == EXTI_MODE)
      {
        /* Enable AFIO Clock */
        __HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE();
        temp = AFIO->EXTICR[position >> 2u];
        CLEAR_BIT(temp, (0x0Fu) << (4u * (position & 0x03u)));
        SET_BIT(temp, (GPIO_GET_INDEX(GPIOx)) << (4u * (position & 0x03u)));
        AFIO->EXTICR[position >> 2u] = temp;


        /* Enable or disable the rising trigger */
        if ((GPIO_Init->Mode & RISING_EDGE) == RISING_EDGE)
        {
          SET_BIT(EXTI->RTSR, iocurrent);
        }
        else
        {
          CLEAR_BIT(EXTI->RTSR, iocurrent);
        }

        /* Enable or disable the falling trigger */
        if ((GPIO_Init->Mode & FALLING_EDGE) == FALLING_EDGE)
        {
          SET_BIT(EXTI->FTSR, iocurrent);
        }
        else
        {
          CLEAR_BIT(EXTI->FTSR, iocurrent);
        }

        /* Configure the event mask */
        if ((GPIO_Init->Mode & GPIO_MODE_EVT) == GPIO_MODE_EVT)
        {
          SET_BIT(EXTI->EMR, iocurrent);
        }
        else
        {
          CLEAR_BIT(EXTI->EMR, iocurrent);
        }

        /* Configure the interrupt mask */
        if ((GPIO_Init->Mode & GPIO_MODE_IT) == GPIO_MODE_IT)
        {
          SET_BIT(EXTI->IMR, iocurrent);
        }
        else
        {
          CLEAR_BIT(EXTI->IMR, iocurrent);
        }
      }
    }

	position++;
  }
}

代码相关的解释已经写到注释里了，这里有一个比较有意思的点。

开始是GPIO_Init->Speed设置的是GPIO_SPEED_FREQ_LOW，它其实是一个有关MODE的宏，就是和CNY对应的MODE的宏。

#define GPIO_CRL_MODE0_Pos                   (0U)   
                           
// 这个就是50MHZ的输出模式
#define GPIO_CRL_MODE0_Msk                   (0x3UL << GPIO_CRL_MODE0_Pos)      /*!< 0x00000003 */
// 这个就是50MHZ的输出模式
#define GPIO_CRL_MODE0                       GPIO_CRL_MODE0_Msk                /*!< MODE0[1:0] bits (Port x mode bits, pin 0) */
// 这个就是1的输出模式
#define GPIO_CRL_MODE0_0                     (0x1UL << GPIO_CRL_MODE0_Pos)      /*!< 0x00000001 */
// 这个就是2MHZ的输出模式
#define GPIO_CRL_MODE0_1                     (0x2UL << GPIO_CRL_MODE0_Pos)      /*!< 0x00000002 */


#define  GPIO_SPEED_FREQ_LOW              (GPIO_CRL_MODE0_1) /*!< Low speed */
#define  GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM           (GPIO_CRL_MODE0_0) /*!< Medium speed */
#define  GPIO_SPEED_FREQ_HIGH             (GPIO_CRL_MODE0)   /*!< High speed */

所以初始化的Speed其实就是设置了MODE。而对于每个输出模式，在HAL_GPIO_Init函数里都用到这样的操作

// 低二位都是0,为了配合Mode
#define  GPIO_CR_CNF_GP_OUTPUT_PP   0x00000000u /*!< 00: General purpose output push-pull  */
// 低二位都是0,为了配合Mode
#define  GPIO_CR_CNF_GP_OUTPUT_OD   0x00000004u /*!< 01: General purpose output Open-drain  */
// 低二位都是0,为了配合Mode
#define  GPIO_CR_CNF_AF_OUTPUT_PP   0x00000008u /*!< 10: Alternate function output Push-pull  */
// 低二位都是0,为了配合Mode
#define  GPIO_CR_CNF_AF_OUTPUT_OD   0x0000000Cu /*!< 11: Alternate function output Open-drain  */

// 这里就是配置CNF+Mode
config = GPIO_Init->Speed + GPIO_CR_CNF_GP_OUTPUT_PP;

其实就是将MODE和CNF结合到一块共同控制一个引脚。

二、在main()自定义操作

知道了库函数的操作，其实我们自己也可以将Led灯进行点亮或者熄灭，比如

// 熄灭
GPIOB->BSRR = GPIO_PIN_9;
// 点亮
GPIOB->BSRR = GPIO_PIN_9 << 16;

其实最终就是操作的寄存器（不研究也知道操作的寄存器，哈哈哈）。

点灯对寄存器的操作如下：

1. 配置APB2ENR 开启GPIOB时钟
2. 配置CRL 或CRH ，来操作引脚的CNF 和**MODE，**让其作为输入或输出
3. 配置BSRR 使ODR对应的位输出1或0

通过对stm32内存映射和GPIO寄存器的分析，大致了解了HAL的一些细节，确实单独操作寄存器难度比较大，但是通过对HAL函数的研究，加深了自己对HAL操作的了解以及寄存器细节的了解。