STM32芯片简介，以及STM32的存储器映射是什么？

一. 什么是寄存器

本章参考资料：《STM32F10xx 参考手册》、《STM32F10xx数据手册》

学习本章时，配合《STM32F10xx 参考手册》"存储器和总线架构"及"通用I/O(GPIO)"章节一起阅读，效果会更佳，特别是涉及到寄存器说明的部分。

1.1. 什么是寄存器

我们经常说寄存器，那么什么是寄存器？这是我们本章需要讲解的内容，在学习的过程中，大家带着这个疑问好好思考下，到最后看看大家能否用一句话给寄存器下一个定义。

1.2. STM32长啥样

以我们的F103-指南者开发板为例，指南者开发板中使用的芯片是100pin（100个引脚）的STM32F103VET6，具体见图1‑1。这个就是我们接下来要学习的STM32，它将带领我们进入嵌入式的殿堂。

芯片正面是丝印，ARM应该是表示该芯片使用的是ARM的内核，STM32F103VET6是芯片型号，后面的字应该是跟生产批次相关，最下面的是ST的LOGO。

芯片四周是引脚，左下角的小圆点表示1脚，然后从1脚起按照逆时针的顺序排列（所有芯片的引脚顺序都是逆时针排列的）。开发板中把芯片的引脚引出来，连接到其他各种芯片上（比如传感器），然后在STM32上编程（实际就是通过程序控制这些引脚输出高电平或者低电平）来控制其他芯片工作，通过做实验的方式来学习STM32芯片的各个资源。

开发板是一种评估板，主要用于学习与评估，其板载资源非常丰富，引脚复用比较多，力求在一个板子上验证芯片的全部功能。我们的STM32 F1的开发板上面的STM32型号虽然不完全相同，但实际上学习它们所需要的数据手册和参考手册资料是一样的，初学者不必为此担心。

图 1‑1 STM32F103VET6 实物图（红色框中部分）

图 1‑2 STM32F103VET6正面引脚图

1.3. 芯片里面有什么

我们看到的STM32芯片是已经封装好的成品，主要由内核和片上外设组成。若与电脑类比，内核与外设就如同电脑上的CPU与主板、内存、显卡、硬盘的关系。

STM32F103采用的是Cortex-M3内核，内核即CPU，由ARM公司设计。ARM公司并不生产芯片，而是出售其芯片技术授权。芯片生产厂商(SOC) 如ST、TI、NXP等，负责在内核之外设计部件并生产整个芯片，这些内核之外的部件被称为核外外设或片上外设。如GPIO、USART（串口）、I2C、SPI等都叫做片上外设。具体见图 1‑3。

图 1‑3 STM32芯片架构简图

芯片（这里指内核，或者叫CPU）和外设之间通过各种总线连接，其中驱动单元有4个，被动单元也有4个，具体见图 1‑4。为了方便理解，我们都可以把驱动单元理解成是CPU部分，被动单元都理解成外设。下面我们简单介绍下驱动单元和被动单元的各个部件。

1.3.1. ICode总线

ICode中的 I 表示 Instruction，即指令。我们写好的程序经过编译之后都是一条条指令，存放在FLASH中，内核要读取这些指令来执行程序就必须通过ICode总线，它几乎每时每刻都需要被使用，它是专门用来取指的。

1.3.2. 驱动单元

1.3.2.1. DCode总线

DCode中的 D 表示 Data，即数据，那说明这条总线是用来取数的。我们在写程序的时候，数据有常量和变量两种，常量就是固定不变的，用C语言中的const关键字修饰，是放到内部的FLASH当中的，变量是可变的，不管是全局变量还是局部变量都放在内部的SRAM。因为数据可以被Dcode总线和DMA总线访问，所以为了避免访问冲突，在取数的时候需要经过一个总线矩阵来仲裁，决定哪个总线在取数。

1.3.2.2. 系统总线

系统总线主要是访问外设的寄存器，我们通常说的寄存器编程，即读写寄存器都是通过这根系统总线来完成的。

1.3.2.3. DMA总线

DMA总线也主要是用来传输数据，这个数据可以是在某个外设的数据寄存器，可以在SRAM，可以在内部的FLASH。因为数据可以被Dcode总线和DMA总线访问，所以为了避免访问冲突，在取数的时候需要经过一个总线矩阵来仲裁，决定哪个总线在取数。

1.3.3. 被动单元

1.3.3.1. 内部的闪存存储器

内部的闪存存储器即FLASH，我们编写好的程序就放在这个地方。内核通过ICode总线来取里面的指令。

1.3.3.2. 内部的SRAM

内部的SRAM，即我们通常说的RAM，程序的变量，堆栈等的开销都是基于内部的SRAM。内核通过DCode总线来访问它。

1.3.3.3. FSMC

FSMC的英文全称是Flexible static memory controller，叫灵活的静态的存储器控制器，是STM32F10xx中一个很有特色的外设，通过FSMC，我们可以扩展内存，如外部的SRAM，NANDFLASH和NORFLASH。但有一点我们要注意的是，FSMC只能扩展静态的内存，即名称里面的S：static，不能是动态的内存，比如SDRAM就不能扩展。

5.3.3.4. AHB到APB的桥

从AHB总线延伸出来的两条APB2和APB1总线，上面挂载着STM32各种各样的特色外设。我们经常说的GPIO、串口、I2C、SPI这些外设就挂载在这两条总线上，这个是我们学习STM32的重点，就是要学会编程这些外设去驱动外部的各种设备。

图 1‑4 STM32F10xx系统框图（不包括互联型）

答疑： DMA1和DMA2是什么？DMA总线与Dcode总线有区别？SDIO又是干嘛的，system干嘛的？总线矩阵干嘛的？

二. 存储器映射是什么？

2.1. 存储器映射

在图 1‑4中，被控单元的FLASH，RAM，FSMC和AHB到APB的桥（即片上外设），这些功能部件共同排列在一个4GB的地址空间内。我们在编程的时候，可以通过他们的地址找到他们，然后来操作他们（通过C语言对它们进行数据的读和写）。

2.1.1. 存储器映射

存储器本身不具有地址信息，它的地址是由芯片厂商或用户分配的，给存储器分配地址的过程就称为存储器映射，具体见图 2‑5。如果给存储器再分配一个地址就叫存储器重映射。

图 2‑5 存储器映射（摘自参考手册-存储器映射章节）

下面我用 深入 + 通俗 + 配图式解释 ，让你彻底搞懂 "存储器映射（Memory Mapping）"是什么、为什么要用、怎么用。这是 MCU（尤其是 STM32）最基础又最重要的概念之一。

2.1.什么是"存储器映射"？（Memory Mapping）

一句话：

存储器映射 = 把"外设、Flash、SRAM"等都当成"内存地址"来访问。
CPU 通过读写地址就能控制外设，而不用复杂的指令。

也就是说------
在 MCU 里，所有东西都是"地址"，都可以用指针访问。

2.2. 在 MCU 里，什么都被映射到地址上？

以 STM32 为例（非常典型）：

cpp 复制代码

0x0000 0000 ~ 0x1FFF FFFF   === Flash（程序存储器）
0x2000 0000 ~ 0x3FFF FFFF   === SRAM（运行内存）
0x4000 0000 ~ 0x5FFF FFFF   === 外设（GPIO、USART、I2C、SPI）
0x6000 0000 ~ 0x9FFF FFFF   === 外部设备（FSMC、外部SRAM、屏幕）
0xA000 0000 ~ 0xDFFF FFFF   === 映射的外设/存储设备

例如：

GPIOA 的寄存器 在地址：0x40020000
USART1 的寄存器 在地址：0x40011000
Flash存储器 在 0x08000000

这意味着：

你只要读写这些地址，等于在控制外设！

2.3. 为什么 MCU 要用"存储器映射"？

因为 CPU 只会读写内存地址，访问内存比访问外设更简单。

为了让 CPU 控制外设：

CPU 读写一个地址 → 外设寄存器被改写
外设寄存器改变 → LED亮/灭、串口发送、I2C通信等

MCU 通过 Memory Map 把外设"伪装成"内存。

🍥 图解：MCU 如何把外设映射成内存？

cpp 复制代码

CPU
  |
  | 读写地址
  |
总线 AHB/APB
  |
  +---------------------+
  |     外设寄存器      |
  |   (像内存一样访问)   |
  +---------------------+

所以你操作 GPIO、UART、I2C，本质都是：

往某个"地址"写值

2.4. 存储器映射如何使用？（非常关键）

📌 方式一：直接操作地址（裸机操作）

例：向 GPIOA 的寄存器写 1

cpp 复制代码

*(uint32_t *)(0x40020014) = 0x00000001;

这意味着：

地址 0x40020014 是 GPIOA_ODR（输出寄存器）
写 1 = PA0 输出高电平（LED亮）

完全没用任何库！纯裸机！

📌 方式二：使用 STM32 标准库（常用方式）

外设地址会封装成结构体：

cpp 复制代码

GPIOA->ODR = 0x01;

等价于写：

cpp 复制代码

*(uint32_t *)(0x40020014) = 0x01;

只是结构体帮你包装了地址。

📌 方式三：使用 HAL 库（更高级）

cpp 复制代码

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);

底层还是一样：写 GPIOA 寄存器的对应地址。

📌 总结：存储器映射帮助你这样使用 MCU：

控制目标	映射到的地址	行为
GPIO	0x4002 0000	控制引脚高低
USART	0x4001 1000	发数据
I2C	0x4000 5400	发送/接收
ADC	0x4001 2000	读取 ADC 值
FLASH	0x0800 0000	程序位置
SRAM	0x2000 0000	变量在这里放

MCU 全靠这个机制才能让 CPU 控制所有外围硬件。

2.5. 让你彻底理解的简单例子（LED 点亮）

CPU 要让 LED 亮 → 写 GPIO 寄存器地址

假设 LED 连着 PA5

① 开启 GPIOA 时钟

写 RCC 寄存器地址：

cpp 复制代码

*(uint32_t *)0x40023830 |= (1 << 0);

② 设置 PA5 为输出模式

cpp 复制代码

*(uint32_t *)0x40020000 |= (1 << 10);

③ 输出高电平（LED亮）

cpp 复制代码

*(uint32_t *)0x40020014 |= (1 << 5);

总结：

LED亮灭 = 往 GPIO 寄存器的地址写 1 或 0

而 GPIO 寄存器又是通过 Memory Map 将外设映射到地址从而被 CPU 控制的。

📌 五、你真正需要记住的精华版：

✔ 存储器映射 = 把 Flash、SRAM、外设都当成内存地址来访问

✔ CPU 通过读写地址就能控制外设

✔ GPIO、串口、I2C、SPI、ADC 全靠写寄存器地址完成

✔ STM32 的结构体访问、HAL 库本质都是在读写这些地址

三、答疑：

下面我将彻底、从底层原理解释：

为什么要开启 GPIOA 时钟？
为什么要设置 PA5 为输出模式？
同样的 LED 示例用三种方式写：裸机 / 标准库 / HAL 库

这个知识点非常重要，是理解 STM32 外设工作原理的核心。

3.1. 为什么必须"开启 GPIOA 时钟"？（非常重要！）

因为：

STM32 的所有外设（GPIO、USART、I2C...）默认都是"断电"的，必须通过 RCC 打开时钟，外设才能工作。

✔ 类比理解：

MCU 把外设当成"房间"，RCC 就像"开关总闸"。

不开总闸（时钟 OFF） → 外设没有电，寄存器不工作
开总闸（时钟 ON） → 外设开始正常工作

✔ 技术解释：

GPIOA 外设属于 APB2 总线 管理。

在 RCC(时钟控制器）中有一个控制寄存器：

bash 复制代码

RCC_AHB1ENR

其中：

cpp 复制代码

bit0 = GPIOA 时钟使能

如果不使能时钟：

GPIOA 的寄存器不会更新
写 GPIOA->ODR 没反应
LED 永远不会亮
电平读不出
外设完全处于低功耗停机状态

所以第一步必须：

cpp 复制代码

*(uint32_t *)0x40023830 |= (1 << 0);

3.2. 为什么要"设置 PA5 为输出模式"？

因为 GPIO 有 4 种模式：

模式	用途
输入模式	按键、传感器输入
输出模式	控制 LED、继电器等
复用模式	UART/I2C/SPI/定时器等功能
模拟模式	ADC、DAC 或低功耗

如果不设置为输出模式：

默认是"输入模式"
输入模式不能驱动 LED
即使你写 ODR，也不会改变电平

所以第二步必须把 PA5 改为输出：

cpp 复制代码

*(uint32_t *)0x40020000 |= (1 << 10);

对应寄存器：

cpp 复制代码

GPIOA_MODER

PA5 需要设置为 01（输出模式）

⚠️ 如果不设置为输出模式，会怎样？

LED 不会亮
ODR 写进去但不会输出
引脚始终是"高阻态"
相当于线悬空

所以：

开时钟 = 外设开始工作

配置输出模式 = 引脚具有输出功能

这两个缺一不可。

3.3. 下面我们把 LED 点亮示例，用三种方式重写：

✅ 方式 1：直接操作地址（裸机操作）

① 使能 GPIOA 时钟

cpp 复制代码

*(uint32_t *)0x40023830 |= (1 << 0);

② 设置 PA5 为输出模式（MODER）

PA5 = GPIOA_MODER bit(11:10) = 01

cpp 复制代码

*(uint32_t *)0x40020000 &= ~(3 << 10);  // 先清零
*(uint32_t *)0x40020000 |=  (1 << 10);  // 设置为输出

③ 输出高电平（ODR）

cpp 复制代码

*(uint32_t *)0x40020014 |= (1 << 5);

✅ 方式 2：STM32 标准库（寄存器结构体）

标准库中已经对寄存器封装为结构体，例如：

RCC->AHB1ENR
GPIOA->MODER
GPIOA->ODR

代码：

cpp 复制代码

RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;  // 开时钟

GPIOA->MODER &= ~(3 << (5 * 2));      // 清零 PA5 模式
GPIOA->MODER |=  (1 << (5 * 2));      // 设置输出模式

GPIOA->ODR |= (1 << 5);               // PA5 输出高

这和裸机操作本质完全一样，只是结构体把寄存器地址包装了。

✅ 方式 3：HAL 库（高级封装）

HAL 对 GPIO 做了高级封装，只需要配置结构体：

① 使能时钟

cpp 复制代码

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

② 配置引脚为输出

cpp 复制代码

GPIO_InitTypeDef gpio;
gpio.Pin   = GPIO_PIN_5;
gpio.Mode  = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
gpio.Pull  = GPIO_NOPULL;
gpio.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio);

③ 输出电平

cpp 复制代码

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);

HAL 库实际上做了这些事：

调 RCC 时钟函数
修改 GPIO MODER
修改 ODR

只是帮你屏蔽细节。

🎯 总结（最重要的）

✓ 1. 为什么要开启 GPIOA 时钟？

因为 GPIOA 默认"断电"，时钟不开 → 外设不工作。

✓ 2. 为什么要设置 PA5 为输出？

因为 GPIO 默认是"输入模式"，要驱动 LED 必须切换成"输出模式"。

✓ 3. 三种方式的关系？

方式	本质	难度	常用吗？
裸机（写地址）	直接操作寄存器地址	★★★★★	用于底层驱动
标准库	结构体访问寄存器	★★★★	常用于学习
HAL 库	高级函数封装	★★★	工程常用

笔记记录，参考链接：5. 什么是寄存器 --- [野火]STM32 HAL库开发实战指南------基于F103系列开发板文档