STM32 01 LED 跑马灯

简介

这一系列是我根据 cpq/bare-metal-programming-guide: A bare metal programming guide (ARM microcontrollers) 的学习文档，结合 Arm CMSIS Solution、 Arm Keil Studio Pack (MDK v6) 进行 STM32 的开发。

我使用的 MCU 为 STM32F103VC, 开发板是从学校嫖来的 MCUTools 开发板，上面集成了许多元件，方便学习（迫真）。

这一节的笔记记录了 LED 的实现操作过程，主要通过寄存器操作 GPIO 端口，RCC 使能 (enable) 外设、位运算等。因为这些内容偏向于我自己学完后的总结，所以可能会有一些错误的地方，可读性可能也不会很好，敬请见谅。

寄存器

对于 CMSIS 工程，MCU 可用的寄存器都定义在了 CMSIS_device_header内。这里主要使用了 GPIO 和 RCC 对应的寄存器。

GPIO 寄存器

通过查阅 STM32F103xC Reference Manual 可知，STM32F103VC 具有多组 GPIO 端口，一组 GPIO 端口称为 bank，包含16个 GPIO Port。**每组 GPIO Bank 地址相距 0x0400，所以对每个 Bank 我们可以通过( GPIOA_BASE + 0x400 * ( bank - 'A' ) )计算出对应的地址。**对于每组 GPIO Bank，具有以下寄存器：

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typedef struct
{
  __IO uint32_t CRL; // Configuration Register LOW, 对应 0~7,可以设置 Mode 和 Conf
  __IO uint32_t CRH; // Configuration Register HIGH, 对应 8~15,可以设置 Mode 和 Conf
  __IO uint32_t IDR; // Input Data Register
  __IO uint32_t ODR; // Output Data Register
  __IO uint32_t BSRR; // Bit Set/Reset Register
  __IO uint32_t BRR;  // Bit Reset Register
  __IO uint32_t LCKR; // Configuration Lock Register
} GPIO_TypeDef;

Configuration Register

GPIO-CRL 对于 CRL 和 CRH，每个里面都具有对应8个端口的 Mode 和 Configuration，一个端口的 Mode 和 Conf 分别占 2bit，定义如下：

CNF:

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In input mode (MODE[1:0]=00):

- 00: Analog mode 
- 01: Floating input (reset state) 
- 10: Input with pull-up / pull-down 
- 11: Reserved 

In output mode (MODE[1:0] > 00): 

- 00: General purpose output push-pull 
- 01: General purpose output Open-drain 
- 10: Alternate function output Push-pull 
- 11: Alternate function output Open-drain

MODE:

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- 00: Input mode (reset state) 
- 01: Output mode, max speed 10 MHz. 
- 10: Output mode, max speed 2 MHz. 
- 11: Output mode, max speed 50 MHz.

对于输出模式，更高的频率意味着更大的功耗以及更快地传输速率，对于LED设备，使用最低频率足矣；对于需要数据传输的设备，需要考虑使用更高的频率。

对于输出配置，主要分为推挽输出和开漏输出。这个貌似涉及到电路设计（？），不是很懂，以后再学罢。LED进行推挽输出即可。

Data Register

Input Data Register:

GPIO-IDR

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Bits 15:0 
IDRy: Port input data (y= 0 .. 15) 
These bits are read only and can be accessed in Word mode only. They contain the input  value of the corresponding I/O port.

Output Data Register:

GPIO-ODR

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Bits 15:0
ODRy: Port output data (y= 0 .. 15) 
These bits can be read and written by software and can be accessed in Word mode only. 
Note: For **atomic** bit set/reset, the ODR bits can be individually set and cleared by writing to  the GPIOx_BSRR register (x = A .. G)

这里出现了一个概念：atomic （原子性操作），即操作是不可分割的，在执行过程中不会被中断，这提供了多线程/中断安全性，所以是用 GPIOx_BSRR 是推荐的操作，我们后面也将使用这个。

Bit Set/Reset Register:

GPIO-BSRR

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Bits 31:16 BRy: Port x Reset bit y (y= 0 .. 15) 

- These bits are write-only and can be accessed in Word mode only.  
- 0: No action on the corresponding ODRx bit 
- 1: Reset the corresponding ODRx bit 

**Note: If both BSx and BRx are set, BSx has priority.** 

Bits 15:0 BSy: Port x Set bit y (y= 0 .. 15) 

- These bits are write-only and can be accessed in Word mode only. 
- 0: No action on the corresponding ODRx bit 
- 1: Set the corresponding ODRx bit

Bit Reset Register:

GPIO-BRR

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 Bits 15:0 BRy: Port x Reset bit y (y= 0 .. 15) 

- These bits are write-only and can be accessed in Word mode only.  
- 0: No action on the corresponding ODRx bit 
- 1: Reset the corresponding ODRx bit

RCC 寄存器

在 STM32 设备中，外设默认是关闭的，需要通过 Reset and Clock Control 寄存器打开。RCC包含的寄存器如下：

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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;

#ifdef STM32F10X_CL  
  __IO uint32_t AHBRSTR;
  __IO uint32_t CFGR2;
#endif /* STM32F10X_CL */ 

#if defined (STM32F10X_LD_VL) || defined (STM32F10X_MD_VL) || defined (STM32F10X_HD_VL)   
  uint32_t RESERVED0;
  __IO uint32_t CFGR2;
#endif /* STM32F10X_LD_VL || STM32F10X_MD_VL || STM32F10X_HD_VL */ 
} RCC_TypeDef;

其中，我们这里启用GPIO外设需要 APB2ENR ，其他设备如何启用可以查看 stm32f10x.h。

位操作

主要运算符：| 按位或、& 按位与、^ 按位异或、<< 左移、>> 右移、~ 取反

Some Tricks:

要清除指定位：比如 00001010，我想要清除右起 3,4 位上的数据，则可以使用 &~(3<<2) 清除。3 (decimal) -> 11 (binary)，左移两位后产生 00001100 ，取反后产生 11110011, 按位与后即可实现定点清除。
常见的位产生：0xF -> 0b1111、0x7 -> 0b0111、0x3 -> 0b0011、0x1 -> 0b0001
使用 uint16_t 表示两个 uint8_t 数字：可以用在储存 GPIO Bank 和 PIN 时，前八位储存 BANK，后八位储存 PIN。例如 GPIOB P5，可以表示为 0000000100000101, Bank 可以通过 pin>>8 表示，Port 可以通过 pin&255 表示，组合起来可以有 #define PIN(bank, num) ((((bank) - 'A') << 8) | (num))。

实现过程

首先，需要在 RCC 使能对应 gpio。

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// RCC 是宏定义，为 ((RCC_TypeDef *) RCC_BASE)
// 由于 MCU 启动时对应的设备都是关闭状态，所以直接取或即可
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPDEN;
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN;

在 libs/led/led_gpio.h 定义几个便于调用的函数：

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/* Init the LED GPIO Port output */
static inline void led_init(const char bank, const uint8_t pin) {
    // Trick: 通过 GPIOA_BASE 计算出对应 bank 的地址，详见上面
    GPIO_TypeDef *gpio = (GPIO_TypeDef *) ( GPIOA_BASE + 0x400 * ( bank - 'A' ) );
    if ( pin < 8 ) {
        // Reset the bits before setting the bits.
        uint32_t pos = pin * 4;
        gpio->CRL &= ~(0xF << pos);        // Clear 4 bits (1111 binary)
        gpio->CRL |= (0x2 << pos);         // 0x2 (hex) -> 0010 (binary)
    } else if ( pin < 16 ) {
        // Reset the bits before setting the bits.
        uint32_t pos = (pin - 8) * 4;
        gpio->CRH &= ~(0xF << pos);        // Clear 4 bits (1111 binary)
        gpio->CRH |= (0x2 << pos);         // 0x2 (hex) -> 0010 (binary)
    }
}

static inline void led_on(const char bank, const uint8_t pin) {
    GPIO_TypeDef *gpio = (GPIO_TypeDef *) ( GPIOA_BASE + 0x400 * ( bank - 'A' ) );
    /* 我板子上的 LED 是共阳极的，所以 reset 是开启 LED */
    gpio->BSRR = (1 << (pin + 16));
}

static inline void led_off(const char bank, const uint8_t pin) {
    GPIO_TypeDef *gpio = (GPIO_TypeDef *) ( GPIOA_BASE + 0x400 * ( bank - 'A' ) );
    gpio->BSRR = (1 << pin);
}

实现延时函数（简单的阻塞型函数）

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static inline void spin( volatile uint32_t tick ) {
    // 调用 nop 指令消耗 instructions
    while ( tick-- ) asm("nop");
}

跑马灯（也就是定义好开发板上接好的LED然后打开关闭而已）

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// 定义
struct LED_INFO {
    char bank;
    uint8_t pin;
} led_list[4] = { {'D', 12}, {'D', 11},
                  {'D', 9}, {'B', 8} };
// 初始化
for ( uint8_t i = 0; i < 4; ++i )
    led_init(led_list[i].bank, led_list[i].pin);
// 主循环
for (;;) {
    for ( uint8_t i = 0; i < 4; ++i ) {
        led_on(led_list[i].bank, led_list[i].pin);
        spin(1000000);
    }
    for ( uint8_t i = 0; i < 4; ++i ) {
        led_off(led_list[i].bank, led_list[i].pin);
        spin(1000000);
    }
}

总结

调用外设时一定要先检查 RCC 是否开启了对应外设。
要学会翻阅寄存器手册，寄存器手册中一般都会写明各个寄存器的结构和作用。
在 CMSIS 工程中，所有寄存器都在 CMSIS_device_header 中有定义，他们一般可以直接通过对应的宏获取。
计算地址、位运算的技巧要学会一些