4.1 STM32 系统架构
STM32 的系统架构比 51 单片机就要强大很多了。首先我们看看 STM32 的系统架构图：
图1 系统架构
STM32 主系统主要由四个驱动单元和四个被动单元构成。
四个驱动单元
内核 DCode 总线；
系统总线；
通用 DMA1；
通用 DMA2；
四被动单元
AHB 到 APB 的桥：连接所有的 APB 设备；
内部 FlASH 闪存；
内部 SRAM；
FSMC；
下面我们具体讲解一下图中几个总线的知识：
① ICode 总线：该总线将 M3 内核指令总线和闪存指令接口相连，指令的预取在该总线上面完成。
② DCode 总线：该总线将 M3 内核的 DCode 总线与闪存存储器的数据接口相连接，常量加载和调试访问在该总线上面完成。
③ 系统总线：该总线连接 M3 内核的系统总线到总线矩阵，总线矩阵协调内核和 DMA 间访问。
④ DMA 总线：该总线将 DMA 的 AHB 主控接口与总线矩阵相连，总线矩阵协调 CPU 的DCode 和 DMA 到 SRAM,闪存和外设的访问。
⑤ 总线矩阵：总线矩阵协调内核系统总线和 DMA 主控总线之间的访问仲裁，仲裁利用轮换算法。
⑥ AHB/APB 桥:这两个桥在 AHB 和 2 个 APB 总线间提供同步连接， APB1 操作速度限于36MHz,APB2 操作速度全速。
对于系统架构的知识，在刚开始学习 STM32 的时候只需要一个大概的了解，大致知道是个什么情况即可。对于寻址之类的知识，这里就不做深入的讲解。
图2 CMSIS架构
4.2 STM32的地址映射
在分析这个问题之前，我们看看51 单片机中是怎么做的。 51 单片机开发中经常会引用一个 reg51.h 的头文件，下面我们看看他是怎么把名字和寄存器联系起来的：
sfr P0 =0x80;
sfr 也是一种扩充数据类型，占用一个内存单元，值域为 0～255。利用它可以访问 51 单片机内部的所有特殊功能寄存器。如用 sfr P1 = 0x90 这一句定义 P1 为 P1 端口在片内的寄存器。然后我们往地址为 0x80 的寄存器设值的方法是： P0=value；通过改变value的值来控制单片机。
图3 寄存器映射关系
所谓地址映射，就是将芯片上的存储器甚至 I/O 等资源与地址建立一一对应的关系。如果某地址对应着某寄存器，我们就可以运用 C 语言的指针来寻址并修改这个地址上的内容，从而实现修改该寄存器的内容。打个比方，寄存器就像快递员，当你在某宝上买了东西后，快递员就按照地址送到你手上，要想准确无误的送到你手上，就必须保证地址准确无误。
Cortex-M3 的地址映射也是类似的。Cortex-M3 有 32 根地址线，所以它的寻址空间大小为 2 32 bit=4 GB。ARM 公司设计时，预先把这 4 GB 的寻址空间大致地分配好了。它把从 0x40000000 至 0x5FFFFFFF（ 512 MB）的地址分配给片上外设。通过把片上外设的寄存器映射到这个地址区，就可以简单地以访问内存的方式，访问这些外设的寄存器，从而控制 外设的工作。这样，片上外设可以使用 C 语言来操作。CM3 存储器映射见图 4- 4。
stm32f10x.h 这个文件中重要的内容就是把 STM32 的所有寄存器进行地址映射。如同51 单片机的 < reg51.h > 头文件一样，stm32f10x.h 像一个大表格，我们在使用的时候就是通过宏定义进行类似查表的操作，大家想象一下没有这个文件的话，我们要怎样访问 STM32的寄存器？有什么缺点？不进行这些宏定义的缺点有 ：
<font face="黑体" size =4 color = #00F700>1）地址容易写错。
2）我们需要查大量的手册来确定哪个地址对应哪个寄存器。
3）看起来还不好看，且容易造成编程的错误，效率低，影响开发进度。</font>
当然，这些工作都是由 ST 的固件工程师来完成的，只有设计 CM3 的人才是最了解 CM3的，才能写出完美的库。
在这里我们以外接了 LED 灯的外设 GPIOC 为例，如果是其他的 IO 端口，则改成相应的地址即可。在这个文件中一系列宏实现了地址映射。
#define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x1000
#define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)
这几个宏定义是从文件中的几个部分抽离出来的，具体的内容读者可参考stm32f10x.h 源码。
图4 Cortex-M3 预定义的存储器映射
首先看到 PERIPH_BASE 这个宏，宏展开为 0x40000000，并把它强制转换为 uint32_t的 32 位类型数据，这是因为 STM32 的地址是 32 位的，是不是觉得 0x40000000 这个地址很熟？是的，这是 Cortex-M3 核分配给片上外设 512MB 寻址空间中的第一个地址，我们把0x40000000 称为外设基地址。
接下来是宏 APB2PERIPH_BASE，宏展开为 PERIPH_BASE（外设基地址）加上偏移地址 0x10000，即指向的地址为 0x40010000。这个 APB2PERIPH_BASE 宏是什么地址呢？STM32 不同的外设是挂载在不同的总线上的，见图 4-6。STM32 芯片有 AHB 总线、APB2总线和 APB1 总线，挂载在这些总线上的外设有特定的地址范围。
其中像 GPIO、串口 1、ADC 及部分定时器是挂载在称为 APB2 的总线上，挂载到APB2 总 线 上 的 外 设 地 址 空 间 是 从 0x40010000 至 0x40013FFF 地 址。 这 里 的 第 一个 地 址， 也 就 是 0x40010000，称为 APB2PERIPH_BASE （APB2 总线外设基地址）。
而 APB2 总线基地址相对于外设基地址的偏移量为 0x10000 个地址，即为 APB2 相对外设基地址的偏移地址，见表1。
表1
由这个表我们可以知道，stm32f10x.h 这个文件中必然含有用于定义总线外设基地址的宏。
#define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
因为偏移量为零，所以 APB1 的地址直接就等于外设基地址。
最后到了宏 GPIOC_BASE，宏展开为 APB2PERIPH_BASE （APB2 总线外设的基地址）加上相对 APB2 总线外设基地址的偏移量 0x1000 得到了 GPIOC 端口的寄存器组的基地址。这个所谓的 寄存器组又是什么呢？它包括什么寄存器？
细看 stm32f10x.h 文件，我们还可以发现有关各个 GPIO 基地址的宏。
#define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
#define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
#define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
#define GPIOD_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)
除了 GPIOC 寄存器组的地址，还有 GPIOA、GPIOB 和 GPIOD 的地址，并且这些地址是不一样的。前面提到，每组 GPIO 都对应着独立的一组寄存器，查看 STM32 的 数据手册。
注意到这个说明中有一个偏移地址 ：0x04，这里的偏移地址是相对哪个地址的偏移呢？下面进行举例说明。
对 于 GPIOC 组 的 寄 存 器，GPIOC 含 有 的 端 口 配 置 高 寄 存 器（GPIOC_CRH）地 址 为 ：GPIOC_BASE +0x04。假如是 GPIOA 组的寄存器，则 GPIOA 含有的端口配置高寄存器（GPIOA_CRH）地址为 ：GPIOA_BASE+0x04。也就是说，这个偏移地址，就是该寄存器相对所在寄存器组基地址的偏移量。
于是，读者可能会想，大概这个文件含有一个类似如下的宏 ：
#define GPIOC_CRH (GPIOC_BASE + 0x04)
这个宏定义了 GPIOC_CRH 寄存器的具体地址。
4.3 STM32 固件库对和寄存器的封装
S T 的工程师用结构体的形式封装了寄存器组，C 语言结构体学得不好的读者，可以在这里补补课了。在 stm32f10x.h 文件中。
#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
有了这些宏，我们就可以定位到具体的寄存器地址，在这里发现了一个陌生的类型GPIO_TypeDef ，追踪它的定义，可以在 stm32f10x.h 文件中找到一段代码。
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;
其中 __IO 也是一个 ST 官方库定义的宏。
#define __O volatile /*!< defines 'write only' permissions */
#define __IO volatile /*!< defines 'read / write' permissions */
volatile 是 C 语言的一个关键字，不了解的话可以看后文的小贴士3。
回到 GPIO_TypeDef 这段代码，这个代码用 typedef 关键字声明了名为 GPIO_TypeDef的结构体类型，结构体内又定义了 7 个 __IO uint32_t 类型的变量。这些变量都是 32 位，即每个变量占内存空间 4 个字节。在 C 语言中，结构体内变量的存储空间是连续的，也就是说假如我们定义了一个 GPIO_TypeDef ，这个结构体的首地址（变量 CRL 的 地址）若为 0x40011000，那么结构体中第二个变量（CRH）的地址即为 0x40011000 +0x04 , 加上的0x04 正是代表 4 个字节地址的偏移量。
细心的读者会发现，这个 0x04 偏移量正是 GPIOx_CRH 寄存器相对于所在寄存器组的偏移地址，见图 4- 5。同理，GPIO_TypeDef 结构体内其他变量的偏移量，也与相应的寄存器偏移地址相符。于是，只要我们匹配了结构体的首地址，就可以确定各寄存器的具体地址了。
GPIOA_BASE 在前文已解析，是一个代表 GPIOA组寄存器的基地址。“（GPIO_TypeDef *）”在这里的作用则是把 GPIOA_BASE 地址转换为 GPIO_TypeDef结构体指针类型。有了这样的宏，以后我们写代码的时候， 如果要修改GPIO 的寄存器，就可用修改以下代码的方式来实现。
GPIO_TypeDef * GPIOx; //定义一个 GPIO_TypeDef 型结构体指针 GPIOx
GPIOx = GPIOA; //把指针地址设置为宏 GPIOA 地址
GPIOx->CRL = 0xffffffff; //通过指针访问并修改 GPIOA_CRL 寄存器
图 5 GPIO_TypeDef 结构体成员偏移量
通过类似的方式，我们就可以给具体的寄存器写上适当的参数以控制 STM32 了。是不是觉得很巧妙？但这只是库开发的皮毛，而且实际上我们并不是这样使用库的，库为我们提供了更简单的开发方式。STM32 的库可谓尽情绽放了 C 的魅力，如果你是单片机初学者、C 语言初学者，那么请你不要放弃与 STM32 库邂逅的机会。
图 6 库与寄存器对比
小贴士
1 C语言 # 与 ##
1.1一般用法
我们使用#把宏参数变为一个字符串,用##把两个宏参数贴合在一起.
用法:
#include<cstdio>
#include<climits>
using namespace std;
#define STR(s) #s
#define CONS(a,b) int(a##e##b)
int main()
{
printf(STR(vck)); // 输出字符串"vck"
printf("%d", CONS(2,3)); // 2e3 输出:2000
return 0;
}
1.2当宏参数是另一个宏的时候
需要注意的是凡宏定义里有用'#'或'##'的地方宏参数是不会再展开.
- 1.非'#'和'##'的情况
#define TOW (2)
#define MUL(a,b) (a*b)
printf("%d*%d=%d", TOW, TOW, MUL(TOW,TOW));
这行的宏会被展开为：
printf("%d*%d=%d", (2), (2), ((2)*(2)));
MUL里的参数TOW会被展开为(2).
- 2.当有'#'或'##'的时候
#define A (2)
#define STR(s) #s
#define CONS(a,b) int(a##e##b)
printf("int max: %s", STR(INT_MAX)); // INT_MAX #include<climits>
这行会被展开为：
printf("int max: %s", "INT_MAX");
printf("%s", CONS(A, A)); // compile error
这一行则是：
printf("%s", int(AeA));
INT_MAX和A都不会再被展开, 然而解决这个问题的方法很简单. 加多一层中间转换宏.
加这层宏的用意是把所有宏的参数在这层里全部展开, 那么在转换宏里的那一个宏(_STR)就能得到正确的宏参数.
#define A (2)
#define _STR(s) #s
#define STR(s) _STR(s) // 转换宏
#define _CONS(a,b) int(a##e##b)
#define CONS(a,b) _CONS(a,b) // 转换宏
printf("int max: %s", STR(INT_MAX)); // INT_MAX,int型的最大值，为一个变量 #include<climits>
输出为: int max: 0x7fffffff
STR(INT_MAX) --> _STR(0x7fffffff) 然后再转换成字符串；
printf("%d", CONS(A, A));
输出为：200
CONS(A, A) --> _CONS((2), (2)) --> int((2)e(2))
1.3'#'和'##'的一些应用特例
- 1.合并匿名变量名
#define ___ANONYMOUS1(type, var, line) type var##line
#define __ANONYMOUS0(type, line) ___ANONYMOUS1(type, _anonymous, line)
#define ANONYMOUS(type) __ANONYMOUS0(type, __LINE__)
例：ANONYMOUS(static int); 即: static int _anonymous70; 70表示该行行号；
第一层：ANONYMOUS(static int); --> __ANONYMOUS0(static int, LINE);
第二层： --> ___ANONYMOUS1(static int, _anonymous, 70);
第三层： --> static int _anonymous70;
即每次只能解开当前层的宏，所以LINE在第二层才能被解开；
- 2.填充结构
#define FILL(a) {a, #a}
enum IDD{OPEN, CLOSE};
typedef struct MSG{
IDD id;
const char * msg;
}MSG;
MSG _msg[] = {FILL(OPEN), FILL(CLOSE)};
相当于：
MSG _msg[] = {{OPEN, "OPEN"},
{CLOSE, "CLOSE"}};
- 3.记录文件名
#define _GET_FILE_NAME(f) #f
#define GET_FILE_NAME(f) _GET_FILE_NAME(f)
static char FILE_NAME[] = GET_FILE_NAME(__FILE__);
4.得到一个数值类型所对应的字符串缓冲大小
#define _TYPE_BUF_SIZE(type) sizeof #type
#define TYPE_BUF_SIZE(type) _TYPE_BUF_SIZE(type)
char buf[TYPE_BUF_SIZE(INT_MAX)];
--> char buf[_TYPE_BUF_SIZE(0x7fffffff)];
--> char buf[sizeof "0x7fffffff"];
这里相当于：
char buf[11];
2关于宏定义的用法
如何解释下面这段代码：
#define LED1(a) if (a)\
GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_3);\
else \
GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_3)
首先，这个是用宏定义的方式包装成类似函数那样，但不是函数调用
你在代码中调用：
LED1(1)；
实际上通过宏定义替换，代码会替换成：
if (1) GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_3);
else GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_3)
宏定义中的 a 就被 调用时 的 ‘1’ 所替换掉，就类似函数那样，但不是函数。另外，有没有发现替换后的代码只有一行，而不是宏定义中的多行呢？
回答这个问题，你就必须先了解 c语言 中 反斜杠（ \）的作用：语义上表示，下一行是上一行的延续。也就是同一行。
当你的代码一行写的时候会太长，需要分行方便显示时，但代码又不能分行时，例如这里的宏定义，只能在一行定义好，那样就可以用过在结尾添加 反斜杠（ \） 来换行。表示 接着下一行，就是例子中的整个 if-else 语句都被 反斜杠（ \） 连接在同一行，所以替换后就仅仅一行而已。
注意，反斜杠（ \） 后面不能有任何字符，包括空格。
宏定义的用法：
注意：宏定义不是函数！！
一般用来简化操作的，但又能避免函数调用那样需要进行切换环境，花费时间。例如：
#define max (a,b) (a>b?a:b)
#define MALLOC(n, type) ((type *) malloc( (n) * sizeof (type) ))
使用时，我只需：
a=max (a,b)； //而不是a=(a>b?a:b)；
int *p=MALLOC(10,int)； //而不是int *p= ((int *) malloc( (10) * sizeof (int) ))
网上copy一篇不知出自哪里的文章：
1.防止一个头文件被重复包含
#ifndef COMDEF_H
#define COMDEF_H //头文件内容
#endif
2.重新定义一些类型，防止由于各种平台和编译器的不同，而产生的类型字节数差异，方便移植。
typedef unsigned char boolean; /* Boolean value type. */
typedef unsigned long int uint32; /* Unsigned 32 bit value */
typedef unsigned short uint16; /* Unsigned 16 bit value */
typedef unsigned char uint8; /* Unsigned 8 bit value */
typedef signed long int int32; /* Signed 32 bit value */
typedef signed short int16; /* Signed 16 bit value */
typedef signed char int8; /* Signed 8 bit value */
3.得到指定地址上的一个字节或字
#define MEM_B( x ) ( *( (byte *) (x) ) )
#define MEM_W( x ) ( *( (word *) (x) ) )
4.求最大值和最小值
#define MAX( x, y ) ( ((x) > (y)) ? (x) : (y) )
#define MIN( x, y ) ( ((x) < (y)) ? (x) : (y) )
5.得到一个field在结构体(struct)中的偏移量
#define FPOS( type, field ) ( (dword) &(( type *) 0)-> field )
6.得到一个结构体中field所占用的字节数
#define FSIZ( type, field ) sizeof( ((type *) 0)->field )
7.按照LSB格式把两个字节转化为一个Word
#define FLIPW( ray ) ( (((word) (ray)[0]) * 256) + (ray)[1] )
8.按照LSB格式把一个Word转化为两个字节
#define FLOPW( ray, val ) \
(ray)[0] = ((val) / 256); \
(ray)[1] = ((val) & 0xFF)
9.得到一个变量的地址（word宽度）
#define B_PTR( var ) ( (byte *) (void *) &(var) )
#define W_PTR( var ) ( (word *) (void *) &(var) )
10.得到一个字的高位和低位字节
#define WORD_LO(xxx) ((byte) ((word)(xxx) & 255))
#define WORD_HI(xxx) ((byte) ((word)(xxx) >> 8))
11.返回一个比X大的最接近的8的倍数
#define RND8( x ) ((((x) + 7) / 8 ) * 8 )
12.将一个字母转换为大写
#define UPCASE( c ) ( ((c) >= 'a' && (c) <= 'z') ? ((c) - 0x20) : (c) )
13.判断字符是不是10进值的数字
#define DECCHK( c ) ((c) >= '0' && (c) <= '9')
14.判断字符是不是16进值的数字
#define HEXCHK( c ) ( ((c) >= '0' && (c) <= '9') ||\
((c) >= 'A' && (c) <= 'F') ||\
((c) >= 'a' && (c) <= 'f') )
15.防止溢出的一个方法
#define INC_SAT( val ) (val = ((val)+1 > (val)) ? (val)+1 : (val))
16.返回数组元素的个数
#define ARR_SIZE( a ) ( sizeof( (a) ) / sizeof( (a[0]) ) )
17.返回一个无符号数n尾的值MOD_BY_POWER_OF_TWO(X,n)=X%(2^n)
#define MOD_BY_POWER_OF_TWO( val, mod_by ) \
( (dword)(val) & (dword)((mod_by)-1) )
18.对于IO空间映射在存储空间的结构，输入输出处理
#define inp(port) (*((volatile byte *) (port)))
#define inpw(port) (*((volatile word *) (port)))
#define inpdw(port) (*((volatile dword *)(port)))
#define outp(port, val) (*((volatile byte *) (port)) = ((byte) (val)))
#define outpw(port, val) (*((volatile word *) (port)) = ((word) (val)))
#define outpdw(port, val) (*((volatile dword *) (port)) = ((dword) (val)))
19.使用一些宏跟踪调试
A N S I标准说明了五个预定义的宏名。它们是：
_ L I N E _
_ F I L E _
_ D A T E _
_ T I M E _
_ S T D C _
如果编译不是标准的，则可能仅支持以上宏名中的几个，或根本不支持。记住编译程序也许还提供其它预定义的宏名。
_ L I N E 及 F I L E _宏指令在有关# l i n e的部分中已讨论，这里讨论其余的宏名。
_ D AT E 宏指令含有形式为月/日/年的串，表示源文件被翻译到代码时的日期。
源代码翻译到目标代码的时间作为串包含在 T I M E 中。串形式为时：分：秒。
如果实现是标准的，则宏 S T D C _含有十进制常量1。如果它含有任何其它数，则实现是非标准的。
可以定义宏，例如:
当定义了_DEBUG，输出数据信息和所在文件所在行
#ifdef _DEBUG
#define DEBUGMSG(msg,date) printf(msg);printf(“%d%d%d”,date,_LINE_,_FILE_)
#else
#define DEBUGMSG(msg,date)
#endif
20.宏定义防止 使用是错误
用小括号包含。
例如：#define ADD(a,b) （a+b）
用do{}while(0)语句包含多语句防止错误
例如：#difne DO(a,b) a+b;\
a++;
应用时：if(….)
DO(a,b); //产生错误
else
……
解决方法: #difne DO(a,b) do{a+b;\
a++;}while(0)
3 __I、 __O 、__IO的含义
这是ST库里面的宏定义，定义如下：
#define __I volatile const /*!< defines 'read only' permissions */
#define __O volatile /*!< defines 'write only' permissions */
#define __IO volatile /*!< defines 'read / write' permissions */
显然，这三个宏定义都是用来替换成 volatile 和 const 的，所以我们先要了解 这两个关键字的作用：
__I ：输入口。既然是输入，那么寄存器的值就随时会外部修改，那就不能进行优化，每次都要重新从寄存器中读取。也不能写，即只读，不然就不是输入而是输出了。
__O ：输出口，也不能进行优化，不然你连续两次输出相同值，编译器认为没改变，就忽略了后面那一次输出，假如外部在两次输出中间修改了值，那就影响输出。
__IO：输入输出口，同上
为什么加下划线？
原因是：避免命名冲突
一般宏定义都是大写，但因为这里的字母比较少，所以再添加下划线来区分。这样一般都可以避免命名冲突问题，因为很少人这样命名，这样命名的人肯定知道这些是有什么用的。
经常写大工程时，都会发现老是命名冲突，要不是全局变量冲突，要不就是宏定义冲突，所以我们要尽量避免这些问题，不然出问题了都不知道问题在哪里。
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