STM32管理程序的时间触发时序
描述
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：
#include < stdio.h >
main(t,_,a)char *a;{return!0< t?t< 3?main(-79,-13,a+main(-87,1-_,
main(-86,0,a+1)+a)):1,t< _?main(t+1,_,a):3,main(-94,-27+t,a)&&t==2?_< 13?
main(2,_+1,"%s %d %d
"):9:16:t< 0?t< -72?main(_,t,
"@n'+,#'/*{}w+/w#cdnr/+,{}r/*de}+,/*{*+,/w{%+,/w#q#n+,/#{l+,/n{n+,/+#n+,/#
;#q#n+,/+k#;*+,/'r :'d*'3,}{w+K w'K:'+}e#';dq#'l
q#'+d'K#!/+k#;q#'r}eKK#}w'r}eKK{nl]'/#;#q#n'){)#}w'){){nl]'/+#n';d}rw' i;#
){nl]!/n{n#'; r{#w'r nc{nl]'/#{l,+'K {rw' iK{;[{nl]'/w#q#n'wk nw'
iwk{KK{nl]!/w{%'l##w#' i; :{nl]'/*{q#'ld;r'}{nlwb!/*de}'c
;;{nl'-{}rw]'/+,}##'*}#nc,',#nw]'/+kd'+e}+;#'rdq#w! nr'/ ') }+}{rl#'{n' ')# }'+}##(!!/")
:t< -50?_==*a?putchar(31[a]):main(-65,_,a+1):main((*a=='/')+t,_,a+1)
:0< t?main(2,2,"%s"):*a=='/'||main(0,main(-61,*a,
"!ek;dc i@bK'(q)-[w]*%n+r3#l,{}:
uwloca-O;m.vpbks,fxntdCeghiry"),a+1);}
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：
ADC- >CR2=0x00000001;
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：
#define ADC_CR2_ADON ((uint32_t)0x00000001)
有了这个位定义，我们刚刚的 代码就变成了：
ADC- >CR2=ADC_CR2_ADON
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：
❝Undefined symbol SystemInit (referred from startup_stm32f10x_hd.o).
❞
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，
;Reset handler
Reset_Handler PROC
EXPORT Reset_Handler [WEAK]
IMPORT __main
;IMPORT SystemInit
;LDR R0, =SystemInit
BLX R0
LDR R0, =__main
BX R0
ENDP
❝汇编中；分号是注释的意思
❞
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，具体内容见文章：【嵌入式】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：
#define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018
// 开启端口B 时钟
RCC_APB2ENR |= 1< < 3;
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：
#define GPIOB_ODR *(volatile unsigned long *)0x40010C0C
//PB0 输出低电平
GPIOB_ODR = 0< < 0;
第一层级：基地址宏定义完成用STM32 控制一个LED 的完整代码：
#define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018
#define GPIOB_CRL *(volatile unsigned long *)0x40010C00
#define GPIOB_ODR *(volatile unsigned long *)0x40010C0C
int main(void)
{
// 开启端口B 的时钟
RCC_APB2ENR |= 1< < 3;
// 配置PB0 为通用推挽输出模式，速率为2M
GPIOB_CRL = (2< < 0) | (0< < 2);
// PB0 输出低电平，点亮LED
GPIOB_ODR = 0< < 0;
}
void SystemInit(void)
{
}
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。（struct用法参考【C语言】（2）:关键字的详细介绍）
typedef struct
{
volatile uint32_t CRL;
volatile uint32_t CRH;
volatile uint32_t IDR;
volatile uint32_t ODR;
volatile uint32_t BSRR;
volatile uint32_t BRR;
volatile uint32_t LCKR;
} GPIO_TypeDef;
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 （volatile用法参考【C语言】（2）:关键字的详细介绍），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：
#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 0800)
#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 0C00)
#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1000)
#define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1400)
#define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1800)
#define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 1C00)
#define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) 0X4001 2000)
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：
#define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)
#define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000)
#define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x20000)
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：
#define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
#define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
#define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
#define GPIOD_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)
#define GPIOE_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1800)
#define GPIOF_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1C00)
#define GPIOG_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x2000)
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：
#include < stdint.h >
#define __IO volatile
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;
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;
#define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)
#define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000)
#define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x20000)
#define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
#define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
#define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
#define GPIOD_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)
#define GPIOE_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1800)
#define GPIOF_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1C00)
#define GPIOG_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x2000)
#define RCC_BASE (AHBPERIPH_BASE + 0x1000)
#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
#define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)
#define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)
#define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)
#define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)
#define RCC ((RCC_TypeDef *) RCC_BASE)
#define RCC_APB2ENR *(volatile unsigned long *)0x40021018
#define GPIOB_CRL *(volatile unsigned long *)0x40010C00
#define GPIOB_ODR *(volatile unsigned long *)0x40010C0C
int main(void)
{
// 开启端口B 的时钟
RCC- >APB2ENR |= 1< < 3;
// 配置PB0 为通用推挽输出模式，速率为2M
GPIOB- >CRL = (2< < 0) | (0< < 2);
// PB0 输出低电平，点亮LED
GPIOB- >ODR = 0< < 0;
}
void SystemInit(void)
{
}