楊 宇

(昆明冶金高等?？茖W(xué)校電氣與機(jī)械學(xué)院，云南 昆明 650033)

0 引 言

隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，在嵌入式控制領(lǐng)域，32位高性能單片機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。很多單片機(jī)開發(fā)者對于單片機(jī)的學(xué)習(xí)都是從8位低性能單片機(jī)開始的，8位低性能單片機(jī)和32位高性能單片機(jī)在很多方面存在差異，這使得許多想繼續(xù)學(xué)習(xí)32位高性能單片機(jī)的單片機(jī)開發(fā)者遇到了障礙。

8位低性能單片機(jī)的寄存器映射原理相對簡單，很多單片機(jī)開發(fā)者都能理解，但是他們對32位高性能單片機(jī)的寄存器映射原理往往理解不足，該文以這2種單片機(jī)的2種典型型號為例，即8位低性能單片機(jī)中的8051單片機(jī)，32位高性能單片機(jī)中的STM32F103單片機(jī)，將這2種單片機(jī)的寄存器映射原理進(jìn)行對比分析，筆者認(rèn)為這種比較式的闡述能幫助單片機(jī)開發(fā)者更好地理解32位高性能單片機(jī)的寄存器映射原理。正確理解寄存器映射的原理對于開發(fā)者進(jìn)行STM32單片機(jī)后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)有極大的幫助。

1 2種單片機(jī)的寄存器映射

單片機(jī)寄存器是具有特定功能的單片機(jī)內(nèi)部存儲器單元，所謂寄存器映射是指將每個(gè)寄存器單元的名稱和絕對地址對應(yīng)起來，或者說給每個(gè)寄存器單元取1個(gè)名字，以便在編程時(shí)直接使用寄存器名稱來訪問寄存器單元，這樣可以讓編程更加方便，程序更加易讀。我們首先了解2種單片機(jī)寄存器映射完成后的結(jié)構(gòu)圖(主要以編程時(shí)最常用的通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口寄存器為例)，再分析寄存器映射實(shí)現(xiàn)的原理。

8051單片機(jī)內(nèi)部存儲器結(jié)構(gòu)相對簡單，每個(gè)字節(jié)對應(yīng)1存儲單元，每個(gè)存儲單元有唯一的地址，總共有256個(gè)字節(jié)，對應(yīng)地址00H到FFH，寄存器位于高128字節(jié)，每個(gè)寄存器通常占1個(gè)字節(jié)，并對應(yīng)不同的地址和名稱，見圖1，比如常用的4個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口P0到P3，每個(gè)端口對應(yīng)1個(gè)寄存器：名稱P0對應(yīng)地址為80H的寄存器，名稱P1對應(yīng)地址為90H的寄存器，名稱P2對應(yīng)地址為A0H的寄存器，名稱P3對應(yīng)地址為B0H的寄存器，編程時(shí)只需操作名稱P0、P1、P2、P3就可以訪問相關(guān)寄存器單元。STM32F103單片機(jī)內(nèi)部存儲器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，存儲單元個(gè)數(shù)也比較多，總共包含4 294 967 296個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)對應(yīng)1個(gè)存儲單元，每個(gè)存儲單元有唯一的地址，對應(yīng)地址00000000H到FFFFFFFFH，見圖2，常用寄存器位于block2，地址范圍是40000000H到5FFFFFFFH，每個(gè)寄存器通常占4個(gè)字節(jié)(8 051單片機(jī)每個(gè)寄存器通常只占1個(gè)字節(jié))，block2中包含7個(gè)常用的通用數(shù)據(jù)輸入輸出口：PortA、PortB、PortC、PortD、PortE、PortF、PortG這7個(gè)名稱并不是每個(gè)端口的寄存器名稱，因?yàn)镾TM32F103單片機(jī)的每個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出口都包含7個(gè)寄存器(8 051單片機(jī)每個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出口只包含1個(gè)寄存器)：端口配置低寄存器CRL、端口配置高寄存器CRH、數(shù)據(jù)輸入寄存器IDR、數(shù)據(jù)輸出寄存器ODR、位設(shè)置/清除寄存器BSRR、端口位清除寄存器BRR、端口配置鎖定寄存器LCKR，并且每個(gè)寄存器占4個(gè)字節(jié)的存儲空間，所以以B口(PortB)為例，它所包含的寄存器名稱為：GPIOB->CRL、GPIOB->CRH、GPIOB->IDR、GPIOB->ODR、GPIOB->BSRR、GPIOB->BRR、GPIOB->LCKR，以上寄存器名稱分別對應(yīng)的寄存器地址為：0x40010C00、0x40010C04、0x40010C08、0x40010C0C、0x40010C10、0x40010C14、0x40010C18，編程時(shí)通過操作寄存器名稱訪問相關(guān)寄存器單元。

圖1 8 051單片機(jī)寄存器映射Fig.1 Register mapping of MCU8 051

圖2 STM32F103單片機(jī)寄存器映射Fig.2 Register mapping of STM32F103

2 2種單片機(jī)寄存器映射實(shí)現(xiàn)原理

8 051單片機(jī)和STM32F103單片機(jī)都是通過頭文件中的程序來實(shí)現(xiàn)寄存器映射的，8 051單片機(jī)使用的頭文件是reg51.h，STM32F103單片機(jī)使用的頭文件是STM32f10x.h，reg51.h文件是單片機(jī)開發(fā)軟件自帶的，而STM32f10x.h文件需要用戶創(chuàng)建。正確理解頭文件中的相關(guān)程序就能正確理解單片機(jī)實(shí)現(xiàn)寄存器映射的原理，上述2種單片機(jī)的寄存器映射程序差別很大，下面將主要分析和比較2種單片機(jī)寄存器映射的實(shí)現(xiàn)代碼。

2.1 8 051單片機(jī)寄存器映射實(shí)現(xiàn)原理

8 051單片機(jī)寄存器映射實(shí)現(xiàn)原理相對簡單，主要是通過C51編程語言中的關(guān)鍵字“SFR”和運(yùn)算符“=”將寄存器的名稱和寄存器的絕對地址聯(lián)系起來，如圖3所示，編程時(shí)給寄存器名稱賦值就可以操作寄存器。以操作通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口P1為例：如圖3中的語句sfr P1=0x90，P1是8051單片機(jī)通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口1的名稱，0x90是該寄存器在內(nèi)存中的絕對地址，可在圖1中找到。這樣在編寫應(yīng)用程序時(shí)就可以直接使用P1來操作該端口，比如：想讓8 051單片機(jī)P1端口的8個(gè)引腳都輸出高電平，使用語句P1=0xFF就可以實(shí)現(xiàn)。操作其他的寄存器也是同樣的道理。

圖3 8 051單片機(jī)寄存器映射實(shí)現(xiàn)原理Fig.3 Register mapping principle of MCU8 051

2.2 STM32F103單片機(jī)寄存器映射實(shí)現(xiàn)原理

相較于8 051單片機(jī)，STM32F103單片機(jī)由于存儲器結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，存儲單元數(shù)量更多，并且程序中不能使用關(guān)鍵字SFR，所以STM32F103單片機(jī)寄存器映射實(shí)現(xiàn)原理比較復(fù)雜。還是以操作通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口(GPIO)為例來闡述，由于STM32F103單片機(jī)的片內(nèi)外設(shè)結(jié)構(gòu)層級較多并且1個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口包含多個(gè)寄存器，所以映射實(shí)現(xiàn)代碼的思路是首先確定各個(gè)GPIO的基地址，然后將各個(gè)基地址轉(zhuǎn)換成一種合適的數(shù)據(jù)類型的指針。

(1)確定各個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口的基地址

STM32F103單片機(jī)的CPU是通過3種總線(APB1、APB2、AHB)來連接各種外圍設(shè)備的，通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口連接在APB2總線上，1個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口包含多個(gè)寄存器。根據(jù)這種層級關(guān)系，某個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口的基地址是根據(jù)CPU的外設(shè)基地址(圖4中的PERIPH_BASE)、總線基地址(圖4中的APB2PERIPH_BASE)和偏移量(圖4中“+”號后的常量)來確定的。如圖4所示，用C語言關(guān)鍵字#define進(jìn)行宏定義，將宏GPIOA_BASE、GPIOB_BASE、GPIOC_BASE、GPIOD_BASE、GPIOE_BASE、GPIOF_BASE、GPIOG_BASE定義成7個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口的絕對基地址，這7個(gè)絕對基地址分別對應(yīng)圖2中PortA、PortB、PortC、PortD、PortE、PortF、PortG的首地址。

圖4 STM32F103單片機(jī)寄存器映射實(shí)現(xiàn)原理1Fig.4 Register mapping principle 1 of STM32F103

(2)把各個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口的基地址轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)體型指針

STM32F103單片機(jī)包含7個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口，每個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口包含多個(gè)寄存器，如果確定7個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口的基地址之后，再根據(jù)每個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口中的各個(gè)寄存器(端口配置低寄存器CRL、端口配置高寄存器CRH、數(shù)據(jù)輸入寄存器IDR、數(shù)據(jù)輸出寄存器ODR、位設(shè)置/清除寄存器BSRR、端口位清除寄存器BRR、端口配置鎖定寄存器LCKR)的偏移地址得到各個(gè)寄存器的絕對地址，再將這些絕對地址使用#define進(jìn)行宏定義，這種方法也可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)寄存器的映射，但是重復(fù)性代碼量

過多，技術(shù)含量低，不是一種好方法。STM32F103單片1個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口包含多個(gè)寄存器這一特征可以使用C語言中的1種構(gòu)造數(shù)據(jù)類型—結(jié)構(gòu)體來表示，用結(jié)構(gòu)體的名稱代表某個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口，用結(jié)構(gòu)體的各個(gè)成員代表該通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口的各個(gè)寄存器。圖5中的GPIO_TypeDef就是創(chuàng)建的1個(gè)結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體的成員CRL代表端口配置低寄存器，成員CRH代表端口配置高寄存器，成員IDR代表數(shù)據(jù)輸入寄存器，成員ODR代表數(shù)據(jù)輸出寄存器，成員BSRR代表位設(shè)置/清除寄存器，成員BRR代表端口位清除寄存器，成員LCKR代表端口配置鎖定寄存器。將之前定義的各個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口基地址的宏強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成GPIO_TypeDef型指針，最后用#define將宏GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG分別定義成7個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口的指向每個(gè)端口基地址的GPIO_TypeDef型指針，這樣就可以通過使用這些宏名稱加結(jié)構(gòu)體成員名稱來操作各個(gè)通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口的寄存器，比如使用語句GPIOB->ODR=0xFFFF就可以讓通用數(shù)據(jù)輸入輸出端口B對應(yīng)的引腳輸出高電平。相比第一種方法，這種引入結(jié)構(gòu)體的方法更加高效合理。操作其他的寄存器也是同樣的道理，這里就不贅述。

圖5 STM32F103單片機(jī)寄存器映射實(shí)現(xiàn)原理2Fig.5 Register mapping principle 2 of STM32F103

3 結(jié) 語

8 051單片機(jī)和STM32F103單片機(jī)的寄存器映射原理既有相同點(diǎn)又有差異性，對于單片機(jī)開發(fā)者來說，將兩者結(jié)合起來對比學(xué)習(xí)比單純學(xué)習(xí)STM32F103單片機(jī)的寄存器映射原理更容易理解，采用基地址結(jié)合結(jié)構(gòu)體的方法能夠很好的實(shí)現(xiàn)STM32F103單片機(jī)的寄存器映射，一旦掌握了STM32單片機(jī)的寄存器映射原理，對于STM32單片機(jī)的寄存器編程和固件庫編程會有極大的幫助，能夠讓單片機(jī)開發(fā)者在編程時(shí)知其然并知其所以然。