在单片机编程中，有很多人会因为一些貌似简单的处理而把问题弄得乱七八糟，如林中蛛网一样，错综复杂。

而事实上，根据编程魔法之思想，对程序处理的过程严格划分部门、各施其职、部门内部互不干涉内政，是成功编程的关键。

也许我这样说，很多人还觉得很抽象。因为人人都知道模块化设计的理念，但是又有几人能把这个理念运用自如？

好，为了说明这个问题，我们举一例而示三。

现在，我们要编写一个单片机的数据显示程序。

根据单片机编程魔法师的面向对象思想，显然我们要把我们的显示处理进行独立化处理，这种处理的结果是：这个显示处理我们将得到一个显示器对象，这个对象就是一个独立的模块，当我们在对这个显示器对象进行使用的时候，我们不必感觉到这个显示器对象所对应的硬件是什么显示器，例如到底是液晶显示器还是8段数码管什么的。

我们都知道，我们在编程的时候拥有至高无上的ducai权力。但是如果你真的要行使这样的权力，那你和你的程序最终都将会痛不欲生，特别是当你的程序规模不断扩大之后。

对于类似诸如显示器这类的编程，我们首先得从思想上将其理清关系，要做到分块清晰，结构合理。

为了做到这一点，我们就对这种程序使用三权分立。如图：

这幅图，配上三权分立思想，相信大家都能明白吧？这里就不多解释了。很多人会想：这思想想想就能想到。

本例子不考虑图像与动画处理，也不考虑单屏显示不下的问题。

首先，我们考虑三权分立中的数据区的管辖权。

数据区存放显示用的所有数据，我们以字符型显示器为例，数据区保存所有要显示的。

言下之意，其它地方不能有显示所需要的数据。

我们称这个数据区为显存。相信看到这个词，大家多少能想起点什么吧。

下面我们就简单地对显存进行一个定义：

#define ROWS        2
#define COLS          16
unsigned char vm[ROWS][COLS];

显存定义便结束了。

其显存者，分立三权之其一也。

本来，我们可以直接修改显存以更改显示内容，但是考虑到大通用与大继承，所以我们不能那么做。

因此我们不允许直接读写显存，为此，我们得提供一个通用的读写工具，如下：

// 功能：写显存
// 参数：r - 要写入的行
//           c - 要写入的列
//           s - 要写入的字符串
void WriteVM(unsigned char r, unsigned char c, unsigned char *s)
{
// 此处调用显示定位函数(本帖不讨论此函数)
// 此处处理显示字符串
}

这样一来，我们就有了控制操作显存之大发，接下来，我们就要考虑如何处理显存内容的显示了。

此等大发，诸位魔法师何不先撞头以修炼之？

接下来，显示显存的内容，便成了显示处理的关键。

显示显存的内容，无非就两个情况：一是需要不断更新的情况，二是需要即时更新的情况。

如果需要不断更新或有部分内容需要不断更新，这问题就好处理了。只需要提供一个不断刷新显示的函数就可以了，例子如下：

void showVM(void)
{
// 将显存的全部内容即时送显示器，即整屏刷新
// 部分不需要不断刷新的数据均使用不断更新的思想进行刷新
// 这种方法不适用单片机处理能力过差的情况
}

当然，如果有的魔法师不希望使用那种整屏刷新的办法，则只需要修改前面的WriteVM()函数为边写显存边刷新显示的办法即可。但是这种办法缺乏灵活性，我不建议这样做。因为现在的单片机一般都有足够的能力来处理显示这点事。

当然，写好一个showVM( )并不容易，因为有的显示屏可能会点阵很多。

这个时候，我们就得采用单行扫描法，以降低showVM( )对单片机ALU的占有率。单行扫描法即每次调用只刷新显示器的某一行或某一个部分。这就是《单片机编程魔法师》中的线程处理办法的一个具体的应用。

而当showVM( )写完后，显示器这个原本复杂的对象，也就被我们大大简化了。这简单的两个函数，即分立三权之其二也。

既然为三权分立，以下来说其三。

因为有了其一、其二的思想基础，其三便只是一个极为简单的运用了。我们可以毫无担忧的随处向显存写入要显示的内容，而不必担心它们如何显示、如何刷新。

这显然是一个大好消息。现在我们只需要把这个好消息写在纸上。例如：

void main( )
 {
   while(1)
   {
     ……
    WriteVM(x,y,"");   //可以在任何一个位置随意显示内容，而不必考虑任何显示问题，只需要考虑如何填入参数即可
    ……
    showVM( );        //此处只需一个简单的调用，不必在使用是考虑其它任何问题
  }
}

画此思想的空间框图如下：

最后，再次对此思想的运用做个总结。

在我提出裸编程面向对象思想之前，很多人都使用过编程语言所提供的面向对象编程。我也一样，之前使用了很多年。

既然大家都是用过面向对象编程的，这个起点大家都一样，也不值得一提，所以我几乎不说那时候的事情。

既然我提出面向对象的裸化，那就是一定与过去有所不同，否则我就是在这里哗众取宠、吃别人嚼过的馍了，而且这种替他人阿道式的宣传也绝无意义，随便到书店走一趟，相关书籍一大堆。

裸机编程总结

我再次指明：裸编程中的一切思想都是取自于过去的思想、但是又不同于过去的思想，其实现手法与传统的思想并不相同。裸编程思想忽略了语法的约束，忽略了工具的支持，将传统的思想进行了极大的简化，未引入任何额外的知识，从而让过去只有在足够的硬件、软件支持的方法，能够在无需任何额外软件支持以及只需极其简单的硬件中得以有效的使用。

这种思想与传统思想是一脉而不相同，同科而不同类。

很多人看了书，会认识那些概念都似曾相识，但是似曾相识，不等于获得真理。有没有获得真理，要看你能不能施出魔法。

正如C语言一样，它只用少的符号来描述世界，与人类语言大不相同，如英语、汉语。描述的符号越少，越是难以描述世界。因为符号少，可用的语素也就少。语素少，语法好学，但是用少量的语素去描述无穷的世界，会造成描述方法的复杂。

本文将以STM32F10x为例，对标准库开发进行概览。主要分为三块内容：

• STM32系统结构

• 寄存器

• 通过点灯案例，详解如何基于标准库构建STM32工程

STM32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。

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。

是不是看的眼都花了，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。

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。

从点灯开始学习STM32

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。

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。

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。

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，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。

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。

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)
{
}

第二层级变化：

①、定义一个外设（GPIO）寄存器结构体，结构体的成员包含该外设的所有寄存器，成员的排列顺序跟寄存器偏移地址一样，成员的数据类型跟寄存器的一样。

②外设内存映射，即把地址跟外设建立起一一对应的关系。

③外设声明，即把外设的名字定义成一个外设寄存器结构体类型的指针。

④通过结构体操作寄存器，实现点亮LED。

第三层级：基地址宏定义+结构体封装+“位封装”（每一位的对应字节封装）

上面我们在控制GPIO输出内容的时候控制的是ODR（Output data register）寄存器，ODR是一个16位的寄存器，必须以字的形式控制其实我们还可以控制BSRR和BRR这两个寄存器来控制IO的电平，下面我们简单介绍下BRR寄存器的功能，BSRR自行看手册研究。

位清除寄存器BRR只能实现位清0操作，是一个32位寄存器，低16位有效，写0没影响，写1清0。现在我们要使PB0输出低电平，点亮LED，则只要往BRR的BR0位写1即可，其他位为0，代码如下：

GPIOB->BRR = 0X0001;

这时PB0就输出了低电平，LED就被点亮了。

如果要PB2输出低电平，则是：

GPIOB->BRR = 0X0004;

如果要PB3/4/5/6。这些IO输出低电平呢？

道理是一样的，只要往BRR的相应位置赋不同的值即可。因为BRR是一个16位的寄存器，位数比较多，赋值的时候容易出错，而且从赋值的16进制数字我们很难清楚的知道控制的是哪个IO。

这时，我们是否可以把BRR的每个位置1都用宏定义来实现，如GPIO_Pin_0就表示0X0001，GPIO_Pin_2就表示0X0004。只要我们定义一次，以后都可以使用，而且还见名知意。“位封装”（每一位的对应字节封装） 代码如下：

#define GPIO_Pin_0 ((uint16_t)0x0001) /*!< Pin 0 selected */
#define GPIO_Pin_1 ((uint16_t)0x0002) /*!< Pin 1 selected */
#define GPIO_Pin_2 ((uint16_t)0x0004) /*!< Pin 2 selected */
#define GPIO_Pin_3 ((uint16_t)0x0008) /*!< Pin 3 selected */
#define GPIO_Pin_4 ((uint16_t)0x0010) /*!< Pin 4 selected */
#define GPIO_Pin_5 ((uint16_t)0x0020) /*!< Pin 5 selected */
#define GPIO_Pin_6 ((uint16_t)0x0040) /*!< Pin 6 selected */
#define GPIO_Pin_7 ((uint16_t)0x0080) /*!< Pin 7 selected */
#define GPIO_Pin_8 ((uint16_t)0x0100) /*!< Pin 8 selected */
#define GPIO_Pin_9 ((uint16_t)0x0200) /*!< Pin 9 selected */
#define GPIO_Pin_10 ((uint16_t)0x0400) /*!< Pin 10 selected */
#define GPIO_Pin_11 ((uint16_t)0x0800) /*!< Pin 11 selected */
#define GPIO_Pin_12 ((uint16_t)0x1000) /*!< Pin 12 selected */
#define GPIO_Pin_13 ((uint16_t)0x2000) /*!< Pin 13 selected */
#define GPIO_Pin_14 ((uint16_t)0x4000) /*!< Pin 14 selected */
#define GPIO_Pin_15 ((uint16_t)0x8000) /*!< Pin 15 selected */
#define GPIO_Pin_All ((uint16_t)0xFFFF) /*!< All pins selected */

这时PB0就输出了低电平的代码就变成了：

GPIOB->BRR = GPIO_Pin_0;

（如果同时让PB0/PB15输出低电平，用或运算，代码：

GPIOB->BRR = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_15;

为了不使main函数看起来冗余，上述库封装 的代码不应该放在main里面，因为其是跟GPIO相关的，我们可以把这些宏放在一个单独的头文件里面。

在工程目录下新建stm32f10x_gpio.h，把封装代码放里面，然后把这个文件添加到工程里面。这时我们只需要在main.c里面包含这个头文件即可。

第四层级：基地址宏定义+结构体封装+“位封装”+函数封装

我们点亮LED的时候，控制的是PB0这个IO，如果LED接到的是其他IO，我们就需要把GPIOB修改成其他的端口，其实这样修改起来也很快很方便。

但是为了提高程序的可读性和可移植性，我们是否可以编写一个专门的函数用来复位GPIO的某个位，这个函数有两个形参，一个是GPIOX（X=A...G），另外一个是GPIO_Pin（0...15），函数的主体则是根据形参GPIOX 和GPIO_Pin来控制BRR寄存器，代码如下：

void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
 GPIOx->BRR = GPIO_Pin;
}

这时，PB0输出低电平，点亮LED的代码就变成了：

GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);

同理， 我们可以控制BSRR这个寄存器来实现关闭LED，代码如下：

// GPIO 端口置位函数
void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
 GPIOx->BSRR = GPIO_Pin;
}

这时，PB0输出高电平，关闭LED的代码就变成了：

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);

同样，因为这个函数是控制GPIO的函数，我们可以新建一个专门的文件来放跟gpio有关的函数。

在工程目录下新建stm32f10x_gpio.c，把GPIO相关的函数放里面。这时我们是否发现刚刚新建了一个头文件stm32f10x_gpio.h，这两个文件存放的都是跟外设GPIO相关的。

C文件里面的函数会用到h头文件里面的定义，这两个文件是相辅相成的，故我们在stm32f10x_gpio.c 文件中也包含stm32f10x_gpio.h这个头文件。别忘了把stm32f10x.h这个头文件也包含进去，因为有关寄存器的所有定义都在这个头文件里面。

如果我们写其他外设的函数，我们也应该跟GPIO一样，新建两个文件专门来存函数，比如RCC这个外设我们可以新建stm32f10x_rcc.c和stm32f10x_rcc.h。其他外依葫芦画瓢即可。

实例编写

以上，是对库封住过程的概述，下面我们正在地使用库函数编写LED程序

①管理库的头文件

当我们开始调用库函数写代码的时候，有些库我们不需要，在编译的时候可以不编译，可以通过一个总的头文件stm32f10x_conf.h来控制，该头文件主要代码如下：

//#include "stm32f10x_adc.h"
//#include "stm32f10x_bkp.h"
//#include "stm32f10x_can.h"
//#include "stm32f10x_cec.h"
//#include "stm32f10x_crc.h"
//#include "stm32f10x_dac.h"
//#include "stm32f10x_dbgmcu.h"
//#include "stm32f10x_dma.h"
//#include "stm32f10x_exti.h"
//#include "stm32f10x_flash.h"
//#include "stm32f10x_fsmc.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
//#include "stm32f10x_i2c.h"
//#include "stm32f10x_iwdg.h"
//#include "stm32f10x_pwr.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
//#include "stm32f10x_rtc.h"
//#include "stm32f10x_sdio.h"
//#include "stm32f10x_spi.h"
//#include "stm32f10x_tim.h"
//#include "stm32f10x_usart.h"
//#include "stm32f10x_wwdg.h"
//#include "misc.h"

这里面包含了全部外设的头文件，点亮一个LED我们只需要RCC和GPIO 这两个外设的库函数即可，其中RCC控制的是时钟，GPIO控制的具体的IO口。所以其他外设库函数的头文件我们注释掉，当我们需要的时候就把相应头文件的注释去掉即可。

stm32f10x_conf.h这个头文件在stm32f10x.h这个头文件的最后面被包含，在第8296行：

#ifdef USE_STDPERIPH_DRIVER
#include "stm32f10x_conf.h"
#endif

代码的意思是，如果定义了USE_STDPERIPH_DRIVER这个宏的话，就包含stm32f10x_conf.h这个头文件。

我们在新建工程的时候，在魔术棒选项卡C/C++中，我们定义了USE_STDPERIPH_DRIVER 这个宏，所以stm32f10x_conf.h 这个头文件就被stm32f10x.h包含了，我们在写程序的时候只需要调用一个头文件：stm32f10x.h即可。

②编写LED初始化函数

经过寄存器点亮LED的操作，我们知道操作一个GPIO输出的编程要点大概如下：

1、开启GPIO的端口时钟

2、选择要具体控制的IO口，即pin

3、选择IO口输出的速率，即speed

4、选择IO口输出的模式，即mode

5、输出高/低电平

STM32的时钟功能非常丰富，配置灵活，为了降低功耗，每个外设的时钟都可以独自的关闭和开启。STM32中跟时钟有关的功能都由RCC这个外设控制，RCC中有三个寄存器控制着所以外设时钟的开启和关闭：RCC_APHENR、RCC_APB2ENR和RCC_APB1ENR，AHB、APB2和APB1代表着三条总线，所有的外设都是挂载到这三条总线上，GPIO属于高速的外设，挂载到APB2总线上，所以其时钟有RCC_APB2ENR控制。

GPIO 时钟控制
固件库函数：RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE)函数的

原型为：

void RCC_APB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB2Periph,
                              FunctionalState NewState)
{
 /* Check the parameters */
 assert_param(IS_RCC_APB2_PERIPH(RCC_APB2Periph));
 assert_param(IS_FUNCTIONAL_STATE(NewState));
 if (NewState != DISABLE) 
 {
  RCC->APB2ENR |= RCC_APB2Periph;
 } 
 else 
 {
  RCC->APB2ENR &= ~RCC_APB2Periph;
 }
}

当程序编译一次之后，把光标定位到函数/变量/宏定义处，按键盘的F12或鼠标右键的Go to definition of，就可以找到原型。固件库的底层操作的就是RCC外设的APB2ENR这个寄存器，宏RCC_APB2Periph_GPIOB的原型是：0x00000008，即（1<<3），还原成存器操作就是：RCC->APB2ENR |= 1<<<3。相比固件库操作，寄存器操作的代码可读性就很差，只有才查阅寄存器配置才知道具体代码的功能，而固件库操作恰好相反，见名知意。

GPIO 端口配置

GPIO的pin，速度，模式，都由GPIO的端口配置寄存器来控制，其中IO0~IO7由端口配置低寄存器CRL控制，IO8~IO15由端口配置高寄存器CRH配置。固件库把端口配置的pin，速度和模式封装成一个结构体：

typedef struct 
{
 uint16_t GPIO_Pin;
 GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;
 GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;
} GPIO_InitTypeDef;

pin可以是GPIO_Pin_0~GPIO_Pin_15或者是GPIO_Pin_All，这些都是库预先定义好的宏。speed也被封装成一个结构体：

typedef enum 
{
 GPIO_Speed_10MHz = 1,
 GPIO_Speed_2MHz,
 GPIO_Speed_50MHz
} GPIOSpeed_TypeDef;

速度可以是10M，2M或者50M，这个由端口配置寄存器的MODE位控制，速度是针对IO口输出的时候而言，在输入的时候可以不用设置。mode也被封装成一个结构体：

typedef enum 
{
 GPIO_Mode_AIN = 0x0, // 模拟输入
 GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, // 浮空输入（复位后的状态）
 GPIO_Mode_IPD = 0x28, // 下拉输入
 GPIO_Mode_IPU = 0x48, // 上拉输入
 GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, // 通用开漏输出
 GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, // 通用推挽输出
 GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, // 复用开漏输出
 GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 // 复用推挽输出
} GPIOMode_TypeDef;

IO口的模式有8种，输入输出各4种，由端口配置寄存器的CNF配置。平时用的最多的就是通用推挽输出，可以输出高低电平，驱动能力大，一般用于接数字器件。

最终用固件库实现就变成这样：

// 定义一个GPIO_InitTypeDef 类型的结构体
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

// 选择要控制的IO 口
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;

// 设置引脚为推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;

// 设置引脚速率为50MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;

/*调用库函数，初始化GPIOB0*/
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

倘若同一端口下不同引脚有不同的模式配置，每次对每个引脚配置完成后都要调用GPIO初始化函数，代码如下：

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15 ;                      
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;                  //上拉输入
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 ;                     
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;               //推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); 

GPIO 输出控制

GPIO输出控制，可以通过端口数据输出寄存器ODR、端口位设置/清除寄存器BSRR和端口位清除寄存器BRR这三个来控制。端口输出寄存器ODR是一个32位的寄存器，低16位有效，对应着IO0~IO15，只能以字的形式操作，一般使用寄存器操作。

// PB0 输出高电平，点亮LED
GPIOB->ODR = 1<<0;

端口位清除寄存器BRR是一个32位的寄存器，低十六位有效，对应着IO0~IO15，只能以字的形式操作，可以单独对某一个位操作，写1清0。

// PB0 输出低电平，点亮LED
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);

BSRR是一个32位的寄存器，低16位用于置位，写1有效，高16位用于复位，写1有效，相当于BRR寄存器。高16位我们一般不用，而是操作BRR这个寄存器，所以BSRR这个寄存器一般用来置位操作。

// PB0 输出高电平，熄灭LED
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);

综上：固件库LED GPIO初始化函数

void LED_GPIO_Config(void)
{
 // 定义一个GPIO_InitTypeDef 类型的结构体
 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

 // 开启GPIOB 的时钟
 RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

 // 选择要控制的IO 口
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;

 // 设置引脚为推挽输出
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;

 // 设置引脚速率为50MHz
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

 /*调用库函数，初始化GPIOB0*/
 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

 // 关闭LED
 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
}
主函数
#include "stm32f10x.h"


void SOFT_Delay(__IO uint32_t nCount);
void LED_GPIO_Config(void);

int main(void)
{
 // 程序来到main 函数之前，启动文件：statup_stm32f10x_hd.s 已经调用
 // SystemInit()函数把系统时钟初始化成72MHZ
 // SystemInit()在system_stm32f10x.c 中定义
 // 如果用户想修改系统时钟，可自行编写程序修改

 LED_GPIO_Config();

 while ( 1 ) 
 {
  // 点亮LED
  GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
  Time_Delay(0x0FFFFF);

  // 熄灭LED
  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
  Time_Delay(0x0FFFFF);
 }
}
// 简陋的软件延时函数
void Time_Delay(volatile uint32_t Count)
{
 for (; Count != 0; Count--);
}

注意void Time_Delay(volatile uint32_t Count)只是一个简陋的软件延时函数，如果小伙伴们有兴趣可以看一看MultiTimer，它是一个软件定时器扩展模块，可无限扩展所需的定时器任务，取代传统的标志位判断方式， 更优雅更便捷地管理程序的时间触发时序。

(1)存储器扩展：容量需求，在选择时就考虑到单片机的内部存储器资源，如能满足要求就不需要进行扩展，在必须扩展时注意存储器的类型、容量和接口，一般尽量留有余地，并且尽可能减少芯片的数量。选择合适的方法、ROM和RAM的形式，RAM是否要进行掉电保护等。

(2)I/O接口的扩展：单片机应用系统在扩展I/O接口时应从体积、价格、负载能力、功能等几个方面考虑。应根据外部需要扩展电路的数量和所选单片机的内部资源(空闲地址线的数量)选择合适的地址译码方法。

(3)输入通道的设计：输入通道设计包括开关量和模拟输入通道的设计。开关量要考虑接口形式、电压等级、隔离方式、扩展接口等。模拟量通道的设计要与信号检测环节(传感器、信号处理电路等)结合起来，应根据系统对速度、精度和价格等要求来选择，同时还需要和传感器等设备的性能相匹配，要考虑传感器类型、传输信号的形式(电流还是电压)、线性化、补偿、光电隔离、信号处理方式等，还应考虑A/D转换器的选择(转换精度、转换速度、结构、功耗等)及相关电路、扩展接口，有时还涉及软件的设计。高精度的模数转换器价格十分昂贵，因而应尽量降低对A/D转换器的要求，能用软件实现的功能尽量用软件来实现。

(4)输出通道的设计：输出通道设计包括开关量和模拟量输出通道的设计。开关量要考虑功率、控制方式(继电器、可控硅、三极管等)。模拟量输出要考虑D/A转换器的选择(转换精度、转换速度、结构、功耗等)、输出信号的形式(电流还是电压)、隔离方式、扩展接口等。

(5)人机界面的设计：人机界面的设计包括输入键盘、开关、拨码盘、启/停操作、复位、显示器、打印、指示、报警等。输入键盘、开关、拨码盘应考虑类型、个数、参数及相关处理(如按键的去抖处理)。启/停、复位操作要考虑方式(自动、手动)及其切换。显示器要考虑类型(LED，LCD)、显示信息的种类、倍数等。此外还要考虑各种人机界面的扩展接口。

(6)通信电路的设计：单片机应用系统往往作为现场测控设备，常与上位机或同位机构成测控网络，需要其有数据通信的能力，通常设计为RS-232C、RS-485、红外收发等通信标准。

(7)印刷电路板的设计与制作：电路原理图和印刷电路板的设计常采用专业设计软件进行设计，如Protel，OrCAD等。设计印刷电路板需要有很多的技巧和经验，设计好印刷电路板图后应送到专业化制作厂家生产，在生产出来的印刷电路板上安装好元件，则完成和制作。

(8)负载容限的考虑：单片机总线的负载能力是有限的。如MCS-51的P0口的负载能力为4mA，最多驱动8个TTL电路，P1～P3口的负载能力为2mA，最多驱动4个TTL电路。若外接负载较多，则应采取总线驱动的方法提高系统的负载容限。常用驱动器有：单向驱动器74LS244，双向驱动器74LS245等。

(9)信号逻辑电平兼容性的考虑：在所设计的电路中，可能兼有TTL和CMOS器件，也有非标准的信号电平，要设计相应的电平兼容和转换电路。当有RS-232，RS-485接口时，还要实现电平兼容和转换。常用的集成电路有MAX232，MAX485等。

(10)电源系统的配置：单片机应用系统一定需要电源，要考虑电源的组数、输出功率、抗干扰。要熟悉常用三端稳压器(78хх系列、79хх系列)、精密电源(AD580，MC1403，CJ313/336/385，W431)的应用。

(11)抗干扰的实施：采取必要的抗干扰措施是保证单片机系统正常工作的重要环节。它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。

为了防止大家的程序不被剽窃，本文给大家分享单片机加密的方法。

常见加密方法

程序写保护

这种方法是最常见，也是最简单的一种。现在的MUC基本都有写保护功能，但是这种容易被人破解。

烧断数据总线

这个方法听起来不错，但有损坏的风险，同样也能破解。

软件加密

是一些防止别人读懂程序的方法，单一的这种方法不能防止别人全盘复制，须配合其他的加密算法。

添加外部硬件电路的加密方法

这个方法效果看起来比较好，但会增加成本。

芯片打磨改型

这个方法改了型号能误导，但同时也增加成本，解密者一般也能分析出来。

通过通过联网加序列号加密

通过连接网络，在你的MCU中生成一个唯一的随机长序列号，并加入复杂的特种算法，或加入你们重新编码的企业信息在里面，每个芯片内不同，复制者只能复制到一个序列号。

通过MCU唯一的标识加密

以前很多MCU没有唯一标识码，现在的很多MCU都具有唯一标识码了。

这个方法比较好，简单省事，能很好的防止复制。

读保护 + 唯一ID加密

使用读保护 + 唯一ID的加密是最常用的一种方法，也是推荐大家使用的一种方法。

唯一ID

现在正规的芯片，每颗出厂的时候都带了一个唯一标识码，这个号码是唯一不重复的，比如STM32的就使用96位作为唯一ID。

和我们每个人的身份证号码一样，现在刚出生的婴儿，上户的时候就给他一个身份证号，那么每个芯片一生产出来，也就具备了这个身份证号。

加密原理

读保护就不用说了，增加被破解难度。

使用唯一ID加密的方法很多，这里说一种简单的方法：出厂时程序读取唯一ID并保存在一个位置，以后程序执行之前，要读取并匹配这个唯一ID，一致才执行程序。

当然，这种方法是最基础的原理，但也存在被破解的风险。所以，存储的数据，以及读取验证这两个地方需要进一步添加一些算法。

这样操作之后，即使别人读取了你的程序，也是无法正常执行。