Мы рассмотрели работу с битовыми операциями и двоичными числами, тем самым заложив основу для рассмотрения новой темы. В этом уроке мы с Вами рассмотрим очередной вопрос: что такое регистры и как с ними работать ?

Память и регистры

Одним из самых важных навыков необходимых при работе с микроконтроллерами является умение взаимодействовать с регистрами. Давайте для себя разберемся, что же это такое ?

В целом, регистр - это особый вид памяти внутри микроконтроллера, который используется для управления процессором и периферийными устройствами. Каждый регистр в архитектуре ARM представляет собой ячейку памяти и имеет длину в 32 бита, где каждый бит можно представить в виде крошечного выключателя с помощью которого осуществляется управление тем или иным параметром микроконтроллера.

Каждый из регистров имеет свой порядковый номер – адрес. Адрес регистра обозначается 32-битным числом представленным в шестнадцатеричной системе счисления. Путём записи по адресу регистра определённой комбинации единиц и нулей, которые обычно представлены в шестнадцатеричном виде, осуществляется настройка и управление тем или иным узлом в МК. Вспомним, что в программе для работы с битовыми операциями, мы могли представить в виде шестнадцатеричного числа произвольный набор единиц и нулей. В целом стоит отметить, что существует два вида регистров: регистры общего назначения и специальные регистры. Первые расположены внутри ядра МК, а вторые являются частью RAM-памяти.

Так же стоит отметить, что Reference Manual , который мы скачивали в первом уроке , это один большой справочник по регистрам, содержащимся в целевом микроконтроллере, а библиотека CMSIS позволяет нам оперировать символьными именами регистров вместо числовых адресов. Например, к регистру 0x40011018 мы можем обратиться просто, используя символьное имя GPIOC_BSSR . Конкретные примеры конфигурирования мы рассмотрим в ходе разбора нашей программы из .

Итак, обычно структура регистра описывается в виде небольшой таблицы с указанием:

1. Названия регистра и описания его назначения
2. Адреса регистра или смещением относительно базового адреса
3. Значения по умолчанию после сброса
4. Типа доступа к ячейкам регистра (чтение, запись, чтение/запись)
5. Значения и описания параметров записываемых битов

Давайте рассмотрим пример работы с регистрами в конкретной ситуации, чтобы получить общее представление о принципах настройки микроконтроллера.

Разбор кода из первого занятия

Итак, давайте вспомним задачу, которую мы решили на используя готовый код примера: нам было необходимо написать программу, которая бы обеспечила попеременное включение двух светодиодов на плате Discovery (возможно и не двух, если у вас другая версия платы Discovery) с временным интервалом.

Давайте еще разок взглянем на код программы, которую мы использовали для того, чтобы заставить наш МК дрыгать двумя ногами на которых расположены наши светодиоды:

Код main.c

/* Заголовочный файл для нашего семейства микроконтроллеров*/ #include "stm32f0xx.h" /* Тело основной программы */ int main(void) { /* Включаем тактирование на порту GPIO */ RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_GPIOCEN; /* Настраиваем режим работы портов PC8 и PC9 в Output*/ GPIOC ->MODER = 0x50000; /* Настраиваем Output type в режим Push-Pull */ GPIOC->OTYPER = 0; /* Настраиваем скорость работы порта в Low */ GPIOC->OSPEEDR = 0; while(1) { /* Зажигаем светодиод PC8, гасим PC9 */ GPIOC->ODR = 0x100; for (int i=0; i<500000; i++){} // Искусственная задержка /* Зажигаем светодиод PC9, гасим PC8 */ GPIOC->ODR = 0x200; for (int i=0; i<500000; i++){} // Искусственная задержка } }

Первым делом, при работе с STM32, даже для такой простой задачи как включение и выключение светодиода нам необходимо предварительно ответить на ряд вопросов:

1. Как настроить, нужные нам, пины порта GPIO для того чтобы можно было включить светодиод?
2. Как включить и выключить светодиод?

Ответим на них по порядку.

Куда подключены наши светодиоды? К какому выводу микроконтроллера?

Для того, чтобы посмотреть где что находится на плате Discovery, а в частности, нужные нам светодиоды - нужно открыть Schematic-файл, либо тот который мы скачали с сайта ST , либо прямо из Keil:

Открыв Schematic мы увидим схему всего того, что есть на плате - схему ST-Link, обвязку всей периферии и многое другое. На текущий момент нас интересуют два светодиода, ищем их обозначение:

Как мы видим, наши светодиоды подключены к порту GPIOC на 8 и 9 пин.

Как включить тактирование на нужный порт GPIO?

В целом, любая работа с периферией в микроконтроллерах STM32 сводится к стандартной последовательности действий:

1. Включение тактирования соответствующего периферийного модуля. Осуществляется это через регистр RCC путем подачи тактового сигнала напрямую с шины на которой находится данный модуль. По умолчанию тактирование всей периферии отключено для минимизации энергопотребления.
2. Настройка через управляющие регистры, путем изменения параметров специфичных для конкретного периферийного устройства
3. Непосредственный запуск и использование результатов работы модуля

То есть, для начала работы нам нужно запустить тактирование на порт GPIOC. Это делается напрямую через обращение к регистру RCC отвечающему за тактирование всего и вся и включению тактового сигнала с шины, к которой подключен наш порт GPIO.

Внимание! Вопрос касательно системы тактирования, её настройки и использования мы подробно рассмотрим в отдельной статье.

Найти к какой шине подключен наш порт GPIOC можно найти в Datasheet"е на наш МК в разделе Memory Mapping в Таблице 16. STM32F051xx peripheral register boundary addresses.

Как вы уже успели заметить, необходимая нам шина именуется как AHB2. Для того чтобы подробнее ознакомиться с регистром, в котором включается тактирование на нужный нам порт GPIO на шине AHB, надо перейти в соответствующий раздел в Reference Manual. По названию регистров мы можем определить тот, который нужен нам:

Переходим в этот пункт, и мы видим наш 32-битный регистр, его адрес смещения, значение по умолчанию, способ доступа к регистру и перечисление того, за что отвечает каждый бит в регистре.

Смотрим на таблицу и видим нечто напоминающее опции включения тактирования на портах GPIO. Переходим к описанию и находим нужную нам опцию:

Соответственно если мы установим 19 бит в значение «1» то это обеспечит включение тактирования на порт I/O C – то есть на наш GPIOC. К тому же - нам нужно включить отдельно один бит из группы, не затрагивая остальные т.к. мы не должны мешать и изменять без надобности другие настройки.

Основываясь на материалах прошлого урока, мы знаем что для того чтобы выставить определенный бит нужно используя логическую операцию «ИЛИ» сложить текущее значение регистра с маской которая содержит те биты которые необходимо включить. Например, сложим значение регистра RCC->AHBENR по умолчанию, т.е. 0x14 и число 0x80000 тем самым включим тактирование GPIOC путем установки 19 бита:

Каким образом мы можем это сделать из программы? Всё достаточно просто. В данном случае у нас два варианта:

1. Запись в регистр напрямую численного значения регистра напрямую через его адрес.
2. Настройка с использованием библиотеки CMSIS

В записи значения в регистр напрямую нет особых проблем, но есть пара существенных недостатков. Во-первых, такой код становится не читабельным и во-вторых мы не можем сходу определить на какой регистр ссылается тот или иной адрес в памяти.

То есть, мы могли бы обращаться к адресам регистров напрямую по адресу и написать так:

IO uint32_t * register_address = (uint32_t *) 0x40021014U; // Адрес нашего регистра в памяти *(__IO uint32_t *)register_address |= 0x80000; // Включаем 19 бит с нашим параметром
Второй вариант мне кажется наиболее привлекательным, т.к. библиотека CMSIS организована таким способом, что регистру можно обращаться, используя только его название. Препроцессор в ходе обработки текста программы перед компиляцией подставит все цифровые значения адреса регистра автоматически. Давайте разберем этот вопрос чуть подробнее.

Предлагаю открыть наш проект, который мы сделали в первом занятии, или скачайте предварительно подготовленый отсюда и удалите все содержимое программы оставив только подключенный заголовочный файл, функцию main() и инструкцию для включения тактирования (она нам понадобится для подробного разбора кода).

Наш код будет выглядеть следующим образом:

/* Заголовочный файл для нашего семейства микроконтроллеров*/ #include "stm32f0xx.h" /* Тело основной программы */ int main(void) { /* Включаем тактирование на порту GPIO */ RCC->AHBENR|=RCC_AHBENR_GPIOCEN; }
Давайте для ознакомления копнём вглубь библиотеки CMSIS.

Для того, чтобы быстро перейти к месту где объявлена та или иная константа или переменная в Keil реализована удобная функция. Кликаем правой кнопкой по необходимой нам константе, например, на RCC:

И мы переносимся в глубины библиотеки CMSIS, в которой увидим, что все регистры доступные для управления программным способом имеют вид TypeDef-структур, в том числе и наш RCC:

Провалившись подобным образом в RCC_TypeDef мы увидим структуру в которой описаны все поля нашего регистра:

Соответственно, мы можем спокойно обращаться к нужному нам регистру записью вида PERIPH_MODULE->REGISTER и присваивать ему определенное значение.

Помимо мнемонического обозначения регистров есть так же обозначения конкретных битов. Если мы провалимся к объявлению параметра RCC_AHBENR_GPIOCEN из нашей программы, то так же увидим объявление всех параметров:

Таким образом, используя библиотеку CMSIS у нас получается лаконичная читаемая запись нужного нам параметра в регистр, через установку которого мы запускаем тактирование на нужный нам порт:

/* Включаем тактирование на порту GPIO */ RCC->AHBENR|=RCC_AHBENR_GPIOCEN;
В качестве задания: определите используя возможности Keil, каким образом получился адрес регистра RCC->AHBENR как 0x40021014.

Как настроить нужные нам пины GPIO для того чтобы можно было включить светодиод?

Итак, мы знаем что нужные нам светодиоды подключены к порту GPIOC к пинам PC8 и PC9. Нам нужно настроить их в такой режим, чтобы загорался светодиод. Хотелось бы сразу же сделать оговорку, что порты GPIO мы рассмотрим подробнее в другой статье и тут мы сконцентрируемся именно на работе с регистрами.

Первым делом нам нужно перевести режим работы пинов PC8 и PC9 в режим Output. Остальные параметры порта можно оставить по умолчанию. Переходим в Reference Manual в раздел 9. General-purpose I/Os (GPIO) и открываем пункт отвечающий за режим работы пинов порта GPIO и видим что за этот параметр отвечает регистр MODER:

Судя по описанию, для установки пинов PC8 и PC9 в режим Output мы должны записать 01 в соответствующие поля регистра GPIOC.

Это можно сделать через прямую установку с помощью числовых значений:

Или через использование определений из библиотеки:

/* Включаем тактирование на порту GPIO */ GPIOC->MODER |= GPIO_MODER_MODER8_0 | GPIO_MODER_MODER9_0;
После данной инструкции наши пины PC8 и PC9 перейдут в режим Output.

Как включить светодиод?

Если мы обратим внимание на список доступных регистров для управления портом GPIO то можем увидеть регистр ODR:

Каждый из соответствующих битов отвечает за один из пинов порта. Его структуру вы можете увидеть ниже:

Для того, чтобы обеспечить попеременную смену состояний светодиодов надо с определенным временным интервалом включать/выключать 8 и 9 биты. То есть попеременно присваивать регистру значение 0x100 и 0x200.

Сделать это мы можем через прямое присвоение значений регистру:

GPIOC->ODR = 0x100; // Зажигаем PC8, гасим PC9 GPIOC->ODR = 0x200; // Зажигаем PC9, гасим PC8
Можем через использование определений из библиотеки:

GPIOC->ODR = GPIO_ODR_8; // Зажигаем PC8, гасим PC9 GPIOC->ODR = GPIO_ODR_9; // Зажигаем PC9, гасим PC8
Но так как микроконтроллер работает очень быстро - мы не будем замечать смены состояний светодиодов и визуально будет казаться что они оба горят постоянно. Для того чтобы они действительно моргали попеременно мы внесем искусственную задержку в виде цикла который займет МК бесполезными вычислениями на некоторое время. Получится следующий код:

/* Зажигаем светодиод PC8, гасим PC9 */ GPIOC->ODR = GPIO_ODR_8; for (int i=0; i<500000; i++){} // Искусственная задержка /* Зажигаем светодиод PC9, гасим PC8 */ GPIOC->ODR = GPIO_ODR_9; for (int i=0; i<500000; i++){} // Искусственная задержка
На этом первоначальное знакомство с регистрами и методами работы с ними мы можем закончить.

Проверка результатов работы нашего кода

Небольшое приятное дополнение в конце статьи: в Keil имеется отличный Debug-инструмент с помощью которого мы можем пошагово выполнить нашу программу и просмотреть текущее состояние любого периферийного блока. Для этого после загрузки прошивки после компиляции мы можем нажать кнопку Start Debug Session:

Основные регистры порта ввода/вывода микроконтроллера STM32

Под портом понимается определенный именованный набор ног микроконтроллера. В STM микроконтроллерах они именуются как GPIOA,GPIOB,GPIOC и т.д. Порты ввода/вывода в микроконтроллерах STM32 имеют, как правило, по 16 линий (ног). Под линией понимается та или иная ножка микроконтроллера. Каждая линия порта может быть сконфигурирована определенным образом и выполнять следующие функции:

• цифрового ввода;
• цифрового вывода;
• входа внешнего прерывания;
• функцию ввода/вывода других модулей микроконтроллера.

Сконфигурировать порт на нужный режим работы можно использую регистры микроконтроллера. К этим регистрам можно обращаться напрямую, а также использовать специальные методы из библиотеки периферий.

Давайте рассмотрим основные регистры необходимые для работы с портами ввода/вывода.

Регистры отвечающие за конфигурацию порта

Прежде чем начать работу с портом вывода его нужно сконфигурировать под ваши нужды.

За настройку или конфигурацию порта отвечают регистры конфигурации. В микроконтроллерах семейства STM32F302xx, STM32F303xx и STM32F313xx это следующие регистры:

• GPIOx_MODER;
• GPIOx_OTYPER;
• GPIOx_OSPEEDR;
• GPIOx_PUPDR.

Регистр GPIOx_MODER (где x=A...F)

Это 32-х битный регистр отвечает за режим работы линии. Для конфигурации опеределенной линии требует 2 бита. Возможны следующие комбинации:

• 00 - линия настроена на вход;
• 01 - на выход;
• 10- режим альтернативной функции;
• 11 - аналоговый режим.

Регистр GPIOx_TYPER (где x=A...F)

Данный регистр используеться для настройки типа работы линии использует в работе 16 бит остальные 16 зарезервированны. Принемает следующие значения:

• 0 - пуш пульнай режим;
• 1 - открытый сток

Регистр GPIOx_PUPDR (где x=A...F)

Данные регистр отвечает за подтяжку. Принемает следующие значения:

• 00 - без подтяжки
• 01 - подтяжка к плюсу питания
• 10 - подтяжка к земле

Регистр GPIOx_SPEEDR (где x=A...F)

Регистр настройки скорости работы линии.

• 00 - 2 МГц;
• 01 - 10 МГц;
• 10 - 50 МГц.

Регистр вывода (выходной регистр) GPIOx_ODR (где x=A…F) – output data register

Данный регистр используется для вывода данных в порт. При записи определенных значений в данный регистр на линии (ножке) устанавливается аналогичное значение. Так как у нас 16 линий а регистр имеет 32 бита, то используются только первые (младшие) 16 бит.

Регистр ввода (регистр состояния порта или входных данных) GPIOx_IDR (где x=A…F) – input data register

Данный регистр доступен только для чтения. Своего рода индикатор состояния порта. Аналог PINxв микроконтроллерах серии AVR.

Регистр побитовой установки выходного порта GPIOx_BSRR

Данный регистр побитно устанавливает состояние ножки в порте вывода.

Подробнее о всех регистрах конкретного микроконтроллера можно узнать в referens manual.pdf который можно скачать с официального сайт www.st.com

Настройка порта микроконтроллера при помощи библиотеки

Также порт можно настроить при помощи специальной библиотеки, в которой находятся разные методы для работы с регистрами ввода/вывода, а также объявлены специальные переменные. Данная библиотека освобождает программиста от необходимости «вручную» вычислять какое значение нужно записать в тот или иной регистр.

Рассмотрим пример кода включающий светодиод

#include "stm32f30x.h" // Device header #include "stm32f30x_rcc.h" #include "stm32f30x_gpio.h" void init_led(void) { RCC_APB2PeriphClockCmd (GPIOE,ENABLE); GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz; //Задаем максимальную скорость GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; //Режим выход GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8; //Указываем ножку к которой присоединен светодиод GPIO_Init(GPIOE,GPIO_InitStructure); // Инициальзация структуры } int main(void) { init_led(); GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_8); //Кстанавливаем высокое состояние на ножке while(1) { _NOP(); } }

В целях экономии электроэнергии, вся периферия у микроконтроллеров отключена. Для того чтобы «активировать» ту или иную периферию необходимо для начала подать на него тактовые сигналы.

Мы работаем с портом GPIOE поэтому нам необходимо включить тактирование при помощи метода

RCC_APB2PeriphClockCmd (uint32_t RCC_APB2Periph, FunctionalState NewState);

Который принимает два значение первый это собственно сам порт который нам необходимо включить, а второй это состояние данного порта, включен или выключен.

Недавно коллега меня подсадил на идею создания умного дома, я даже успел заказать себе десятки разных датчиков. Встал вопрос о выборе Микроконтроллера (далее МК) или платы. После некоторых поисков нашёл несколько вариантов. Среди них были и Arduino (включая его клоны, один из которых себе заказал ради того, чтобы просто побаловаться) и Launchpad , но всё это избыточно и громоздко (хотя в плане программирования гораздо проще, но тему холиваров поднимать не буду, у каждого свои вкусы). В итоге решил определяться не с готовой платой, а взять только МК и делать всё с нуля. В итоге выбирал между Atmel ATtiny (2313), Atmel ATmega (решил отказаться т.к. не смог найти за адекватные деньги), STM32 (Cortex на ядре ARM ). С тинькой я уже успел побаловаться, так что взял себе STM32VL-Discovery . Это можно назвать вступлением к циклу статей по STM32 . Оговорюсь сразу, автором большинства этих статей буду являться не я, т.к. сам только познаю, здесь я публикую их в первую очередь для себя, чтоб удобнее было искать если что-то забуду. И так поехали!

Общие сведения

Микроконтроллеры семейства STM32 содержат в своём составе до семи 16-разрядных портов ввода-вывода c именами от PORTA до PORTG. В конкретной модели микроконтроллера без исключений доступны все выводы портов, общее количество которых зависит от типа корпуса и оговорено в DataSheet на соответствующее подсемейство.

Для включения в работу порта x необходимо предварительно подключить его к шине APB2 установкой соответствующего бита IOPxEN в регистре разрешения тактирования периферийных блоков RCC_APB2ENR :

RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPxEN; // Разрешить тактирование PORTx.

Управление портами STM32 осуществляется при помощи наборов из семи 32-разрядных регистров:

• GPIOx_CRL, GPIOx_CRH – задают режимы работы каждого из битов порта в качестве входа или выхода, определяют конфигурацию входных и выходных каскадов.
• GPIOx_IDR – входной регистр данных для чтения физического состояния выводов порта x.
• GPIOx_ODR – выходной регистр осуществляет запись данных непосредственно в порт.
• GPIOx_BSRR – регистр атомарного сброса и установки битов порта.
• GPIOx_BSR – регистр сброса битов порта.
• GPIOx_LCKR – регистр блокировки конфигурации выводов.

Режимы работы выводов GPIO

Режимы работы отдельных выводов определяются комбинацией битов MODEy и CNFy регистров GPIOx_CRL и GPIOx_CRH (здесь и далее: x-имя порта, y- номер бита порта).

GPIOx_CRL - регистр конфигурации выводов 0...7 порта x :

Структура регистра GPIOx_CRH аналогична структуре GPIOx_CRL и предназначена для управления режимами работы старших выводов порта (биты 8...15).

Биты MODEy указанных регистров определяют направление вывода и ограничение скорости переключения в режиме выхода:

• MODEy = 00: Режим входа (состояние после сброса);
• MODEy = 01: Режим выхода, максимальная скорость – 10МГц;
• MODEy = 10: Режим выхода, максимальная скорость – 2МГц;
• MODEy = 11: Режим выхода, максимальная скорость – 50МГц.

Биты CNF задают конфигурацию выходных каскадов соответствующих выводов:

в режиме входа:

• CNFy = 00: Аналоговый вход;
• CNFy = 01: Вход в третьем состоянии (состояние после сброса);
• CNFy = 10: Вход с притягивающим резистором pull-up (если PxODR=1) или pull-down (если PxODR=0);
• CNFy = 11: Зарезервировано.

в режиме выхода:

• CNFy = 00: Двухтактный выход общего назначения;
• CNFy = 01: Выход с открытым стоком общего назначения;
• CNFy = 10: Двухтактный выход с альтернативной функцией;
• CNFy = 11: Выход с открытым стоком с альтернативной функцией.

С целью повышения помехоустойчивости все входные буферы содержат в своём составе триггеры Шмидта. Часть выводов STM32 , снабженных защитными диодами, соединёнными с общей шиной и шиной питания, помечены в datasheet как FT (5V tolerant) - совместимые с напряжением 5 вольт.

Защита битов конфигурации GPIO

Для защиты битов в регистрах конфигурации от несанкционированной записи в STM32 предусмотрен регистр блокировки настроек GPIOx_LCKR
GPIOx_LCKR - регистр блокировки настроек вывода порта:

Для защиты настроек отдельного вывода порта необходимо установить соответствующий бит LCKy. После чего осуществить последовательную запись в разряд LCKK значений "1” - "0” - "1” и две операции чтения регистра LCKR , которые в случае успешной блокировки дадут для бита LCKK значения "0” и "1” . Защита настроечных битов сохранит своё действие до очередной перезагрузки микроконтроллера.

Файл определений для периферии микроконтроллеров STM32 stm32f10x.h определяет отдельные группы регистров, объединённые общим функциональным назначением (в том числе и GPIO ), как структуры языка Си, а сами регистры как элементы данной структуры. Например:

GPIOC->BSRR – регистр BSRR установки/сброса порта GPIOC.
Воспользуемся определениями из файла stm32f10x.h для иллюстрации работы с регистрами ввода-вывода микроконтроллера STM32F100RB установленного в стартовом наборе STM32VLDISCOVERY :

#include "stm32F10x.h" u32 tmp; int main (void) { RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN; // Разрешить тактирование PORTC. GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE8; // Вывод светодиода LED4 PC8 на выход. GPIOC->CRH &=~GPIO_CRH_CNF8; // Двухтактный выход на PC8. GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE9; // Вывод светодиода LED3 PC9 на выход. GPIOC->CRH &=~GPIO_CRH_CNF9; // Двухтактный выход на PC9. GPIOA->CRL&=~GPIO_CRL_MODE0; // Кнопка "USER" PA0 - на вход. // Заблокировать настройки выводов PC8, PC9. GPIOC->LCKR = GPIO_LCKR_LCK8|GPIO_LCKR_LCK9| GPIO_LCKR_LCKK; GPIOC->LCKR = GPIO_LCKR_LCK8|GPIO_LCKR_LCK9; GPIOC->LCKR = GPIO_LCKR_LCK8|GPIO_LCKR_LCK9| GPIO_LCKR_LCKK; tmp=GPIOC->LCKR; tmp=GPIOC->LCKR; }

Запись и чтение GPIO

Для записи и чтения портов предназначены входной GPIOx_IDR и выходной GPIOx_ODR регистры данных.

Запись в выходной регистр ODR порта настроенного на вывод осуществляет установку выходных уровней всех разрядов порта в соответствии с записываемым значением. Если вывод настроен как вход с подтягивающими резисторами, состояние соответствующего бита регистра ODR активирует подтяжку вывода к шине питания (pull-up, ODR=1) или общей шине микроконтроллера (pull-down, ODR=0).

Чтение регистра IDR возвращает значение состояния выводов микроконтроллера настроенных как входы:

// Если кнопка нажата (PA0=1), установить биты порта C, иначе сбросить. if (GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR0) GPIOC->ODR=0xFFFF; else GPIOC->ODR=0x0000;

Сброс и установка битов порта

Для атомарного сброса и установки битов GPIO в микроконтроллерах STM32 предназначен регистр GPIOx_BSRR . Традиционный для архитектуры ARM способ управления битами регистров не требующий применения операции типа "чтение-модификация-запись” позволяет устанавливать и сбрасывать биты порта простой записью единицы в биты установки BS (BitSet) и сброса BR (BitReset) регистра BSRR . При этом запись в регистр нулевых битов не оказывает влияния на состояние соответствующих выводов.

GPIOx_BSRR – регистр сброса и установки битов порта:

GPIOC->BSRR=GPIO_BSRR_BS8|GPIO_BSRR_BR9; // Зажечь LED4 (PC8), погасить LED3. GPIOC->BSRR=GPIO_BSRR_BS9|GPIO_BSRR_BR8; // Зажечь LED3 (PC9), погасить LED4.

Альтернативные функции GPIO и их переназначение (remapping)
Практически все внешние цепи специального назначения STM32 (включая выводы для подключения кварцевых резонаторов, JTAG/SWD и так далее) могут быть разрешены на соответствующих выводах микроконтроллера, либо отключены от них для возможности их использования в качестве выводов общего назначения. Выбор альтернативной функции вывода осуществляется при помощи регистров с префиксом "AFIO ”_.
Помимо этого регистры AFIO _ позволяют выбирать несколько вариантов расположения специальных функций на выводах микроконтроллера. Это в частности относится к выводам коммуникационных интерфейсов, таймеров (регистры AFIO_MAPR ), выводам внешних прерываний (регистры AFIO_EXTICR ) и т. д.

Доброго времени суток! Сегодня мы займемся изучением GPIO! И, в первую очередь, давайте посмотрим в каких режимах могут работать порты ввода-вывода в STM32F10x. А режимов этих существует море, а именно:

• Input floating
• Input pull-up
• Input-pull-down
• Analog
• Output open-drain
• Output push-pull
• Alternate function push-pull
• Alternate function open-drain

А если по-нашему, то при работе на вход:

• Вход – Hi-Z
• Вход – подтяжка вверх
• Вход – подтяжка вниз
• Вход – аналоговый

При работе порта на выход имеем следующие варианты:

• Выход – с открытым коллектором
• Выход – двухтактный
• Альтернативные функции – выход типа «с открытым коллектором»
• Альтернативные функции – двухтактный выход

Вот кстати документация на STM32F103CB –

В даташите есть внушительная таблица, в которой показано, какие альтернативные функции имеются у конкретного вывода.

Вот, например, выводы PA9, PA10:

В столбце Default видим, какие функции будут выполнять эти пины при их настройке для работы в режиме Alternative function. То есть, настроив эти пины соответствующим образом они из просто PA9 и PA10 превратятся в Rx и Tx для USART1. А для чего же тогда столбец Remap ? А это не что иное, как очень полезная функция ремаппинга портов. Благодаря ремапу, Tx USARTA ’а , например, может переместится с пина PA9 на PB6. Довольно часто эта функция оказывается чертовски полезной.

Ну с режимами вроде бы все более-менее понятно, пришло время окинуть взором регистры, которыми управляются порты ввода-вывода.

Раз уж только что обсудили в каких режимах могут существовать выводы STM32F10x, сразу же давайте прошарим как же их можно собственно перевести в нужный режим. А для этого выделены аж два регистра – CRL и CRH. В первом конфигурируются выводы от 0 до 7, во втором, соответственно от 8 до 15. Регистры, как вы помните, 32-разрядные. То есть на 8 выводов приходтся 32 бита – получается 4 бита на одну ножку. Открываем даташит и видим:

Например, надо нам настроить ножку PB5. Идем в регистр GPIOB->CRL и выставляем сответствующие биты так как нам требуется (на картинке 32-х битный регистр CRL). Для PB5 это биты:

После восьмибиток может показаться все достаточно сложным и каким то корявым, но на самом деле реализовано все довольно изящно =). Посмотрим, что тут есть еще.

Выходной регистр GPIOx_ODR – напоминает регистр PORTx в AVR. Все что попадает в этот регистр сразу же попадает во внешний мир. Регистр 32-разрядный, а ножек всего 16. Как думаете, для чего используются оставшиеся 16? Все очень просто, биты регистра с 15 по 31 не используются вовсе)

Входной регистр GPIOx_IDR – аналог PINx в AVR. Структура его похожа на упомянутую структуру ODR. Все, что появляется на входе микроконтроллера, сразу же оказывается во входном регистре IDR.

Еще два полезных регистра GPIOx_BSSR и GPIOx_BRR. Они позволяют менять значения битов в регистре ODR напрямую, без использования привычных бит-масок. То есть, хочу я, например, выставить в единицу пятый бит ODR. Записываю единичку в пятый бит GPIOx_BSSR, и все, цель достигнута. Вдруг захотелось сбросить пятый бит ODR – единицу в 5 бит GPIOx_BRR и готово.

Итак, основные регистры рассмотрели, но, на самом-то деле, мы в наших примерах будем делать все иначе, используя Standard Peripheral Library. Так что лезем ковырять библиотеку. За GPIO в SPL отвечают файлы stm32f10x_gpio.h и stm32f10x_gpio.c . Открываем их оба и видим очень много непонятных цифр-букв-значков итд.

На самом деле, все очень просто и понятно. За конфигурацию портов отвечает структура GPIO_InitTypeDef .

typedef struct { uint16_t GPIO_Pin; // Specifies the GPIO pins to be configured. This parameter can be any value of @ref GPIO_pins_define */ GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed; // Specifies the speed for the selected pins. This parameter can be a value of @ref GPIOSpeed_TypeDef */ GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode; // Specifies the operating mode for the selected pins. This parameter can be a value of @ref GPIOMode_TypeDef */ } GPIO_InitTypeDef;

Видим, что структура имеет три поля: GPIO_PIN, GPIO_Speed и GPIO_Mode . Нетрудно догадаться, что первая отвечает за номер ножки порта, которую мы хотим настроить, вторая – за скорость работы порта, ну и третья, собственно, за режим работы. Таким образом, для настройки вывода нам всего лишь нужно объявить переменную типа структуры и заполнить ее поля нужными значениями. Все возможные значения полей тут же – в stm32f10x_gpio.h . Например,

typedef enum { GPIO_Mode_AIN = 0x0 , GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04 , GPIO_Mode_IPD = 0x28 , GPIO_Mode_IPU = 0x48 , GPIO_Mode_Out_OD = 0x14 , GPIO_Mode_Out_PP = 0x10 , GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C , GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 } GPIOMode_TypeDef;

Все значения уже рассчитаны создателями SPL, так что для настройки какого-нибудь вывода для работы в режиме Output push-pull надо всего лишь в соответствующей структуре задать поле: GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP.

Ну вот, структура объявлена, поля заполнены как надо, что же дальше? Ведь мы всего лишь создали переменную. Причем тут регистры, микроконтроллеры и вообще электроника? Лезем в файл stm32f10x_gpio.c и находим там тучу различных функций для работы с STM32 GPIO. Рассмотрим функцию GPIO_Init() (код приводить не буду, все в файле библиотеки). Так вот, эта функция как раз и связывает нашу созданную структуру и конкретные регистры контроллера. То есть мы передаем в эту функцию переменную, в соответствии с которой выставляются нужные биты нужных регистров микроконтроллера. Все очень просто, но от этого не менее гениально. Поковыряйте еще файлы библиотеки. Там функции на любой случай есть) Кстати очень удобно – перед функцией идет описание переменных, которые она принимает и возвращает, а также описание собственно того, что эта функция призвана делать. Так что, разобраться несложно, но надо немного дружить с английским. Хотя без этого никуда;)

Отвлечемся ненадолго от портов ввода-вывода и обсудим один довольно тонкий момент. Чтобы использовать порты, либо любую другую периферию, ОБЯЗАТЕЛЬНО надо включить тактирование. И порты, и периферия изначально отключены от тактирования, так что без этого действия ничего не заведется. Программа скомпилируется, но на деле работать ничего не будет. За тактирование в SPL отвечают файлы stm32f10x_rcc.c и stm32f10x_rcc.h . Не забывайте добавлять их в проект.

Давайте уже перейдем к программированию. Как это принято, заставим диодик помигать) Чтобы получше разобраться с Standard Peripheral Library немножко усложним обычное мигание диодом – будем опрашивать кнопку, и если она нажата – диод загорается, иначе – гаснет. Запускаем Keil, создаем проект, добавляем все нужные файлы, не забываем про CMSIS. Из SPL для этого проекта нам понадобятся 4 файла, уже упомянутые выше. Создание нового проекта описано в предыдущей статье учебного курса. Также там можно найти ссылки на библиотеки)

Итак, код:

/****************************gpio.c*********************************/ //Подключаем все нужные файлы #include "stm32f10x.h" #include "stm32f10x_rcc.h" #include "stm32f10x_gpio.h" //Тут будет вся инициализация всей использующейся периферии void initAll() { //Объявляем переменную port типа GPIO_InitTypeDef GPIO_InitTypeDef port; //Это функция из файла stm32f10x_rcc.c, включает тактирование на GPIOA //GPIOA сидит на шине APB2 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE) ; //Про эту функцию напишу чуть ниже GPIO_StructInit(& port) ; //Заполняем поля структуры нужными значениями //Первый вывод – вход для обработки нажатия кнопки – PA1 port.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD; port.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; port.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz; //А про эту функцию мы уже говорили //Отметим только что один из параметров – указатель(!) на //нашу структуру GPIO_Init(GPIOA, & port) ; //Настраиваем вывод, на котором будет висеть диодик – PA0 port.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; port.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; port.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz; GPIO_Init(GPIOA, & port) ; } /*******************************************************************/ int main() { //Объявляем переменную для хранения состояния кнопки uint8_t buttonState = 0 ; initAll() ; while (1 ) { //С помощью функции из SPL считываем из внешнего мира //состояние кнопки buttonState = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1) ; if (buttonState == 1 ) { GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0) ; } else { GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0) ; } } } /****************************End of file****************************/

Кстати, возможно кто-то обратит внимание на наличие скобок { }, несмотря на всего лишь одну инструкцию в теле if и else . А это уже привычка) Очень рекомендуется так писать, особенно при разработке крупных проектов. При дописывании/исправлении программы невнимательный программист может не обратить внимания на отсутствие скобок и дописать вторую инструкцию, которая, как вы понимаете, уже окажется все блока if или else . Та же тема с циклами. Когда над проектом работает много народу, нет никаких гарантий, что кто-нибудь не окажется невнимательным, так что, чтобы не тратить минуты/часы на последующие поиски косяка, рекомендую ставить эти скобки всегда) Хотя может, кто-то и не согласится с такой логикой.

Нажимаем F7, компилируем, и вот наша первая программа для STM готова. Вроде бы код довольно подробно откомментирован, так что поясню только пару моментов.

Функция GPIO_StructInit(&port) – принимает в качестве аргумента адрес переменной port .

Эта функция заполняет поля структуры, переданной ей в качестве аргумента дефолтными значениями. Это делать не обязательно, но во избежание каких-нибудь непредсказуемых косяков, лучше всегда вызывать эту функцию.

Еще две функции, которые мы использовали:

• GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);
• GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);

Ну вы и так догадались для чего они 😉

Итак мы закончили рассматривать STM32 порты ввода-вывода. В следующей статье познакомимся со средствами Keil’а для отладки.

Порты ввода/вывода GPIO в STM32 имеют по 16 линий, каждая из которых может быть настроена необходимым образом. Поддерживаются функции цифрового ввода, цифрового вывода, входа внешнего прерывания, а также функции ввода/вывода других модулей микроконтроллера. Программирование STM32 для работы с GPIO основано на использовании регистров конфигурации, чтения, записи, защиты конфигурации и регистра битового доступа.

Регистры конфигурации порта.

Port configuration register low (GPIOx_CRL) (x=A..G)

Port configuration register high (GPIOx_CRH) (x=A..G)

Для программирования режимов работы портов ввода/вывода STM32, используются два 32 разрядных регистра для каждого GPIO. Они позволяют произвольно настроить режим работы любой отдельной линии. Регистр GPIOx_CRL отвечает за линии с номерами от 0 до 7, GPIOx_CRH – за линии 8-15. Для каждой из них в регистре имеется два двухразрядных поля CNFy и MODEy. Первое определяет тип работы линии, второе – направление обмена по линии. все биты доступны для чтения/записи.

Регистр GPIOx_CRL

Бит регистра

Поле

Линия ввода/вывода

Бит регистра

Поле

Линия ввода/ вывода

Регистр GPIOX_CRH

Бит регистра

Поле

Линия ввода/вывода

Бит регистра

Поле

Линия ввода/вывода

Поле MODEy может принимать следующие значения:

• 00 – линия работает на ввод. Данное состояние устанавливается после сброса.
• 01 – линия работает на выход, с максимальной частотой переключения 10 МГц
• 10 – линия работает на выход, с максимальной частотой переключения 20 МГц
• 11 – линия работает на выход, с максимальной частотой переключения 50 МГц

Поле CNFy зависит от направления передачи. При работе на вход (MODEy=0) доступны следующие состояния:

• 00 – аналоговый вход.
• 01 – вход в третьем состоянии. (Устанавливается после сброса).
• 10 – вход с подтягивающим резистором
• 11 – зарезервировано для будущих применений.

При работе на выход (MODEy>0) поле CNFy может иметь следующие состояния:

• 00 – цифровой выход
• 01 – цифровой выход с открытым стоком
• 10 – цифровой выход, подключенный специализированным блокам
• 11 – цифровой выход, подключенный специализированным блокам с открытым стоком

Регистр защиты от изменения настроек

Port configuration lock register (GPIOx_LCKR) (x=A..G)

Поле

Поле

Установить блокируемый бит в GPIOx_LCKRДля невозможности изменения настроек порта в микроконтроллерах STM32 используется регистр GPIOx_LCKR. Его младщие 15 бит отвечают за соответсвующие линии порта ввода/вывода. Бит 16, установленный в 1, разрешает блокировку изменения настроек. все биты доступны на чтение/запись. Для усложнения жизни пользователям ;-) , используется специальный алгоритм установки защиты. Если он применен, то следующее изменение конфигурации доступно только после сброса. Алгоритм установки защиты выглядит следующим образом:

1. Установить бит 16 GPIOx_LCKR.
2. Сбросить бит 16 GPIOx_LCKR.
3. Установить бит 16 GPIOx_LCKR.
4. Прочитать GPIOx_LCKR
5. Повторно прочитать GPIOx_LCKR

Регистры установки состояния линий

В отличие от привычных 8-ми битных моделей, в STM32 имеется несколько регистров, отвечающих за состояние линий порта ввода вывода. Условно они разделены на две группы – регистры порта и регистры установки отдельных битов.

Выходной регистр порта ввода/вывода

Port output data register (GPIOx_ODR) (x=A..G)

Поле

Поле

Данный регистр имеет разрядность 32, но используются только младшие 16 бит. Биты с 16 по 31 не используются. При записи в GPIOx_ODR какого-либо значения, это значение устанавливается на выходных линиях соответствующего порта. Биты регистра доступны только для чтения/записи.

Входной регистр

Port input data register (GPIOx_IDR) (x=A..G)

Бит	31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16
Поле	Резерв
Бит	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	1
Поле	IDR15	IDR14	IDR13	IDR12	IDR11	IDR10	IDR9	IDR8	IDR7	IDR6	IDR5	IDR4	IDR3	IDR2	IDR1	IDR0

Аналогично регистру выхода, регистр входа имеет толь 16 младших действующих бит из 32. Чтение GPIOx_IDR возвращает значение состояния всех линий порта. Биты регистра доступны только для чтения.

Регистр битовых операций

Port bit set/reset register (GPIOx_BSRR) (x=A..G)

Бит	31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16
Поле	BR15	BR14	BR13	BR12	BR11	BR10	BR9	BR8	BR7	BR6	BR5	BR4	BR3	BR2	BR1	BR0
Бит	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	1
Поле	BS15	BS14	BS13	BS12	BS11	BS10	BS9	BS8	BS7	BS6	BS5	BS4	BS3	BS2	BS1	BS0

Данный регистр позволяет обращаться к конкретной линии ввода вывода микроконтроллера STM32. Запись единицы в один из старших разрядов сбрасывает выход линии, а запись единицы в младшие разряды устанавливает высокий уровень сигнала на соответствующей линии. Запись в регистр производится в формате слова, при этом нулевые биты никакого действия не оказывают. Биты регистра доступны только для записи.

Регистр сброса

Port bit reset register (GPIOx_BRR) (x=A..G)

Бит	31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16
Поле	Резерв
Бит	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	1
Поле	BR15	BR14	BR13	BR12	BR11	BR10	BR9	BR8	BR7	BR6	BR5	BR4	BR3	BR2	BR1	BR0

Данный регистр производит сброс высокого уровня линии, установленной в регистре GPIOx_ODR. Задействованы только младшие 16 бит, доступных только для записи.