4.5 寄存器映射
我们知道，存储器本身没有地址，给存储器分配地址的过程叫存储器映射。那么什么叫寄存器映射？寄存器到底是什么？
存储器Block2这块区域用于设计片上外设，它们以4个字节为一个单元，共32位，每一个单元对应不同的功能，当我们控制这些单元时就可以驱动外设工作。我们可以找到每个单元的起始地址，然后通过C语言指针的操作方式来访问这些单元。但如果每次都是通过这种地址的方式来访问，不仅不好记忆还容易出错，这时我们可以根据每个单元功能的不同，以功能为名给这个内存单元取一个别名，这个别名就是我们经常说的寄存器，这个给已经分配好地址的、有特定功能的内存单元取别名的过程就叫寄存器映射。
比如，GPIOH端口的输出数据寄存器ODR的地址是0x4002 1C14（至于是如何找到这个地址，后面我们会有详细的讲解），ODR寄存器是32位，低16位有效，对应16个外部IO，写入0/1，对应的IO则输出低/高电平。现在通过C语言指针的操作方式，让GPIOH的16个IO都输出高电平，具体见代码清单4-1。
代码清单4-1 通过绝对地址访问内存单元
1 //GPIOH 端口全部输出高电平
2 ＊(unsigned int＊)(0x4002 1C14) = 0xFFFF;
0x4002 1C14在我们看来是GPIOH端口ODR的地址，但是在编译器看来，这只是一个普通的变量，是一个立即数，要想让编译器也认为它是指针，得进行强制类型转换，把它转换成指针，即（unsigned int *)0x4002 1C14，然后再对这个指针进行*操作。
刚刚我们说了，通过绝对地址访问内存单元不但不好记忆且容易出错，所以可以通过寄存器别名的方式来操作，具体见代码清单4-2。
代码清单4-2 通过寄存器别名方式访问内存单元
1 //GPIOH 端口全部输出高电平
2 #define GPIOH_ODR (unsigned int＊)(GPIOH_BASE+0x14)
3 ＊ GPIOH_ODR = 0xFF;
为了方便操作，我们干脆把指针操作“*”也定义到寄存器别名里面，具体见代码清单4-3。
代码清单4-3 通过寄存器别名访问内存单元
1 //GPIOH 端口全部输出高电平
2 #define GPIOH_ODR ＊(unsigned int＊)(GPIOH_BASE+0x14)
3 GPIOH_ODR = 0xFF;
4.5.1 STM32的外设地址映射
片上外设区分为4条总线，根据外设速度的不同，不同总线挂载着不同的外设，APB挂载低速外设，AHB挂载高速外设。相应总线的最低地址被称为该总线的基地址，总线基地址也是挂载在该总线上的首个外设的地址。其中APB1总线的地址最低，片上外设从这里开始，也称为外设基地址。
1. 总线基地址
总线基地址见表4-5。
表4-5 总线基地址
表4-5中的“相对外设基地址的偏移”为该总线地址与“总线基地址”基地址0x40000000的差值。关于地址的偏移后面还会讲到。
2. 外设基地址
总线上挂载着各种外设，这些外设也有自己的地址范围，特定外设的首个地址称为XX外设基地址，也称为“XX外设的边界地址”。STM32F4xx外设的具体边界地址请参考《STM32F4xx参考手册》中2.3节存储器映射的“表2：STM32F4xx寄存器边界地址”。或者参考《STM32F4xx参考手册》的存储器映射章节，这两个手册对此都有详细的讲解。
这里面以GPIO这个外设来讲解外设的基地址，具体见表4-6。
表4-6 外设GPIO基地址
从表4-6看到，GPIOA的基址相对于AHB1总线的地址偏移为0，于是可以猜到，AHB1总线的第一个外设就是GPIOA。
3. 外部寄存器
处于XX外设的地址范围内的就是该外设的寄存器。以GPIO外设为例，GPIO是通用输入输出端口的简称，简单来说就是STM32可控制的引脚，基本功能是控制引脚输出高电平或者低电平。最简单的应用就是把GPIO的引脚连接到LED的阴极，LED的阳极接电源，然后通过STM32控制该引脚的电平，从而控制LED的亮灭。
GPIO有很多寄存器，每一个都有特定的功能。每个寄存器为32位，占4个字节，在该外设的基地址上按照顺序排列，寄存器的位置都以相对该外设基地址的偏移地址来描述。这里以GPIOH端口为例，说明GPIO都有哪些寄存器，具体见表4-7。
表4-7 GPIOH端口的寄存器地址列表
有关外部的寄存器说明可参考《STM32F4xx参考手册》中的寄存器描述部分，在编程的时候需要反复查阅外设的寄存器说明。
这里以GPIO端口置位/复位寄存器为例，介绍如何理解寄存器的说明，具体见图4-6。
图4-6 GPIO端口置位/复位寄存器说明
（1）名称
寄存器说明中首先列出了该寄存器的名称，“（GPIOx_BSRR)（x=A…I)”这段的意思是该寄存器名为“GPIOx_BSRR”，其中的“x”可以为英文字母A～I，也就是说这个寄存器说明适用于GPIOA、GPIOB、…、GPIOI，这些GPIO端口中都有这样的一个寄存器。
（2）偏移地址
偏移地址是指本寄存器相对于这个外设的基地址的偏移。本寄存器的偏移地址是0x18，从参考手册中可以查到GPIOA外设的基地址为0x40020000，于是可以算出GPIOA的这个GPIOA_BSRR寄存器的地址为：0x40020000+0x18；同理，由于GPIOB的外设基地址为0x40020400，可以算出GPIOB_BSRR寄存器的地址为：0x40020400+0x18。其他GPIO端口以此类推即可。
（3）寄存器位表
本寄存器的位表中列出编号0～31位的名称及权限。表上方的数字为位编号，中间为位名称，最下方为读写权限，其中w表示只写，r表示只读，rw表示可读写。本寄存器中的位权限都是w，所以只能写，如果读本寄存器是无法保证读取到它真正内容的。而有的寄存器位是只读的，一般用于表示STM32外设的某种工作状态，由STM32硬件自动更改，程序通过读取那些寄存器位来判断外设的工作状态。
（4）位功能说明
位功能说明是寄存器说明中最重要的部分，它详细介绍了寄存器每一个位的功能。例如本寄存器中有两种寄存器位，分别为BRy及BSy，其中的y数值可以是0～15，这里的0～15表示端口的引脚号，如BR0、BS0用于控制GPIOx的第0个引脚，若x表示GPIOA，那就是控制GPIOA的第0引脚，而BR1、BS1就是控制GPIOA的第1个引脚。
其中BRy引脚的说明是“0：不会对相应的ODRx位执行任何操作；1：对相应ODRx位进行复位”。这里的“复位”是将该位设置为0的意思，而“置位”表示将该位设置为1；说明中的ODRx是另一个寄存器的寄存器位，我们只需要知道ODRx位为1的时候，对应的引脚输出高电平，为0的时候对应的引脚输出低电平即可（感兴趣的读者可以查询该寄存器GPIOx_ODR的说明）。所以，如果对BR0写入“1”的话，那么GPIOx的第0个引脚就会输出“低电平”，但是对BR0写入“0”的话，却不会影响ODR0位，所以引脚电平不会改变。要想该引脚输出“高电平”，就需要对“BS0”位写入“1”。寄存器位BSy与BRy是相反的操作。
4.5.2 C语言对寄存器的封装
以上所有关于存储器映射的内容，最终都是为了帮助大家更好地理解如何用C语言控制读写外部寄存器。下面是本章的重点内容。
1. 封装总线和外设基地址
在编程上为了方便读者理解和记忆，我们把总线基地址和外设基地址都以相应的宏加以定义，总线或者外设都以它们的名字作为宏名，具体见代码清单4-4。
代码清单4-4 总线和外设基址宏定义
1 /＊ 外设基地址 ＊/
2 #define PERIPH_BASE ((unsigned int)0x40000000)
3
4 /＊ 总线基地址 ＊/
5 #define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
6 #define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x00010000)
7 #define AHB1PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x00020000)
8 #define AHB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000000)
9
10 /＊ GPIO外设基地址 ＊/
11 #define GPIOA_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x0000)
12 #define GPIOB_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x0400)
13 #define GPIOC_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x0800)
14 #define GPIOD_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x0C00)
15 #define GPIOE_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x1000)
16 #define GPIOF_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x1400)
17 #define GPIOG_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x1800)
18 #define GPIOH_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x1C00)
19
20 /＊ 寄存器基地址，以GPIOH为例 ＊/
21 #define GPIOH_MODER (GPIOH_BASE+0x00)
22 #define GPIOH_OTYPER (GPIOH_BASE+0x04)
23 #define GPIOH_OSPEEDR (GPIOH_BASE+0x08)
24 #define GPIOH_PUPDR (GPIOH_BASE+0x0C)
25 #define GPIOH_IDR (GPIOH_BASE+0x10)
26 #define GPIOH_ODR (GPIOH_BASE+0x14)
27 #define GPIOH_BSRR (GPIOH_BASE+0x18)
28 #define GPIOH_LCKR (GPIOH_BASE+0x1C)
29 #define GPIOH_AFRL (GPIOH_BASE+0x20)
30 #define GPIOH_AFRH (GPIOH_BASE+0x24)
代码清单4-4首先定义了“片上外设”基地址PERIPH_BASE；接着在PERIPH_BASE上加入各个总线的地址偏移，得到APB1、APB2等总线的地址APB1PERIPH_BASE、APB2PERIPH_BASE，然后在其之上再加入外设地址的偏移，得到GPIOA、GPIOH的外设地址；最后在外设地址上加入各寄存器的地址偏移，得到特定寄存器的地址。一旦有了具体地址，就可以用指针操作读写了，具体见代码清单4-5。
代码清单4-5 使用指针控制BSRR寄存器
1 /＊ 控制GPIOH 引脚10输出低电平(BSRR寄存器的BR10置1) ＊/
2 ＊(unsigned int ＊)GPIOH_BSRR = (0x01＜＜(16+10));
3
4 /＊ 控制GPIOH 引脚10输出高电平(BSRR寄存器的BS10置1) ＊/
5 ＊(unsigned int ＊)GPIOH_BSRR = 0x01＜＜10;
6
7 unsigned int temp;
8 /＊ 控制GPIOH 端口所有引脚的电平(读IDR寄存器) ＊/
9 temp = ＊(unsigned int ＊)GPIOH_IDR;
该代码使用（unsigned int *)把GPIOH_BSRR宏的数值强制转换成了地址，然后再用“*”号做取指针操作，对该地址赋值，从而实现了写寄存器的功能。同样，读寄存器也是用取指针操作，把寄存器中的数据取到变量里，从而获取STM32外设的状态。
2. 封装寄存器列表
用上面的方法定义地址还是稍显烦琐，例如GPIOA～GPIOH都各有一组功能相同的寄存器，如GPIOA_MODER、GPIOB_MODER、GPIOC_MODER等，它们只是地址不一样，但却要为每个寄存器都定义地址。为了更方便地访问寄存器，我们引入C语言中的结构体语法对寄存器进行封装，具体见代码清单4-6。
代码清单4-6 使用结构体对GPIO寄存器组进行封装
1 typedef unsigned int uint32_t; /＊无符号32位变量＊/
2 typedef unsigned short int uint16_t; /＊无符号16位变量＊/
3
4 /＊ GPIO寄存器列表＊/
5 typedef struct {
6 uint32_t MODER; /＊GPIO模式寄存器 地址偏移： 0x00 ＊/
7 uint32_t OTYPER; /＊GPIO输出类型寄存器 地址偏移： 0x04 ＊/
8 uint32_t OSPEEDR; /＊GPIO输出速度寄存器 地址偏移： 0x08 ＊/
9 uint32_t PUPDR; /＊GPIO上拉/下拉寄存器 地址偏移： 0x0C ＊/
10 uint32_t IDR; /＊GPIO输入数据寄存器 地址偏移： 0x10 ＊/
11 uint32_t ODR; /＊GPIO输出数据寄存器 地址偏移： 0x14 ＊/
12 uint16_t BSRRL; /＊GPIO置位/复位寄存器低16位部分 地址偏移： 0x18 ＊/
13 uint16_t BSRRH; /＊GPIO置位/复位寄存器高16位部分 地址偏移： 0x1A ＊/
14 uint32_t LCKR; /＊GPIO配置锁定寄存器 地址偏移： 0x1C ＊/
15 uint32_t AFR[2]; /＊GPIO复用功能配置寄存器 地址偏移： 0x20-0x24 ＊/
16 } GPIO_TypeDef;
这段代码用typedef关键字声明了名为GPIO_TypeDef的结构体类型，结构体内有8个成员变量，变量名正好对应寄存器名。C语言的语法规定，结构体内变量的存储空间是连续的，其中32位的变量占用4个字节，16位的变量占用两个字节，具体见图4-7。
图4-7 GPIO_TypeDef结构体成员的地址偏移
也就是说，假设所定义的GPIO_TypeDef结构体的首地址为0x4002 1C00（这也是第一个成员变量MODER的地址），那么结构体中第二个成员变量OTYPER的地址即为0x4002 1C00+0x04,0x04正是代表MODER所占用的4个字节地址的偏移量。其他成员变量相对于结构体首地址的偏移，在代码清单4-6右侧注释中已给出，其中的BSRR寄存器分成了低16位BSRRL和高16位BSRRH, BSRRL置1，引脚输出高电平，BSRRH置1，引脚输出低电平，这里分开只是为了方便操作。
这样的地址偏移与STM32 GPIO外设定义的寄存器地址偏移一一对应，只要给结构体设置好首地址，就能把结构体内成员的地址确定下来，然后以结构体的形式访问寄存器，具体见代码清单4-7。
代码清单4-7 通过结构体指针访问寄存器
1 GPIO_TypeDef ＊ GPIOx; //定义一个GPIO_TypeDef结构体指针GPIOx
2 GPIOx = GPIOH_BASE; //把指针地址设置为宏GPIOH_BASE地址
3 GPIOx-＞BSRRL = 0xFFFF; //通过指针访问并修改GPIOH_BSRRL寄存器
4 GPIOx-＞MODER = 0xFFFFFFFF; //修改GPIOH_MODER寄存器
5 GPIOx-＞OTYPER =0xFFFFFFFF; //修改GPIOH_OTYPER寄存器
6
7 uint32_t temp;
8 temp = GPIOx-＞IDR; //读取GPIOH_IDR寄存器的值到变量temp中
这段代码先用GPIO_TypeDef类型定义一个结构体指针GPIOx，并让指针指向地址GPIOH_BASE（0x4002 1C00），使地址确定下来，然后根据C语言访问结构体的语法，用GPIOx-＞BSRRL、GPIOx-＞MODER及GPIOx-＞IDR的方式读写寄存器。
最后，再进一步，直接使用宏定义好GPIO_TypeDef类型的指针，而且指针指向各个GPIO端口的首地址，实际使用时直接用该宏访问寄存器即可，具体见代码清单4-8。
代码清单4-8 定义好GPIO端口的首地址址针
1 /＊使用GPIO_TypeDef把地址强制转换成指针＊/
2 #define GPIOA ((GPIO_TypeDef ＊) GPIOA_BASE)
3 #define GPIOB ((GPIO_TypeDef ＊) GPIOB_BASE)
4 #define GPIOC ((GPIO_TypeDef ＊) GPIOC_BASE)
5 #define GPIOD ((GPIO_TypeDef ＊) GPIOD_BASE)
6 #define GPIOE ((GPIO_TypeDef ＊) GPIOE_BASE)
7 #define GPIOF ((GPIO_TypeDef ＊) GPIOF_BASE)
8 #define GPIOG ((GPIO_TypeDef ＊) GPIOG_BASE)
9 #define GPIOH ((GPIO_TypeDef ＊) GPIOH_BASE)
10
11
12
13 /＊使用定义好的宏直接访问＊/
14 /＊访问GPIOH端口的寄存器＊/
15 GPIOH-＞BSRRL = 0xFFFF; //通过指针访问并修改GPIOH_BSRRL寄存器
16 GPIOH-＞MODER = 0xFFFFFFF; //修改GPIOH_MODER寄存器
17 GPIOH-＞OTYPER =0xFFFFFFF; //修改GPIOH_OTYPER寄存器
18
19 uint32_t temp;
20 temp = GPIOH-＞IDR; //读取GPIOH_IDR寄存器的值到变量temp中
21
22 /＊访问GPIOA端口的寄存器＊/
23 GPIOA-＞BSRRL = 0xFFFF; //通过指针访问并修改GPIOA_BSRRL寄存器
24 GPIOA-＞MODER = 0xFFFFFFF; //修改GPIOA_MODER寄存器
25 GPIOA-＞OTYPER =0xFFFFFFF; //修改GPIOA_OTYPER寄存器
26
27 uint32_t temp;
28 temp = GPIOA-＞IDR; //读取GPIOA_IDR寄存器的值到变量temp中
这里我们仅以GPIO这个外设为例，给大家讲解了C语言对寄存器的封装。以此类推，其他外设也同样可以用这种方法来封装。好消息是，这部分工作都借助固件库完成的，这里只是分析一下这个封装的过程，让大家知其然，也知其所以然。