6.3 实验：使用寄存器点亮LED
本小节以实例讲解如何控制寄存器来点亮LED。此处侧重于讲解原理，读者可直接用KEIL5软件打开我们提供的实验例程配合阅读，先了解原理，学习完本小节后，再尝试自己建立一个同样的工程。本节配套例程名为“GPIO输出—寄存器点亮LED”，在工程目录下找到后缀为“.uvprojx”的文件，用KEIL5打开即可。
自己尝试新建工程时，请参考第5章。
若没有安装KEIL5软件，请参考第1章。
打开该工程，可看到一共有3个文件，分别是startup_stm32f429_439xx.s、stm32f4xx.h以及main.c，见图6-3。下面对这3个工程进行讲解。
图6-3 工程文件目录
6.3.1 硬件连接
在本实验中，STM32芯片与LED的连接见图6-4。
图6-4 LED电路连接
图6-4中3个LED的阳极连接到3.3V电源，各阴极分别经过1个电阻引至STM32的3个GPIO引脚PH10、PH11、PH12，所以只要控制这3个引脚输出高低电平，即可控制其所连接LED的亮灭。如果你的实验板STM32连接到LED的引脚或极性不一样，只需要修改程序到对应的GPIO引脚即可，工作原理都是一样的。
我们的目标是把GPIO的引脚设置成推挽输出模式，并且默认下拉模式，输出低电平，这样就能让LED亮起来了。
6.3.2 启动文件
名为startup_stm32f429_439xx.s的文件中使用汇编语言写好了基本程序，当STM32芯片上电启动的时候，首先会执行这里的汇编程序，从而建立C语言的运行环境，所以这个文件称为启动文件。该文件使用的汇编指令是Cortex-M4内核支持的指令，可从《Cortex-M4 Technical Reference Manual》中查到，也可参考《Cortex-M3权威指南（中文版）》，M3与M4的大部分汇编指令相同。
startup_stm32f429_439xx.s文件是由官方提供的，若要修改可在官方文件的基础上进行，不用自己重写。该文件可以从KEIL5安装目录中找到，也可以从ST库里找到。找到该文件后，把该启动文件添加到工程里即可。不同型号的芯片以及不同编译环境下使用的汇编文件是不一样的，但功能相同。
对于启动文件这部分内容，我们主要介绍它的功能，不详细讲解里面的代码。其功能如下：
□ 初始化堆栈指针SP。
□ 初始化程序计数器指针PC。
□ 设置堆和栈的大小。
□ 设置中断向量表的入口地址。
□ 配置外部SRAM作为数据存储器（由用户配置，一般的开发板没有外部SRAM）。
□ 调用SystemInit()函数配置STM32的系统时钟。
□ 设置C库的分支入口“__main”（最终用来调用main函数）。
先去除细枝末节，挑重点的讲，主要理解最后两点。在启动文件中有一段复位后立即执行的程序，见代码清单6-1。在阅读工程文件代码时，可使用编辑器的搜索（Ctrl+F）功能迅速查找这段代码在文件中的位置。
代码清单6-1 复位后执行的程序
1 ;Reset handler
2 Reset_Handler PROC
3 EXPORT Reset_Handler [WEAK]
4 IMPORT SystemInit
5 IMPORT __main
6
7 LDR R0, =SystemInit
8 BLX R0
9 LDR R0, =__main
10 BX R0
11 ENDP
第1行是程序注释，在汇编里面注释用的是“;”，相当于C语言的“//”注释符。
第2行定义了一个子程序：Reset_Handler。PROC是子程序定义伪指令。这里相当于C语言里定义了一个函数，函数名为Reset_Handler。
第3行EXPORT表示Reset_Handler这个子程序可供其他模块调用。相当于C语言的函数声明。关键字“[WEAK]”表示弱定义，如果编译器发现在别处定义了同名的函数，则在链接时用别处的地址进行链接，如果其他地方没有定义，编译器也不报错，以此处地址进行链接。
第4行和第5行用IMPORT说明SystemInit和__main这两个标号在其他文件中，在链接时需要到其他文件中寻找。相当于C语言中从其他文件引入函数声明，以便后面程序对外部函数进行调用。
SystemInit需要由我们自己实现，即要编写一个具有该名称的函数，用来初始化STM32芯片的时钟，一般包括初始化AHB、APB等各总线的时钟。STM32需要经过一系列的配置才能达到稳定运行的状态。
__main其实不是我们定义的（不要与C语言中的main函数混淆），当编译器编译时，只要遇到这个标号就会定义这个函数。该函数的主要功能是：初始化栈、堆，配置系统环境，准备好C语言，并在最后跳转到用户自定义的main函数，从此进入C的世界。
第6行把SystemInit的地址加载到寄存器R0。
第7行跳转到R0中的地址里执行程序，即执行SystemInit函数的内容。
第8行把__main的地址加载到寄存器R0。
第9行跳转到R0中的地址里执行程序，即执行__main函数，执行完毕就转到我们熟知的C世界，进入main函数了。
第10行表示子程序的结束。
总之，看完这段代码后，了解到如下内容即可：需要在外部定义一个SystemInit函数设置STM32的时钟；STM32上电后，会执行SystemInit函数，最后执行C语言中的main函数。
6.3.3 stm32f4xx.h文件
看完启动文件，就能立即开始编写SystemInit和main函数吗？定义好了SystemInit函数和main，连接LED的GPIO引脚时，是要通过读写寄存器来控制的，就这样空着手，如何控制寄存器呢？在第5章，我们知道寄存器就是特殊的内存空间，可以通过指针操作访问。所以此处可根据STM32的存储分配先定义好各个寄存器的地址，把这些地址定义都统一写在stm32f4xx.h文件中，见代码清单6-2。
代码清单6-2 外设地址定义
1 /＊片上外设基地址＊/
2 #define PERIPH_BASE ((unsigned int)0x40000000)
3 /＊总线基地址＊/
4 #define AHB1PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x00020000)
5 /＊GPIO外设基地址＊/
6 #define GPIOH_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x1C00)
7
8 /＊ GPIOH寄存器地址，强制转换成指针 ＊/
9 #define GPIOH_MODER ＊(unsigned int＊)(GPIOH_BASE+0x00)
10 #define GPIOH_OTYPER ＊(unsigned int＊)(GPIOH_BASE+0x04)
11 #define GPIOH_OSPEEDR ＊(unsigned int＊)(GPIOH_BASE+0x08)
12 #define GPIOH_PUPDR ＊(unsigned int＊)(GPIOH_BASE+0x0C)
13 #define GPIOH_IDR ＊(unsigned int＊)(GPIOH_BASE+0x10)
14 #define GPIOH_ODR ＊(unsigned int＊)(GPIOH_BASE+0x14)
15 #define GPIOH_BSRR ＊(unsigned int＊)(GPIOH_BASE+0x18)
16 #define GPIOH_LCKR ＊(unsigned int＊)(GPIOH_BASE+0x1C)
17 #define GPIOH_AFRL ＊(unsigned int＊)(GPIOH_BASE+0x20)
18 #define GPIOH_AFRH ＊(unsigned int＊)(GPIOH_BASE+0x24)
19
20 /＊RCC外设基地址＊/
21 #define RCC_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x3800)
22 /＊RCC的AHB1时钟使能寄存器地址，强制转换成指针＊/
23 #define RCC_AHB1ENR ＊(unsigned int＊)(RCC_BASE+0x30)
GPIO外设的地址与第5章讲解的相同，不过此处把寄存器的地址值都直接强制转换成了指针，方便使用。代码的最后两段是RCC外部寄存器的地址定义，RCC外设是用来设置时钟的，后文会详细分析，在本实验中只要了解使用GPIO外设必须开启它的时钟即可。
6.3.4 main文件
现在就可以开始编写程序了。在main文件中先编写一个main函数，但使其暂时为空。
1 int main (void)
2 {
3 }
此时直接编译的话，会出现如下错误：
“Error: L6218E: Undefined symbol SystemInit（referred from startup_stm32f429_439xx.o)”
错误提示SystemInit没有定义。分析启动文件可知，Reset_Handler调用了该函数用来初始化SMT32系统时钟，为了简单起见，我们在main文件里面定义一个SystemInit空函数，什么也不做，为的是“骗过”编译器，把这个错误去掉。关于系统时钟配置后文有讲解。当不配置系统时钟时，STM32芯片会自动按系统内部的默认时钟运行，程序还是能运行的。我们在main中添加如下函数：
1 //函数为空，目的是“骗过”编译器不报错
2 void SystemInit(void)
3 {
4 }
这时再编译就不会报错了。还有一个方法是在启动文件中把有关SystemInit的代码注释掉，见代码清单6-3。
代码清单6-3 注释掉启动文件中调用SystemInit的代码
1 //Reset handler
2 Reset_Handler PROC
3 EXPORT Reset_Handler [WEAK]
4 ;IMPORT SystemInit
5 IMPORT __main
6
7 ;LDR R0, =SystemInit
8 ;BLX R0
9 LDR R0, =__main
10 BX R0
11 ENDP
接下来在main函数中添加代码，对寄存器进行控制，寄存器的控制参数可参考表6-1或《STM32F4xx参考手册》。
1. GPIO模式
首先我们把连接到LED的PH10引脚配置成输出模式，即配置GPIO的MODER寄存器，见图6-5。MODER中包含0～15号引脚，每个引脚占用两个寄存器位。这两个寄存器位设置成“01”时即为GPIO的输出模式，见代码清单6-4。
图6-5 MODER寄存器说明（摘自《STM32F4xx参考手册》）
代码清单6-4 配置输出模式
1 /＊GPIOH MODER10清空＊/
2 GPIOH_MODER &= ～( 0x03＜＜ (2＊10));
3 /＊PH10 MODER10 = 01b输出模式＊/
4 GPIOH_MODER |= (1＜＜2＊10);
在代码中，我们先把GPIOH MODER寄存器的MODER10对应位清0，然后再向它赋值“01”，从而使GPIOH10引脚设置成输出模式。
代码中使用了“&=～”“|=”这种复杂的位操作方法，目的是为了避免影响寄存器中的其他位。因为寄存器不能按位读写，假如我们直接给MODER寄存器赋值：
1 GPIOH_MODER = 0x00100000;
这时MODER10的两个位被设置成“01”，即输出模式，但其他GPIO引脚就有问题了，因为其他引脚的MODER位都已被设置成了输入模式。
2．输出类型
GPIO输出有推挽和开漏两种类型，我们知道，开漏类型不能直接输出高电平，要输出高电平还要在芯片外部接上拉电阻，不符合我们的硬件设计，所以直接使用推挽模式。配置OTYPER中的OTYPER10寄存器位，该位设置为0时PH10引脚即为推挽模式，见代码清单6-5。
代码清单6-5 设置为推挽模式
1 /＊GPIOH OTYPER10清空＊/
2 GPIOH_OTYPER &= ～(1＜＜1＊10);
3 /＊PH10 OTYPER10 = 0b 推挽模式＊/
4 GPIOH_OTYPER |= (0＜＜1＊10);
3. 输出速度
GPIO引脚的输出速度是引脚支持高低电平切换的最高频率，本实验中可以随便设置。此处我们配置OSPEEDR寄存器中的寄存器位OSPEEDR10即可控制PH10的输出速度，见代码清单6-6。
代码清单6-6 设置输出速度为2MHz
1 /＊GPIOH OSPEEDR10清空＊/
2 GPIOH_OSPEEDR &= ～(0x03＜＜2＊10);
3 /＊PH10 OSPEEDR10 = 0b 速率2MHz＊/
4 GPIOH_OSPEEDR |= (0＜＜2＊10);
4. 上拉/下拉模式
当GPIO引脚用于输入时，引脚的上拉/下拉模式可以控制引脚的默认状态。但现在的GPIO引脚用于输出，引脚受ODR寄存器影响。ODR寄存器对应引脚初始化后默认值为0，引脚输出低电平，所以这时配置上拉/下拉模式不会影响引脚电平状态。但因此处上拉电阻能小幅提高电流输出能力，所以配置它为上拉模式，即将PUPDR寄存器的PUPDR10位设置为二进制值“01”，见代码清单6-7。
代码清单6-7 设置为上拉模式
1 /＊GPIOH PUPDR10清空＊/
2 GPIOH_PUPDR &= ～(0x03＜＜2＊10);
3 /＊PH10 PUPDR10 = 01b 上拉模式＊/
4 GPIOH_PUPDR |= (1＜＜2＊10);
5. 控制引脚输出电平
在输出模式时，对BSRR寄存器和ODR寄存器写入参数即可控制引脚的电平状态。简单起见，此处使用BSRR寄存器控制，将相应的BR10位设置为1时，PH10为低电平，点亮LED；将它的BS10位设置为1时，PH10为高电平，关闭LED。见代码清单6-8。
代码清单6-8 控制引脚输出电平
1 /＊PH10 BSRR寄存器的 BR10置1，使引脚输出低电平＊/
2 GPIOH_BSRR |= (1＜＜16＜＜10);
3
4 /＊PH10 BSRR寄存器的 BS10置1，使引脚输出高电平＊/
5 GPIOH_BSRR |= (1＜＜10);
6. 开启外设时钟
设置完GPIO的引脚，以控制电平输出，那么就可以点亮LED了吧？其实还差最后一步。
STM32的外设很多，为了降低功耗，每个外设都对应着一个时钟，在芯片刚上电的时候这些时钟都是关闭的，如果想要外设工作，必须把相应的时钟打开。
STM32所有外设的时钟由一个专门的外设来管理，叫RCC（Reset and ClockControl），其功能见《STM32中文参考手册》第6章。
所有的GPIO都挂载到AHB1总线上，所以它们的时钟由AHB1外设时钟使能寄存器（RCC_AHB1ENR）来控制，其中GPIOH端口的时钟由该寄存器的位7写1使能，开启GPIOH端口时钟。后文会详细解释STM32的时钟系统，此处只要了解在访问GPIO的寄存器之前，要先使能它的时钟即可。使用代码清单6-9中的代码可以开启GPIOH时钟。
代码清单6-9 开启端口时钟
1 /＊开启GPIOH时钟，使用外设时都要先开启它的时钟＊/
2 RCC_AHB1ENR |= (1＜＜7);
7. 水到渠成
开启时钟，配置引脚模式，控制电平，经过这3步，我们总算可以控制一个LED了。现在我们完整地组织一下用STM32控制一个LED的代码，见代码清单6-10。
代码清单6-10 main文件中控制LED的代码
1
2 /＊
3 ＊ 使用寄存器的方法点亮LED
4 ＊/
5 #include "stm32f4xx.h"
6
7
8 /＊＊
9 ＊ 主函数
10 ＊/
11 int main(void)
12 {
13 /＊开启 GPIOH 时钟，使用外设时都要先开启它的时钟＊/
14 RCC_AHB1ENR |= (1＜＜7);
15
16 /＊ LED 端口初始化 ＊/
17
18 /＊GPIOH MODER10清空＊/
19 GPIOH_MODER &= ～( 0x03＜＜ (2＊10));
20 /＊PH10 MODER10 = 01b 输出模式＊/
21 GPIOH_MODER |= (1＜＜2＊10);
22
23 /＊GPIOH OTYPER10清空＊/
24 GPIOH_OTYPER &= ～(1＜＜1＊10);
25 /＊PH10 OTYPER10 = 0b 推挽模式＊/
26 GPIOH_OTYPER |= (0＜＜1＊10);
27
28 /＊GPIOH OSPEEDR10清空＊/
29 GPIOH_OSPEEDR &= ～(0x03＜＜2＊10);
30 /＊PH10 OSPEEDR10 = 0b 速率2MHz＊/
31 GPIOH_OSPEEDR |= (0＜＜2＊10);
32
33 /＊GPIOH PUPDR10清空＊/
34 GPIOH_PUPDR &= ～(0x03＜＜2＊10);
35 /＊PH10 PUPDR10 = 01b 上拉模式＊/
36 GPIOH_PUPDR |= (1＜＜2＊10);
37
38 /＊PH10 BSRR寄存器的 BR10置1，使引脚输出低电平＊/
39 GPIOH_BSRR |= (1＜＜16＜＜10);
40
41 /＊PH10 BSRR寄存器的 BS10置1，使引脚输出高电平＊/
42 //GPIOH_BSRR |= (1＜＜10);
43
44 while (1);
45
46 }
47
48 //函数为空，目的是“骗过”编译器不报错
49 void SystemInit(void)
50 {
51 }
在本节中，要求完全理解stm32f4xx.h文件及main文件的内容（RCC相关部分除外）。
6.3.5 下载验证
把编译好的程序下载到开发板并复位，可看到板子上的LED被点亮。