?Goal
- 寄存器开发点亮LED的工程
- CubeIDE开发点亮LED的工程
Background
- ARM processor family
当我们处于用户模式下，是没有权限实现模式转换（修改CPSR模式位）的，若想实现模式切换，需通过外部中断或是异常处理过程进行切换，则ARM指令集提供两条产生异常的指令，其中一个就是中断指令SWI。ST公司在ARM基础上主打外部设备，如USART，IIC，SPI等。
ARM处理器家族包括应用处理器，实时处理器和微控制处理器。STM32单片机属于微控制处理器。如图1，随着工艺与技术的提高，现在越来越多人使用Cortex处理器以代替传统的ARM处理器，因为Cortex处理器不仅易于使用且价格低廉。
对单片微型计算机的选择，结合选型手册根据客户要求进行选择。?
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- 冯·诺依曼架构vs哈佛架构
冯·诺依曼结构数据空间和地址空间不分开，即其指令和数据共享同一总线的结构，使得信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈，影响数据处理速度提高；哈佛结构数据空间和地址空间是分开的，即哈佛结构使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存。STM32是基于哈佛架构的。
（冯诺依曼）
?（哈佛）
- CMSIS
ARM CortexTM微控制器软件接口标准（CMSIS）是Cortex-M处理器系列的与供应商无关的硬件抽象层。使用CMSIS，用户可以调用寄存器访问芯片编写代码，为处理器和外设实现一致且简单的软件接口，从而简化软件的重用、缩短微控制器新开发人员的学习过程。
CMSIS是ARM公司与多家不同的芯片和软件供应商一起紧密合作定义的，提供了内核与外设、实时操作系统和中间设备之间的通用接口。
- STM32简单知识整理
- 开发STM32的方式
????????① 寄存器开发（底层）
????????② 标准库开发
????????③ HAL库开发（STM32CubeMX）
????????STM32Cube IDE = STM32CubeMX + MDK（用图形界面方式自动生成代码）
? ? ?2. 时钟系统
????????输入时钟系统
- LSI内部低速时钟
- LSE外部低速时钟：32.768kHZ晶振
- HSI内部高速时钟：16MHz
- HSE外部高速时钟：8MHz （一般设置HSE）
STM32F407ZG：168MHz，用PLL锁相环倍频8MHz到168MHz
????????输出时钟系统
- AHB：168MHz
- APB2：84MHz
- APB1：42MHz
? ? 3. 寄存器
? ? ????① 开HSE外部高速时钟→设置寄存器，扯上参数将8MHz倍频到168MHz
? ? ????② GPIO设置，要先开GPIO时钟，为了让整个系统协同工作
? ? 4. MDK界面
如图4，具体功能包括编译BUILD（编译单个文件、智能编译、完全编译），下载LOAD（连接板子在编译后下载程序），设置（魔术棒），调试，下载支持包等。
需要检测STLink是否成功连接，点击“魔术棒”，在Debug中选择ST-Link Debugger，选择SW，如果SWDIO有标识，则在flash download添加对应STM32型号的flash，实验用的STM32板子对应的flash为STM32F4XX Flash。
? ? 5. GPIO知识整理
????????可以通过软件将通用I/O（GPIO）端口的各个端口位分别配置为多种模式：
- 输入浮空
- 输入上拉：I/O默认高电平
- 输入下拉：I/O默认低电平
- 模拟功能：输入为电压输入而不是电平输入
- 具有上拉或下拉功能的开漏输出：输出高电平，需要上拉电阻，实现线与关系，如IIC
- 具有上拉或下拉功能的推挽输出：推挽输出高低电平，驱动能力强，LED点亮选推挽
- 具有上拉或下拉功能的复用功能推挽
- 具有上拉或下拉功能的复用功能开漏
?????????图5中，输出数据寄存器为ODR，控制IO引脚是高电平还是低电平。
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? ? 6. JTAG和SWD区别
SWD模式比JTAG在高速模式下更可靠，在大数据量的情况下JTAG下载程序会失败，但SWD发生的几率小很多。在GPIO刚好缺一个的时候可以使用SWD仿真，这种模式支持更少的引脚。在板子体积有限时推荐使用SWD模式，它需要的引脚少，相应的需要PCB空间小。连接1，7，9，10就可以实现SWD模式。
Experiment Steps
- 寄存器开发点亮LED工程
为点亮LED指示灯，先在STM32_F4ZG_Pro核心板原理图中找如图6的自定义LED指示灯。图6中得知应操控PF9和PF10（即GPIO9，GPIO10），将其拉低为低电平从而导通点亮LED0和LED1。在中文参考手册中找到GPIOF的边界地址为0x4002 1400 - 0x4002 17FF。
配置GPIO端口需按顺序配置MODER，OTYPER，OSPEEDR，PUPDR，ODR寄存器。
首先配置MODER模式寄存器。看到其偏移地址为0x00，则在led.h中寻址MODER为#define GPIOF_MODER (*(volatile unsigned int *) (0x40021400 + 0x00))，其中第一个*意思为指向地址，第二个*为取地址，volatile的作用为防止编译器优化该变量，优化意思为在内存不够的情况下优化代码减少占用，但在debug时优化等级需为0。因为对于MODER寄存器而言，00代表输入，01代表通用输出模式，10代表复用功能模式，11代表模拟模式，因此为点亮LED灯，需将MODER9和MODER10都设置为01，即0101，其余都为0，则将MODER寄存器先清零再赋值。MODER寄存器清零的写法为GPIOF_MODER & = ~(0x0F<<(2*9));（其中0x0F对应二进制是1111），将1111取反后输入MODER9和MODER10。后再写GPIOF_MODER I = (0x05<<(2*9)); 将0101输入MODER9和MODER10中。完成MODER配置。
然后配置OTYPER输出类型寄存器。看到其偏移地址为0x04，则在led.h中寻址OTYPER为#define GPIOF_OTYPER (*(volatile unsigned int *) (0x40021400 + 0x04))。对于OTYPER寄存器而言，0代表输出推挽，1代表输出开漏。点亮LED等需选择推挽，因此需要将OT9和OT10设置为0 0，则将OTYPER寄存器先清零再赋值。OTYPER寄存器清零的写法为GPIOF_OTYPER & = ~(0x03<<9); 即将1 1取反输入OT9和OT10。然后写入GPIOF_OTYPER I = (0x00<<9); 将0 0输入OT9和OT10中。完成OTYPER配置。
接着配置OSPEEDR输出速度寄存器。看到其偏移地址为0x08，则在led.h中寻址MODER为#define GPIOF_OSPEEDR (*(volatile unsigned int *) (0x40021400 + 0x08))。对于OSPEEDR寄存器而言，00代表2MHz低速，01代表25MHz中速，10代表50MHz快速，11代表30pF时为100MHz高速，为点亮LED灯，只需低速即可实现，则将OSPEEDR9和OSPEEDR10都设置为00，即0000，其余都为0，则将OSPEEDR寄存器先清零再赋值。OSPEEDR寄存器清零的写法为GPIOF_OSPEEDR &= ~(0x0f << (2*9));（其中0x0f对应二进制是1111），将1111取反后输入OSPEEDR9和OSPEEDR10。后再写GPIOF_OSPEEDR |= (0x00 << (2*9)); 将0000输入OSPEEDR9和OSPEEDR10中。完成OSPEEDR配置。
随后配置PUPDR端口上拉/下拉寄存器。看到其偏移地址为0x0C，则在led.h中寻址PUPDR为#define GPIOF_PUPDR (*(volatile unsigned int *) (0x40021400 + 0x0c))。对于PUPDR寄存器而言，00代表无上拉或下拉，01代表上拉，10代表下拉，11代表保留，为点亮LED灯，默认用上拉，则将PUPDR9和PUPDR10都设置为01，即0101，其余都为0，则将PUPDR寄存器先清零再赋值。PUPDR寄存器清零的写法为GPIOF_PUPDR &= ~(0x0f << (2*9));（其中0x0f对应二进制是1111），将1111取反后输入PUPDR9和PUPDR10。后再写GPIOF_PUPDR |= (0x05 << (2*9)); 将0101输入PUPDR9和PUPDR10中。完成PUPDR配置。
最后配置ODR输出数据寄存器。看到其偏移地址为0x14，则在led.h中寻址ODR为#define GPIOF_ODR (*(volatile unsigned int *) (0x40021400 + 0x14))。对于ODR寄存器而言，0代表下拉，1代表上拉，为使两个LED灯闪烁，需要将ODR9和ODR10交替设置为0，则将PUPDR9和PUPDR10都设置为01或10，其余都为0，则将ODR寄存器先清零再赋值。ODR寄存器清零的写法为GPIOF_ODR &= ~(0x03 << 9);（其中0x03对应二进制是11），将11取反后输入ODR9和ODR10。后再写GPIOF_ODR |= (0x01 << 9);和GPIOF_ODR |= (0x02 << 9); 将01或10输入ODR9和ODR10中。完成ODR配置。
- CubeIDE开发点亮LED
首先需要配置时钟，在Pinout & Configuration中的System Core点击RCC配置时间，选择配置HSE外部高速时钟，并选择Crystal/Ceramic Resonator。然后进入Clock Configuration中选择HSE，因为晶振为8MHz，将Input frequency设置为8MHz，首先需要归一化，故先“/8”，然后因为一定要“/2”，且在除以2后需达到168MHz，所以再除以2前“x336”。然后选择PLLCLK倍频，再调整参数配置AHB，APB1和APB2。因为已知输出时钟系统中，AHB为168MHz，APB2为84MHz且APB1为42MHz，所以分别“/1”，“/2”，“/4”即可配置，如图7。
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配置完时钟后配置GPIO。在Pinout & Configuration中点击PF9和PF10，选择GPIO_OUTPUT。在左侧的GPIO栏分别配置PF9和PF10，将它们的GPIO output level一个设置为High另一个设置为Low，将GPIO mode设置为Output Push Pull，将GPIO Pull-up/Pull-down设置为Pull-up，将Maximum output speed设置为Low。接着Porject Manager，设置完后选择自动生成代码。
CubeIDE是用HAL库开发的，HAL库的手册叫做stm32f4 hal and low-layer drivers。在生成的代码中，需要把（1）（2）两行代码写入main函数的while循环中，TogglePin的意思为不断的翻转，从而让LED可以亮灭闪烁。
HAL_Delay(1000); ?????????????????????????????????????????????????????????????（1） ?
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOF, LED0_Pin|LED1_Pin); ???????????????????????????????????（2）
最后Ctrl+B对项目进行编译，选择Run Configuration，然后配置文件，双击STM32 Cortex-M C/C++ Application，在C/C++ Application中调试器选择STLink，Main中选择led.elf，当看到Download verified successfully即可成功运行。
【其中库函数的启动文件和寄存器启动文件不同，不需要用到ST公司给的初始化时钟的函数。图形化界面不需要在启动文件调用SystemInit函数，故屏蔽掉，不过需要在外部实现SystemInit函数不然会报错。】
Result
都能看到STM32板子上D1和D2小灯交替闪烁，实验成功。
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