正點原子-戰艦V3第四章 STM32F1 基礎知識入門

這一章，我們將著重 STM32 開發的一些基礎知識，讓大家對 STM32 開發有一個初步的了解，為後面 STM32 的學習做一個鋪墊，方便後面的學習。這一章的內容大家第一次看的時候可以只了解一個大概，後面需要用到這方面的知識的時候再回過頭來仔細看看。這章我們分 7個小結，

·4.1 MDK 下 C 語言基礎複習

·4.2 STM32F1 系統架構

·4.3 STM32F103 時鐘系統

·4.4 IO 引腳復用器和映射

·4.5 STM32F1 NVIC 中斷優先級管理

·4.6 MDK 中寄存器地址名稱映射分析

·4.7 MDK 固件庫快速開發技巧

4.1 MDK 下 C 語言基礎複習

這一節我們主要講解一下 C 語言基礎知識。C 語言知識博大精深，也不是我們三言兩語能講解清楚，同時我們相信學 STM32F4 這種級別 MCU 的用戶，C 語言基礎應該都是沒問題的。我們這裡主要是簡單的複習一下幾個 C 語言基礎知識點，引導那些 C 語言基礎知識不是很紮實的用戶能夠快速開發 STM32 程序。同時希望這些用戶能夠多去複習一下 C 語言基礎知識，C 語言畢竟是單片機開發中的必備基礎知識。對於 C 語言基礎比較紮實的用戶，這部分知識可以忽略不看。

4.1.1 位操作

C 語言位操作相信學過 C 語言的人都不陌生了,簡而言之，就是對基本類型變量可以在位級別進行操作。這節的內容很多朋友都應該很熟練了，我這裡也就點到為止，不深入探討。下面我們先講解幾種位操作符，然後講解位操作使用技巧。C 語言支持如下 6 種位操作

表 4.1.1 16 種位操作

這些與或非，取反，異或，右移，左移這些到底怎麼回事，這裡我們就不多做詳細，相信大家學 C 語言的時候都學習過了。如果不懂的話，可以百度一下，非常多的知識講解這些操作符。下面我們想著重講解位操作在單片機開發中的一些實用技巧。1) 不改變其他位的值的狀況下，對某幾個位進行設值。

這個場景單片機開發中經常使用，方法就是先對需要設置的位用&操作符進行清零操作，然後用|操作符設值。比如我要改變 GPIOA->ODR 的狀態,可以先對寄存器的值進行&清零操作

操作GPIOA->ODR &=0XFF0F; //將第 4-7 位清 0

然後再與需要設置的值進行|或運算

GPIOA->ODR |=0X0040; //設置相應位的值，不改變其他位的值2) 移位操作提高代碼的可讀性。

移位操作在單片機開發中也非常重要，我們來看看下面一行代碼

GPIOA->ODR| = 1 << 5;

這個操作就是將 ODR 寄存器的第 5 位設置為 1，為什麼要通過左移而不是直接設置一個固定的值呢？其實，這是為了提高代碼的可讀性以及可重用性。這行代碼可以很直觀明了的知道，是將第 5 位設置為 1，其他位的值不變。如果你寫成

GPIOA->ODR =0x0020;

這樣的代碼可讀性非常差同時也不好重用。

3) ~取反操作使用技巧

例如 GPIOA->ODR 寄存器的每一位都用來設置一個 IO 口的輸出狀態，某個時刻我們希望去設置某一位的值為 0，同時其他位都為 1，簡單的作法是直接給寄存器設置一個值：

GPIOA->ODR =0xFFF7；

這樣的作法設置第 3 位為 0，但是這樣的寫法可讀性很差。看看如果我們使用取反操作怎麼實現：

GPIOA->ODR= (uint16_t)~(1<<3);

看這行代碼應該很容易明白，我們設置的是 ODR 寄存器的第 3 位為 0，其他位為 1，可讀性非常強。

4.1.2 define 宏定義

define 是 C 語言中的預處理命令，它用於宏定義，可以提高原始碼的可讀性，為編程提供方便。常見的格式：

#define 標識符 字符串

「標識符」為所定義的宏名。「字符串」可以是常數、表達式、格式串等。例如：#define HSI_VALUE ((uint32_t)16000000)

定義標識符 HSI_VALUE 的值為 16000000。這樣我們就可以在代碼中直接使用標識符HSI_VALUE，而不用直接使用常量 16000000，同時也很方便我們修改 HSI_VALUE 的值。至於 define 宏定義的其他一些知識，比如宏定義帶參數這裡我們就不多講解。

4.1.3# ifdef 和 #if defined 條件編譯

單片機程序開發過程中，經常會遇到一種情況，當滿足某條件時對一組語句進行編譯，而當條件不滿足時則編譯另一組語句。條件編譯命令最常見的形式為：

#ifdef 標識符

程序段 1

#else

程序段 2

#endif

它的作用是：當標識符已經被定義過(一般是用#define 命令定義)，則對程序段 1 進行編譯，否則編譯程序段 2。 其中#else 部分也可以沒有，即：

#ifdef

程序段 1

#endif

這個條件編譯在 MDK 裡面是用得很多的，在 stm32f4xx_hal_conf.h 這個頭文件中會看到這樣的語句：

#ifdef HAL_GPIO_MODULE_ENABLED

#include "stm32f1xx_hal_gpio.h"

#endif

這段代碼的作用是判斷宏定義標識符 HAL_GPIO_MODULE_ENABLED 是否被定義，如果被定義了，那麼就引入頭文件 stm32f1xx_hal_gpio.h。

對於條件編譯，還有個常用的格式，如下：

#if defined XXX1

程序段 1

#elif defined XXX2

程序段 2

…

#elif defined XXXn

程序段 n

…

#endif

這種寫法的作用實際跟 ifdef 很相似，不同的是 ifdef 只能在兩個選擇中判斷是否定義，而 if defined 可以在多個選擇中判斷是否定義。

條件編譯也是 c 語言的基礎知識，這裡就給大家講解到這裡，不懂的大家可以查看在網上搜索相關資料學習。

4.1.4 extern 變量申明

C 語言中 extern 可以置於變量或者函數前，以表示變量或者函數的定義在別的文件中，提示編譯器遇到此變量和函數時在其他模塊中尋找其定義。這裡面要注意，對於 extern 申明變量可以多次，但定義只有一次。在我們的代碼中你會看到看到這樣的語句：

extern u16 USART_RX_STA;

這個語句是申明 USART_RX_STA 變量在其他文件中已經定義了，在這裡要使用到。所以，你肯定可以找到在某個地方有變量定義的語句：

u16 USART_RX_STA;

的出現。下面通過一個例子說明一下使用方法。

在 Main.c 定義的全局變量 id，id 的初始化都是在 Main.c 裡面進行的。

Main.c 文件

u8 id;//定義只允許一次

main()

{

id=1;

printf("d%",id);//id=1

test();

printf("d%",id);//id=2

}

但是我們希望在main.c的 changeId(void)函數中使用變量id,這個時候我們就需要在main.c裡面去申明變量 id 是外部定義的了，因為如果不申明，變量 id 的作用域是到不了 main.c 文件中。看下面 main.c 中的代碼：

extern u8 id;//申明變量 id 是在外部定義的，申明可以在很多個文件中進行

void test(void){

id=2;

}

在 main.c 中申明變量 id 在外部定義，然後在 main.c 中就可以使用變量 id 了。

對於 extern 申明函數在外部定義的應用，這裡我們就不多講解了。

4.1.5 typedef 類型別名

typedef 用於為現有類型創建一個新的名字，或稱為類型別名，用來簡化變量的定義。typedef 在 MDK 用得最多的就是定義結構體的類型別名和枚舉類型了。

struct _GPIO

{

__IO uint32_t MODER;

__IO uint32_t OTYPER;

…

};

定義了一個結構體 GPIO，這樣我們定義變量的方式為：

struct _GPIO GPIOA;//定義結構體變量 GPIOA

但是這樣很繁瑣，MDK 中有很多這樣的結構體變量需要定義。這裡我們可以為結體定義一個別

名 GPIO_TypeDef，這樣我們就可以在其他地方通過別名 GPIO_TypeDef 來定義結構體變量了。

方法如下：

typedef struct

{

__IO uint32_t MODER;

__IO uint32_t OTYPER;

…

} GPIO_TypeDef;

Typedef 為結構體定義一個別名 GPIO_TypeDef，這樣我們可以通過 GPIO_TypeDef 來定義結構體

變量：

GPIO_TypeDef _GPIOA,_GPIOB;

這裡的 GPIO_TypeDef 就跟 struct _GPIO 是等同的作用了。 這樣是不是方便很多？

4.1.6 結構體

經常很多用戶提到，他們對結構體使用不是很熟悉，但是 MDK 中太多地方使用結構體以及

結構體指針，這讓他們一下子摸不著頭腦，學習 STM32 的積極性大大降低，其實結構體並不是

那麼複雜，這裡我們稍微提一下結構體的一些知識，還有一些知識我們會在下一節的「寄存器

地址名稱映射分析」中講到一些。

聲明結構體類型：

Struct 結構體名{

成員列表;

}變量名列表；

例如：

Struct G_TYPE {

uint32_t Pin;

uint32_t Mode;

uint32_t Speed;

}GPIOA，GPIOB;

在結構體申明的時候可以定義變量，也可以申明之後定義，方法是：

Struct 結構體名字 結構體變量列表 ;

例如：struct G_TYPE GPIOA,GPIOB;

結構體成員變量的引用方法是：

結構體變量名字.成員名

比如要引用 GPIOA 的成員 Mode，方法是：GPIOA. Mode;

結構體指針變量定義也是一樣的，跟其他變量沒有啥區別。

例如：struct G_TYPE *GPIOC；//定義結構體指針變量 GPIOC;

結構體指針成員變量引用方法是通過「->」符號實現，比如要訪問 GPIOC 結構體指針指向的結

構體的成員變量 Speed,方法是：

GPIOC-> Speed;

上面講解了結構體和結構體指針的一些知識，其他的什麼初始化這裡就不多講解了。講到這裡，

有人會問，結構體到底有什麼作用呢？為什麼要使用結構體呢？下面我們將簡單的通過一個實

例回答一下這個問題。

在我們單片機程序開發過程中，經常會遇到要初始化一個外設比如 IO 口。它的初始化狀態

是由幾個屬性來決定的，比如模式，速度等。對於這種情況，在我們沒有學習結構體的時候，

我們一般的方法是：

void HAL_GPIO_Init (uint32_t Pin, uint32_t Mode, uint32_t Speed);

這種方式是有效的同時在一定場合是可取的。但是試想，如果有一天，我們希望往這個函數裡

面再傳入一個參數，那麼勢必我們需要修改這個函數的定義，重新加入上下拉 Pull 這個入口參

數。於是我們的定義被修改為：

void HAL_GPIO_Init (uint32_t Pin, uint32_t Mode, uint32_t Speed,uint32_t Pull);

但是如果我們這個函數的入口參數是隨著開發不斷的增多，那麼是不是我們就要不斷的修改函

數的定義呢？這是不是給我們開發帶來很多的麻煩？那又怎樣解決這種情況呢？

這樣如果我們使用到結構體就能解決這個問題了。我們可以在不改變入口參數的情況下，

只需要改變結構體的成員變量，就可以達到上面改變入口參數的目的。

結構體就是將多個變量組合為一個有機的整體。上面的函數中 Pin, Mode,

Speed 和 Pull 這些參數，他們對於 GPIO 而言，是一個有機整體，都是來設置 IO 口參數的，所

以我們可以將他們通過定義一個結構體來組合在一個。MDK 中是這樣定義的：

typedef struct

{

uint32_t Pin;

uint32_t Mode;

uint32_t Pull;

uint32_t Speed;

}GPIO_InitTypeDef;

於是，我們在初始化 GPIO 口的時候入口參數就可以是 GPIO_InitTypeDef 類型的變量或者指針

變量了，MDK 中是這樣做的：

void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init);

這樣，任何時候，我們只需要修改結構體成員變量，往結構體中間加入新的成員變量，而不需

要修改函數定義就可以達到修改入口參數同樣的目的了。這樣的好處是不用修改任何函數定義

就可以達到增加變量的目的。

理解了結構體在這個例子中間的作用嗎？在以後的開發過程中，如果你的變量定義過多，

如果某幾個變量是用來描述某一個對象，你可以考慮將這些變量定義在結構體中，這樣也許可

以提高你的代碼的可讀性。

使用結構體組合參數，可以提高代碼的可讀性，不會覺得變量定義混亂。當然結構體的作

用就遠遠不止這個了，同時，MDK 中用結構體來定義外設也不僅僅只是這個作用，這裡我們只

是舉一個例子，通過最常用的場景，讓大家理解結構體的一個作用而已。後面一節我們還會講

解結構體的一些其他知識。

4.2 STM32F1 系統架構

STM32 的系統架構比 51 單片機就要強大很多了。STM32 系統架構的知識可以在《STM32

中文參考手冊 V10》的 P25~28 有講解，這裡我們也把這一部分知識抽取出來講解，是為了大

家在學習 STM32 之前對系統架構有一個初步的了解。這裡的內容基本也是從中文參考手冊中

參考過來的，讓大家能通過我們手冊也了解到，免除了到處找資料的麻煩吧。如果需要詳細深

入的了解 STM32 的系統架構，還需要在網上搜索其他資料學習學習。

我們這裡所講的 STM32 系統架構主要針對的 STM32F103 這些非互聯型晶片。首先我們看

看 STM32 的系統架構圖：

圖 4.2.1STM32 系統架構圖

STM32 主系統主要由四個驅動單元和四個被動單元構成。

四個驅動單元是：

內核 DCode 總線;

系統總線;

通用 DMA1;

通用 DMA2;

四被動單元是：

AHB 到 APB 的橋：連接所有的 APB 設備；

內部 FlASH 快閃記憶體；

內部 SRAM；

FSMC;

下面我們具體講解一下圖中幾個總線的知識：

① ICode 總線：該總線將 M3 內核指令總線和快閃記憶體指令接口相連，指令的預取在該總線上

面完成。

② DCode 總線：該總線將 M3 內核的 DCode 總線與快閃記憶體存儲器的數據接口相連接，常量

加載和調試訪問在該總線上面完成。

③ 系統總線：該總線連接 M3 內核的系統總線到總線矩陣，總線矩陣協調內核和 DMA 間

訪問。

④ DMA 總線：該總線將 DMA 的 AHB 主控接口與總線矩陣相連，總線矩陣協調 CPU 的

DCode 和 DMA 到 SRAM,快閃記憶體和外設的訪問。

⑤ 總線矩陣：總線矩陣協調內核系統總線和 DMA 主控總線之間的訪問仲裁，仲裁利用

輪換算法。

⑥ AHB/APB 橋:這兩個橋在 AHB 和 2 個 APB 總線間提供同步連接，APB1 操作速度限於

36MHz,APB2 操作速度全速。

對於系統架構的知識，在剛開始學習 STM32 的時候只需要一個大概的了解，大致知道是個

什麼情況即可。對於尋址之類的知識，這裡就不做深入的講解，中文參考手冊都有很詳細的講

解。

4.3 STM32F103 時鐘系統

STM32F1 時鐘系統的知識在《STM32 中文參考手冊 V10》第六章復位和時鐘控制章節有非

常詳細的講解，網上關於時鐘系統的講解也基本都是參考的這裡。這些知識也不是什麼原創，

純粹根據官方提供的中文參考手冊和自己的應用心得來總結的，如有不合理之處望大家諒解。

這部分內容我們分 3 個小節來講解：

·4.3.1 STM32F103 時鐘樹概述

·4.3.2 STM32F103 時鐘初始化配置

·4.3.3 STM32F103 時鐘使能和配置

4.3.1 STM32F103 時鐘樹概述

眾所周知，時鐘系統是 CPU 的脈搏，就像人的心跳一樣。所以時鐘系統的重要性就不言而

喻了。STM32F103的時鐘系統比較複雜，不像簡單的51單片機一個系統時鐘就可以解決一切。

於是有人要問，採用一個系統時鐘不是很簡單嗎？為什麼 STM32 要有多個時鐘源呢？ 因為首

先 STM32 本身非常複雜，外設非常的多，但是並不是所有外設都需要系統時鐘這麼高的頻率，

比如看門狗以及 RTC 只需要幾十 k 的時鐘即可。同一個電路，時鐘越快功耗越大，同時抗電磁

幹擾能力也會越弱，所以對於較為複雜的 MCU 一般都是採取多時鐘源的方法來解決這些問題。

首先讓我們來看看 STM32F103 的時鐘系統圖：

圖 4.3.1.1 STM32F103 時鐘系統圖

在 STM32 中，有五個時鐘源，為 HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。從時鐘頻率來分可以分為

高速時鐘源和低速時鐘源，在這 5 個中 HIS，HSE 以及 PLL 是高速時鐘，LSI 和 LSE 是低速時

鍾。從來源可分為外部時鐘源和內部時鐘源，外部時鐘源就是從外部通過接晶振的方式獲取時

鍾源，其中 HSE 和 LSE 是外部時鐘源，其他的是內部時鐘源。下面我們看看 STM32 的 5 個時

鍾源，我們講解順序是按圖中紅圈標示的順序：

①、HSI 是高速內部時鐘，RC 振蕩器，頻率為 8MHz。

②、HSE 是高速外部時鐘，可接石英/陶瓷諧振器，或者接外部時鐘源，頻率範圍為 4MHz~16MHz。

我們的開發板接的是 8M 的晶振。

③、LSI 是低速內部時鐘，RC 振蕩器，頻率為 40kHz。獨立看門狗的時鐘源只能是 LSI，同

時 LSI 還可以作為 RTC 的時鐘源。

④、LSE 是低速外部時鐘，接頻率為 32.768kHz 的石英晶體。這個主要是 RTC 的時鐘源。

⑤、PLL 為鎖相環倍頻輸出，其時鐘輸入源可選擇為 HSI/2、HSE 或者 HSE/2。倍頻可選擇為

2~16 倍，但是其輸出頻率最大不得超過 72MHz。

上面我們簡要概括了 STM32 的時鐘源，那麼這 5 個時鐘源是怎麼給各個外設以及系統提

供時鐘的呢？這裡我們將一一講解。我們還是從圖的下方講解起吧，因為下方比較簡單。

圖中我們用 A~E 標示我們要講解的地方。

A. MCO 是 STM32 的一個時鐘輸出 IO(PA8)，它可以選擇一個時鐘信號輸出，可以

選擇為 PLL 輸出的 2 分頻、HSI、HSE、或者系統時鐘。這個時鐘可以用來給外

部其他系統提供時鐘源。

B. 這裡是 RTC 時鐘源，從圖上可以看出，RTC 的時鐘源可以選擇 LSI，LSE，以及

HSE 的 128 分頻。

C. 從圖中可以看出 C 處 USB 的時鐘是來自 PLL 時鐘源。STM32 中有一個全速功能

的 USB 模塊，其串行接口引擎需要一個頻率為 48MHz 的時鐘源。該時鐘源只能

從 PLL 輸出端獲取，可以選擇為 1.5 分頻或者 1 分頻，也就是，當需要使用 USB

模塊時，PLL 必須使能，並且時鐘頻率配置為 48MHz 或 72MHz。

D. D 處就是 STM32 的系統時鐘 SYSCLK，它是供 STM32 中絕大部分部件工作的時

鍾源。系統時鐘可選擇為 PLL 輸出、HSI 或者 HSE。系統時鐘最大頻率為 72MHz，

當然你也可以超頻，不過一般情況為了系統穩定性是沒有必要冒風險去超頻的。

E. 這裡的 E 處是指其他所有外設了。從時鐘圖上可以看出，其他所有外設的時鐘最

終來源都是 SYSCLK。SYSCLK 通過 AHB 分頻器分頻後送給各模塊使用。這些模塊包

括：

①、AHB 總線、內核、內存和 DMA 使用的 HCLK 時鐘。

②、通過 8 分頻後送給 Cortex 的系統定時器時鐘，也就是 systick 了。

③、直接送給 Cortex 的空閒運行時鐘 FCLK。

④、送給 APB1 分頻器。APB1 分頻器輸出一路供 APB1 外設使用(PCLK1，最大

頻率 36MHz)，另一路送給定時器(Timer)2、3、4 倍頻器使用。

⑤、送給 APB2 分頻器。APB2 分頻器分頻輸出一路供 APB2 外設使用(PCLK2，

最大頻率 72MHz)，另一路送給定時器(Timer)1 倍頻器使用。

其中需要理解的是 APB1 和 APB2 的區別，APB1 上面連接的是低速外設，包括電源接口、

備份接口、CAN、USB、I2C1、I2C2、UART2、UART3 等等，APB2 上面連接的是高速外設包

括 UART1、SPI1、Timer1、ADC1、ADC2、所有普通 IO 口(PA~PE)、第二功能 IO 口等。居寧

老師的《稀裡糊塗玩 STM32》資料裡面教大家的記憶方法是 2>1， APB2 下面所掛的外設的時

鍾要比 APB1 的高。

在以上的時鐘輸出中，有很多是帶使能控制的，例如 AHB 總線時鐘、內核時鐘、各種 APB1

外設、APB2 外設等等。當需要使用某模塊時，記得一定要先使能對應的時鐘。後面我們講解

實例的時候回講解到時鐘使能的方法。

4.3.2 STM32F103 時鐘系統配置

上一小節我們對 STM32F103 時鐘樹進行了詳細講解，接下來我們來講解通過 STM32F1 的

HAL 庫進行 STM32F103 時鐘系統配置步驟。實際上，STM32F1 的時鐘系統配置也可以通過圖

形化配置工具 STM32CubeMX 來配置生成，這裡我們講解初始化代碼，是為了讓大家對 STM32

時鐘系統有更加清晰的理解。

前面我們講解過，在系統啟動之後，程序會先執行 HAL 庫定義的 SystemInit 函數，進行系

統一些初始化配置。那麼我們先來看看 SystemInit 程序：

void SystemInit (void)

{

/* 將 RCC 時鐘配置重置為默認重置狀態(用於調試)*/

RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001; //打開 HSION 位

/* 設置 SW, HPRE, PPRE1, PPRE2, ADCPRE 和 MCO 位 */

#if !defined(STM32F105xC) && !defined(STM32F107xC)

RCC->CFGR &= (uint32_t)0xF8FF0000;

#else

RCC->CFGR &= (uint32_t)0xF0FF0000;

#endif /* STM32F105xC */

RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF; // 復位 HSEON, CSSON 和 PLLON 位

RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF; // 復位 HSEBYP 位

RCC->CFGR &= (uint32_t)0xFF80FFFF; //復位 CFGR 寄存器

#if defined(STM32F105xC) || defined(STM32F107xC)

RCC->CR &= (uint32_t)0xEBFFFFFF; // 復位 PLL2ON 和 PLL3ON 位

RCC->CIR = 0x00FF0000; // 禁用所有中斷並清除掛起位

RCC->CFGR2 = 0x00000000; // 重置 CFGR2 註冊

#elif defined(STM32F100xB) || defined(STM32F100xE)

RCC->CIR = 0x009F0000; // 禁用所有中斷並清除掛起位

RCC->CFGR2 = 0x00000000; // 重置 CFGR2 註冊

#else

RCC->CIR = 0x009F0000; // 禁用所有中斷並清除掛起位

#endif /* STM32F105xC */

#if defined(STM32F100xE) || defined(STM32F101xE) || defined(STM32F101xG) ||

defined(STM32F103xE) || defined(STM32F103xG)

#ifdef DATA_IN_ExtSRAM

SystemInit_ExtMemCtl();

#endif /* DATA_IN_ExtSRAM */

#endif

/* 配置中斷向量表地址=基地址+偏移地址 ------------------*

#ifdef VECT_TAB_SRAM

SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; //內部 SRAM 中的向量表重定位

#else

SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; //在內部 FLASH 中的向量表重定位

#endif

}從上面代碼可以看出，SystemInit 主要做了如下三個方面工作：

1） 復位 RCC 時鐘配置為默認復位值（默認開始了 HIS）

2） 外部存儲器配置

3） 中斷向量表地址配置

HAL 庫的 SystemInit 函數並沒有像標準庫的 SystemInit 函數一樣進行時鐘的初始化配置。HAL

庫的 SystemInit 函數除了打開 HSI 之外，沒有任何時鐘相關配置，所以使用 HAL 庫我們必須編

寫自己的時鐘配置函數。首先我們打開工程模板看看我們在工程 SYSTEM 分組下面定義的 sys.c

文件中的時鐘初始化函數 Stm32_Clock_Init 的內容：

//時鐘系統配置函數

//PLL:選擇的倍頻數，RCC_PLL_MUL2~RCC_PLL_MUL16

//返回值:0,成功;1,失敗

void Stm32_Clock_Init(u32 PLL)

{

HAL_StatusTypeDef ret = HAL_OK;

RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStructure;

RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStructure;

RCC_OscInitStructure.OscillatorType=RCC_OSCILLATORTYPE_HSE; //時鐘源為 HSE

RCC_OscInitStructure.HSEState=RCC_HSE_ON; //打開 HSE

RCC_OscInitStructure.HSEPredivValue=RCC_HSE_PREDIV_DIV1; //HSE 預分頻

RCC_OscInitStructure.PLL.PLLState=RCC_PLL_ON; //打開 PLL

RCC_OscInitStructure.PLL.PLLSource=RCC_PLLSOURCE_HSE;

//PLL 時鐘源選擇 HSE

RCC_OscInitStructure.PLL.PLLMUL=PLL; //主 PLL 倍頻因子

ret=HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStructure);//初始化

if(ret!=HAL_OK) while(1);

//選中 PLL 作為系統時鐘源並且配置 HCLK,PCLK1 和 PCLK2

RCC_ClkInitStructure.ClockType=(RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK|

RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|

RCC_CLOCKTYPE_PCLK2);

//設置系統時鐘時鐘源為 PLL

RCC_ClkInitStructure.SYSCLKSource=RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;

RCC_ClkInitStructure.AHBCLKDivider=RCC_SYSCLK_DIV1; //AHB 分頻係數為 1

RCC_ClkInitStructure.APB1CLKDivider=RCC_HCLK_DIV2; //APB1 分頻係數為 2

RCC_ClkInitStructure.APB2CLKDivider=RCC_HCLK_DIV1; //APB2 分頻係數為 1

ret=HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStructure,FLASH_LATENCY_2);

//同時設置 FLASH 延時周期為 2WS，也就是 3 個 CPU 周期。

if(ret!=HAL_OK) while(1);

}

從函數注釋可知，函數 Stm32_Clock_Init 的作用是進行時鐘系統配置，除了配置 PLL 相關

參數確定 SYSCLK 值之外，還配置了 AHB,APB1 和 APB2 的分頻係數，也就是確定了 HCLK，

PCLK1 和 PCLK2 的時鐘值。

接下來我們看看結構體 RCC_OscInitTypeDef 的定義：

typedef struct

{

uint32_t OscillatorType; //需要選擇配置的振蕩器類型

uint32_t HSEState; //HSE 狀態

uint32_t HSEPredivValue; // Prediv1 值

uint32_t LSEState; //LSE 狀態

uint32_t HSIState; //HIS 狀態

uint32_t HSICalibrationValue; //HIS 校準值

uint32_t LSIState; //LSI 狀態

RCC_PLLInitTypeDef PLL; //PLL 配置

}RCC_OscInitTypeDef;

對於這個結構體，前面幾個參數主要是用來選擇配置的振蕩器類型。比如我們要開啟 HSE，

那麼我們會設置 OscillatorType 的值為 RCC_OSCILLATORTYPE_HSE，然後設置 HSEState 的值

為 RCC_HSE_ON 開啟 HSE。對於其他時鐘源 HSI,LSI 和 LSE，配置方法類似。這個結構體還

有一個很重要的成員變量是 PLL，它是結構體 RCC_PLLInitTypeDef 類型。它的作用是配置 PLL

相關參數，我們來看看它的定義：

typedef struct

{

uint32_t PLLState; //PLL 狀態

uint32_t PLLSource; //PLL 時鐘源

uint32_t PLLMUL; //PLL VCO 輸入時鐘的乘法因子

}RCC_PLLInitTypeDef;

從 RCC_PLLInitTypeDef;結構體的定義很容易看出該結構體主要用來設置 PLL 時鐘源以及

相關分頻倍頻參數。

這個結構體的定義我們就不做過多講解，接下來我們看看我們的時鐘初始化函數

Stm32_Clock_Init 中的配置內容：

RCC_OscInitStructure.OscillatorType=RCC_OSCILLATORTYPE_HSE; //時鐘源為 HSE

RCC_OscInitStructure.HSEState=RCC_HSE_ON; //打開 HSE

RCC_OscInitStructure.HSEPredivValue=RCC_HSE_PREDIV_DIV1; //HSE 預分頻

RCC_OscInitStructure.PLL.PLLState=RCC_PLL_ON; //打開 PLL

RCC_OscInitStructure.PLL.PLLSource=RCC_PLLSOURCE_HSE;

//PLL 時鐘源選擇 HSE

RCC_OscInitStructure.PLL.PLLMUL=PLL; //主 PLL 倍頻因子

ret=HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStructure);//初始化

通過該段函數，我們開啟了 HSE 時鐘源，同時選擇 PLL 時鐘源為 HSE，然後把

Stm32_Clock_Init 的唯一的入口參數直接設置作為 PLL 的倍頻因子。設置好 PLL 時鐘源參數之

後，也就是確定了 PLL 的時鐘頻率，接下來我們就需要設置系統時鐘，以及 AHB，APB1 和

APB2 相關參數。

接下來我們來看看步驟 5 中提到的 HAL_RCC_ClockConfig()函數，聲明如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_RCC_ClockConfig(RCC_ClkInitTypeDef *RCC_ClkInitStruct,

uint32_t FLatency);

該函數有兩個入口參數，第一個入口參數 RCC_ClkInitStruct 是結構體 RCC_ClkInitTypeDef

指針類型，用來設置 SYSCLK 時鐘源以及 AHB,APB1 和 APB2 的分頻係數。第二個入口參數

FLatency 用來設置 FLASH 延遲，這個參數我們放在後面講解。

RCC_ClkInitTypeDef 結構體類型定義非常簡單，這裡我們就不列出來，我們來看看

Stm32_Clock_Init 函數中的配置內容：

//選中 PLL 作為系統時鐘源並且配置 HCLK,PCLK1 和 PCLK2

RCC_ClkInitStructure.ClockType=(RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK|

RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|

RCC_CLOCKTYPE_PCLK2);

//設置系統時鐘時鐘源為 PLL

RCC_ClkInitStructure.SYSCLKSource=RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;

RCC_ClkInitStructure.AHBCLKDivider=RCC_SYSCLK_DIV1; //AHB 分頻係數為 1

RCC_ClkInitStructure.APB1CLKDivider=RCC_HCLK_DIV2; //APB1 分頻係數為 2

RCC_ClkInitStructure.APB2CLKDivider=RCC_HCLK_DIV1; //APB2 分頻係數為 1

ret=HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStructure,FLASH_LATENCY_2);

//同時設置 FLASH 延時周期為 2WS，也就是 3 個 CPU 周期。

第一個參數 ClockType 配置說明我們要配置的是 SYSCLK，HCLK,PCLK1 和 PCLK2 四個時鐘。

第二個參數 SYSCLKSource 配置選擇系統時鐘源為 PLL。

第三個參數 AHBCLKDivider 配置 AHB 分頻係數為 1。

第四個參數 APB1CLKDivider 配置 APB1 分頻係數為 2。

第五個參數 APB2CLKDivider 配置 APB2 分頻係數為 1。

根據我們在主函數中調用 Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9)時候設置的入口參數值，我

們可以計算出，PLL 時鐘為 PLLCLK=HSE*9 =8MHz*9=72MHz，同時我們選擇系統時鐘源為

PLL ， 所 以 系 統 時 鍾 SYSCLK=72MHz 。 AHB 分頻系 數 為 1 ，故其頻率為

HCLK=SYSCLK/1=72MHz。APB1 分頻係數為 2，故其頻率為 PCLK1=HCLK/2=36MHz。APB2

分頻係數為 1，故其頻率為 PCLK2=HCLK/1=72/1=72MHz。最後我們總結一下通過調用函數

Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9)之後的關鍵時鐘頻率值：

SYSCLK(系統時鐘) =72MHz

PLL 主時鐘 =72MHz

AHB 總線時鐘（HCLK=SYSCLK/1） =72MHz

APB1 總線時鐘（PCLK1=HCLK/2） =36MHz

APB2 總線時鐘（PCLK2=HCLK/1） =72MHz

4.3.3 STM32F1 時鐘使能和配置

上一節我們講解了時鐘系統配置步驟。在配置好時鐘系統之後，如果我們要使用某些外設，

例如 GPIO，ADC 等，我們還要使能這些外設時鐘。這裡大家必須注意，如果在使用外設之前

沒有使能外設時鐘，這個外設是不可能正常運行的。STM32 的外設時鐘使能是在 RCC 相關寄

存器中配置的。因為 RCC 相關寄存器非常多，有興趣的同學可以直接打開《STM32 中文參考手

冊 V10》6.3 小節查看所有 RCC 相關寄存器的配置。接下來我們來講解通過 STM32F1 的 HAL

庫使能外設時鐘的方法。

在 STM32F1 的 HAL 庫中，外設時鐘使能操作都是在 RCC 相關固件庫文件頭文件

stm32f1xx_hal_rcc.h 定義的。大家打開 stm32f1xx_hal_rcc.h 頭文件可以看到文件中除了少數幾

個函數聲明之外大部分都是宏定義標識符。外設時鐘使能在 HAL 庫中都是通過宏定義標識符

來實現的。首先，我們來看看 GPIOA 的外設時鐘使能宏定義標識符：

#define __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE() do { \

__IO uint32_t tmpreg; \

SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPAEN);\

tmpreg = READ_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPAEN);\

UNUSED(tmpreg); \

} while(0U))

這幾行代碼非常簡單，主要是定義了一個宏定義標識符__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()，

它的核心操作是通過下面這行代碼實現的：

SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPAEN);

這行代碼的作用是，設置寄存器 RCC_APB2ENR 的相關位為 1，至於是哪個位，是由宏定義標

識符 RCC_APB2ENR_IOPAEN 的值決定的，而它的值為：

#define RCC_APB2ENR_IOPAEN ((uint32_t)0x00000001)

所以，我們很容易理解上面代碼的作用是設置寄存器 RCC->APB2ENR 寄存器的位 2 為 1。我

們可以從 STM32F1 的中文參考手冊中搜索 APB2ENR 寄存器定義，位 2 的作用是用來使用

GPIOA 時鐘。APB2ENR 寄存器的位 2 描述如下：

位 2 IOPAEN:IO 埠 A 時鐘使能

由軟體置 1 和清零

0：禁止 IO 埠 A 時鐘

1：使能 IO 埠 A 時鐘

那麼我們只需要在我們的用戶程序中調用宏定義標識符__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()

就可以實現 GPIOA 時鐘使能。使用方法為：

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();//使能 GPIOA 時鐘

對於其他外設，同樣都是在 stm32f1xx_hal_rcc.h 頭文件中定義，大家只需要找到相關宏定義標

識符即可，這裡我們列出幾個常用使能外設時鐘的宏定義標識符使用方法：

__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();//使能 DMA1 時鐘

__HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE();//使能串口 2 時鐘

__HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE();//使能 TIM1 時鐘

我們使用外設的時候需要使能外設時鐘，如果我們不需要使用某個外設，同樣我們可以禁

止某個外設時鐘。禁止外設時鐘使用方法和使能外設時鐘非常類似，同樣是頭文件中定義的宏

定義標識符。我們同樣以 GPIOA 為例，宏定義標識符為：

#define __HAL_RCC_GPIOA_CLK_DISABLE() \

(RCC->APB2ENR &= ~(RCC_APB2ENR_IOPAEN))

同樣，宏定義標識符__HAL_RCC_GPIOA_CLK_DISABLE()的作用是設置 RCC->APB2ENR 寄

存器的位 2 為 0，也就是禁止 GPIOA 時鐘。具體使用方法我們這裡就不做過多講解，我們這裡

同樣列出幾個常用的禁止外設時鐘的宏定義標識符使用方法：

__HAL_RCC_DMA1_CLK_DISABLE();//禁止 DMA1 時鐘

__HAL_RCC_USART2_CLK_DISABLE();//禁止串口 2 時鐘

__HAL_RCC_TIM1_CLK_DISABLE();//禁止 TIM1 時鐘

關於 STM32F1 的外設時鐘使能和禁止方法我們就給大家講解到這裡。

4.4 埠復用和重映射

STM32F1 有很多的內置外設，這些外設的外部引腳都是與 GPIO 復用的。也就是說，一個 GPIO

如果可以復用為內置外設的功能引腳，那麼當這個 GPIO 作為內置外設使用的時候，就叫做復用。

這部分知識在《STM32 中文參考手冊 V10》的 P109，P116~P121 有詳細的講解哪些 GPIO 管腳是

可以復用為哪些內置外設的。這裡我們就不一一講解。

大家都知道，MCU 都有串口，STM32 有好幾個串口。比如說 STM32F103ZET6 有 5 個串口，我

們可以查手冊知道，串口 1 的引腳對應的 IO 為 PA9,PA10.PA9，PA10 默認功能是 GPIO，所以當

PA9,PA10 引腳作為串口 1 的 TX,RX 引腳使用的時候，那就是埠復用。

圖 4.4.1.1 串口 1 復用管腳

接下來我們以串口 1 為例來講解配置 GPOPA.9,GPIOA.10 口為串口 1 復用功能的一般步驟。

① 首先,我們要使用 IO 復用功能，必須先打開對應的 IO 時鐘和復用功能外設時鐘，這裡

我們使用了 GPIOA 以及 USART1，所以我們需要使能 GPIOA 和 USART1 時鐘。方法如下：

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); //使能 GPIOA 時鐘

__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE(); //使能 USART1 時鐘

__HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE(); //使能輔助功能 IO 時鐘

② 然後，我們在 GIPOx_MODER 寄存器中將所需 IO（對於串口 1 是 PA9,PA10）配置為復

用功能。

③ 最後,我們還需要對 IO 口的其他參數，例如上拉/下拉以及輸出速度等進行配置。

上面三步，在我們 HAL 庫中是通過 HAL_GPIO_Init 函數來實現的，參考代碼如下：

GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;

GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_9; //PA9

GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP; //復用推輓輸出

GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP; //上拉

GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;//高速

HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_Initure); //初始化 PA9

通過上面的配置，PA9 復用為串口 1 的發送引腳。這個時候，PA9 將不再作為普通的 IO 口

使用。對於 PA10，配置方法一樣，修改 Pin 成員變量值為 PIN_10 即可。

STM32F1 的埠復用和映射就給大家講解到這裡，希望大家課餘結合相關實驗工程和手冊

鞏固本小節知識。

4.5 STM32 NVIC 中斷優先級管理

CM3 內核支持 256 個中斷，其中包含了 16 個內核中斷和 240 個外部中斷，並且具有 256

級的可編程中斷設置。但 STM32 並沒有使用 CM3 內核的全部東西，而是只用了它的一部分。

STM32 有 84 個中斷，包括 16 個內核中斷和 68 個可屏蔽中斷，具有 16 級可編程的中斷優先級。

而我們常用的就是這 68 個可屏蔽中斷，但是 STM32 的 68 個可屏蔽中斷，在 STM32F103 系列

上面，又只有 60 個（在 107 系列才有 68 個）。因為我們開發板選擇的晶片是 STM32F103 系列

的所以我們就只針對 STM32F103 系列這 60 個可屏蔽中斷進行介紹。

在 MDK 內，與 NVIC 相關的寄存器，MDK 為其定義了如下的結構體：

typedef struct

{

__IOM uint32_t ISER[8U];

uint32_t RESERVED0[24U];

__IOM uint32_t ICER[8U];

uint32_t RSERVED1[24U];

__IOM uint32_t ISPR[8U];

uint32_t RESERVED2[24U];

__IOM uint32_t ICPR[8U];

uint32_t RESERVED3[24U];

__IOM uint32_t IABR[8U];

uint32_t RESERVED4[56U];

__IOM uint8_t IP[240U];

uint32_t RESERVED5[644U];

__OM uint32_t STIR;

} NVIC_Type;;

STM32 的中斷在這些寄存器的控制下有序的執行的。只有了解這些中斷寄存器，才能方便

的使用 STM32 的中斷。下面重點介紹這幾個寄存器：

ISER[8]：ISER 全稱是：Interrupt Set-Enable Registers，這是一個中斷使能寄存器組。上面

說了 CM3 內核支持 256 個中斷，這裡用 8 個 32 位寄存器來控制，每個位控制一個中斷。但是

STM32F103 的可屏蔽中斷只有 60 個，所以對我們來說，有用的就是兩個（ISER[0]和 ISER[1]），

總共可以表示 64 個中斷。而 STM32F103 只用了其中的前 60 位。ISER[0]的 bit0~bit31 分別對

應中斷 0~31。ISER[1]的 bit0~27 對應中斷 32~59；這樣總共 60 個中斷就分別對應上了。你要

使能某個中斷，必須設置相應的 ISER 位為 1，使該中斷被使能(這裡僅僅是使能，還要配合中

斷分組、屏蔽、IO 口映射等設置才算是一個完整的中斷設置)。具體每一位對應哪個中斷，請

參考 stm32f10x.h 裡面的第 140 行處（針對編譯器 MDK5 來說）。

ICER[8]：全稱是：Interrupt Clear-Enable Registers，是一個中斷除能寄存器組。該寄存器組

與 ISER 的作用恰好相反，是用來清除某個中斷的使能的。其對應位的功能，也和 ICER 一樣。

這裡要專門設置一個 ICER 來清除中斷位，而不是向 ISER 寫 0 來清除，是因為 NVIC 的這些寄

存器都是寫 1 有效的，寫 0 是無效的。具體為什麼這麼設計，請看《CM3 權威指南》第 125 頁，

NVIC 概覽一章。

ISPR[8]：全稱是：Interrupt Set-Pending Registers，是一個中斷掛起控制寄存器組。每個位

對應的中斷和 ISER 是一樣的。通過置 1，可以將正在進行的中斷掛起，而執行同級或更高級別

的中斷。寫 0 是無效的。

ICPR[8]：全稱是：Interrupt Clear-Pending Registers，是一個中斷解掛控制寄存器組。其作

用與 ISPR 相反，對應位也和 ISER 是一樣的。通過設置 1，可以將掛起的中斷接掛。寫 0 無效。

IABR[8]：全稱是：Interrupt Active Bit Registers，是一個中斷激活標誌位寄存器組。對應位

所代表的中斷和 ISER 一樣，如果為 1，則表示該位所對應的中斷正在被執行。這是一個只讀寄

存器，通過它可以知道當前在執行的中斷是哪一個。在中斷執行完了由硬體自動清零。

IP[240]：全稱是：Interrupt Priority Registers，是一個中斷優先級控制的寄存器組。這個寄

存器組相當重要！STM32 的中斷分組與這個寄存器組密切相關。IP 寄存器組由 240 個 8bit 的寄

存器組成，每個可屏蔽中斷佔用 8bit，這樣總共可以表示 240 個可屏蔽中斷。而 STM32 只用到

了其中的前 60 個。IP[59]~IP[0]分別對應中斷 59~0。而每個可屏蔽中斷佔用的 8bit 並沒有全部

使用，而是 只用了高 4 位。這 4 位，又分為搶佔優先級和子優先級。搶佔優先級在前，子優先

級在後。而這兩個優先級各佔幾個位又要根據 SCB->AIRCR 中的中斷分組設置來決定。

這裡簡單介紹一下 STM32 的中斷分組：STM32 將中斷分為 5 個組，組 0~4。該分組的設

置是由 SCB->AIRCR 寄存器的 bit10~8 來定義的。具體的分配關係如表 4.5.1 所示：

表 4.5.1 AIRCR 中斷分組設置表

通過這個表，我們就可以清楚的看到組 0~4 對應的配置關係，例如組設置為 3，那麼此時

所有的 60 個中斷，每個中斷的中斷優先寄存器的高四位中的最高 3 位是搶佔優先級，低 1 位是

響應優先級。每個中斷，你可以設置搶佔優先級為 0~7，響應優先級為 1 或 0。搶佔優先級的

級別高於響應優先級。而數值越小所代表的優先級就越高。

這裡需要注意兩點：第一，如果兩個中斷的搶佔優先級和響應優先級都是一樣的話，則看

哪個中斷先發生就先執行；第二，高優先級的搶佔優先級是可以打斷正在進行的低搶佔優先級

中斷的。而搶佔優先級相同的中斷，高優先級的響應優先級不可以打斷低響應優先級的中斷。

結合實例說明一下：假定設置中斷優先級組為 2，然後設置中斷 3(RTC 中斷)的搶佔優先級

為 2，響應優先級為 1。中斷 6（外部中斷 0）的搶佔優先級為 3，響應優先級為 0。中斷 7（外

部中斷 1）的搶佔優先級為 2，響應優先級為 0。那麼這 3 個中斷的優先級順序為：中斷 7>中

斷 3>中斷 6。

上面例子中的中斷 3 和中斷 7 都可以打斷中斷 6 的中斷。而中斷 7 和中斷 3 卻不可以相互

打斷！

通過以上介紹，我們熟悉了 STM32F103 中斷設置的大致過程。接下來我們介紹如何使用

HAL 庫實現以上中斷分組設置以及中斷優先級管理，使中斷配置簡單化。NVIC 中斷管理相關

函數主要在 HAL 庫關鍵文件 stm32f1xx_hal_cortex.c 中定義。

首先要講解的是中斷優先級分組函數 HAL_NVIC_SetPriorityGrouping，其函數申明如下：

void HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(uint32_t PriorityGroup);

這個函數的作用是對中斷的優先級進行分組，這個函數在系統中只需要被調用一次，一旦

分組確定就最好不要更改，否則容易造成程序分組混亂。這個函數我們可以找到其函數體內容

如下：

void HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(uint32_t PriorityGroup)

{

/* Check the parameters */

assert_param(IS_NVIC_PRIORITY_GROUP(PriorityGroup));

/* Set the PRIGROUP[10:8] bits according to the PriorityGroup parameter value */

NVIC_SetPriorityGrouping(PriorityGroup);

}

從函數體以及注釋可以看出，這個函數是通過調用函數 NVIC_SetPriorityGrouping 來進行中斷

優先級分組設置。通過查找(參考 3.5.3 小節 MDK 中「Go to definition of」的使用方法)，我們可

以知道函數 NVIC_SetPriorityGrouping 是在文件 core_cm3.h 頭文件中定義的。接下來，我們來

分析一下函數 NVIC_SetPriorityGrouping 函數定義。定義如下：

__STATIC_INLINE void NVIC_SetPriorityGrouping(uint32_t PriorityGroup)

{

uint32_t reg_value;

uint32_t PriorityGroupTmp = (PriorityGroup & (uint32_t)0x07UL);

reg_value= SCB->AIRCR; /* read old register configuration */

reg_value&=~((uint32_t)(SCB_AIRCR_VECTKEY_Msk |SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk));

reg_value = (reg_value|((uint32_t)0x5FAUL << SCB_AIRCR_VECTKEY_Pos) |

(PriorityGroupTmp<< SCB_AIRCR_PRIGROUP_Pos) );

SCB->AIRCR = reg_value;

}

從函數內容可以看出，這個函數主要作用是通過設置 SCB->AIRCR 寄存器的值來設置中斷優先

級分組，這在前面寄存器講解的過程中已經講到。

關於函數 HAL_NVIC_SetPriorityGrouping 的函數體內容解讀我就給大家介紹到這裡。接下

來我們來看看這個函數的入口參數。大家繼續回到函數 HAL_NVIC_SetPriorityGrouping 的定義

可以看到，函數的最開頭有這樣一行函數：

assert_param(IS_NVIC_PRIORITY_GROUP(PriorityGroup));

其中函數 assert_param 是斷言函數，它的作用主要是對入口參數的有效性進行判斷。也就是說

我們可以通過這個函數知道入口參數在哪些範圍內是有效的。而其入口參數通過在 MDK 中雙

擊選中 「IS_NVIC_PRIORITY_GROUP」,然後右鍵「Go to defition of …」可以查看到為：

#define IS_NVIC_PRIORITY_GROUP(GROUP)

(((GROUP) == NVIC_PriorityGroup_0) ||\

((GROUP) == NVIC_PriorityGroup_1) || \

((GROUP) == NVIC_PriorityGroup_2) || \

((GROUP) == NVIC_PriorityGroup_3) || \

((GROUP) == NVIC_PriorityGroup_4))

從這個內容可以看出，當 GROUP 的值為 NVIC_PriorityGroup_0~ NVIC_PriorityGroup_4 的時候，

IS_NVIC_PRIORITY_GROUP 的值才為真。這也就是我們上面表 4.5.1 講解的，分組範圍為 0-4，

對應的入口參數為宏定義值 NVIC_PriorityGroup_0~ NVIC_PriorityGroup_4。比如我們設置整個

系統的中斷優先級分組值為 2，那麼方法是：

HAL_NVIC_SetPriorityGrouping (NVIC_PriorityGroup_2);

這樣就確定了中斷優先級分組為 2，也就是 2 位搶佔優先級，2 位響應優先級，搶佔優先級和響

應優先級的值的範圍均為 0-3。

講到這裡，大家對怎麼進行系統的中斷優先級分組設置，以及具體的中斷優先級設置函數

HAL_NVIC_SetPriorityGrouping 的內部函數實現都有了一個詳細的理解。接下來我們來看看在

HAL 庫裡面，是怎樣調用 HAL_NVIC_SetPriorityGrouping 函數進行分組設置的。

打開 stm32f1xx_hal.c 文件可以看到，文件內部定義了 HAL 庫初始化函數 HAL_Init，這個

函數非常重要，其作用主要是對中斷優先級分組，FLASH 以及硬體層進行初始化，我們在 3.1

小節對其進行了比較詳細的講解。這裡我們只需要知道，在系統主函數 main 開頭部分，我們都

會首先調用 HAL_Init 函數進行一些初始化操作。在 HAL_Init 內部，有如下一行代碼：

HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4);

這行代碼的作用是把系統中斷優先級分組設置為分組 4，這在我們前面已經詳細講解。也

就是說，在主函數中調用 HAL_Init 函數之後，在 HAL_Init 函數內部會通過調用我們前面講解

的 HAL_NVIC_SetPriorityGrouping 函數來進行系統中斷優先級分組設置。所以，我們要進行中

斷優先級分組設置，只需要修改 HAL_Init 函數內部的這行代碼即可。中斷優先級分組的內容我

們就給大家講解到這裡。

設置好了系統中斷分組，也就是確定了那麼對於每個中斷我們又怎麼確定他的搶佔優先級

和響應優先級呢？官方 HAL 庫文件 stm32f1xx_hal_cortex.c 中定義了三個單個中斷優先級設置

函數。函數如下：

void HAL_NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn,

uint32_t PreemptPriority, uint32_t SubPriority);

void HAL_NVIC_EnableIRQ(IRQn_Type IRQn);

void HAL_NVIC_DisableIRQ(IRQn_Type IRQn);

第一個函數 HAL_NVIC_SetPriority 是用來設置單個優先級的搶佔優先級和響應優先級的值。

第二個函數 HAL_NVIC_EnableIRQ 是用來使能某個中斷通道。

第三個函數 HAL_NVIC_DisableIRQ 是用來清除某個中斷使能的，也就是中斷失能。

這三個函數的使用都非常簡單，對於具體的調用方法，大家可以參考我們後面第九章外部中斷

實驗講解。

這裡大家還需要注意，中斷優先級分組和中斷優先級設置是兩個不同的概念。中斷優先級

分組是用來設置整個系統對於中斷分組設置為哪個分組，分組號為 0-4，設置函數為

HAL_NVIC_SetPriorityGrouping，確定了中斷優先級分組號，也就確定了系統對於單個中斷的

搶佔優先級和響應優先級設置各佔幾個位（對應表 4.5.1）。設置好中斷優先級分組，確定了分

組號之後，接下來我們就是要對單個優先級進行中斷優先級設置。也就是這個中斷的搶佔優先

級和響應優先級的值，設置方法就是我們上面講解的三個函數。

最後我們總結一下中斷優先級設置的步驟：

①系統運行開始的時候設置中斷分組。確定組號，也就是確定搶佔優先級和響應優先級的

分配位數。設置函數為 HAL_NVIC_PriorityGroupConfig。對於 HAL 庫，在文件 stm32f1xx_hal.c

內部定義函數 HAL_Init 中有調用 HAL_NVIC_PriorityGroupConfig 函數進行相關設置，所以我

們只需要修改 HAL_Init 內部對中斷優先級分組設置即可。

② 設置單個中斷的中斷優先級別和使能相應中斷通道，使用到的函數函數主要為函數

HAL_NVIC_SetPriority 和函數 HAL_NVIC_EnableIRQ。

4.6 HAL 庫中寄存器地址名稱映射分析

之所以要講解這部分知識，是因為經常會遇到客戶提到不明白 HAL 庫中那些結構體是怎麼

與寄存器地址對應起來的。這裡我們就做一個簡要的分析吧。

首先我們看看 51 中是怎麼做的。51 單片機開發中經常會引用一個 reg51.h 的頭文件，下

面我們看看他是怎麼把名字和寄存器聯繫起來的：

sfr P0 =0x80;

sfr 也是一種擴充數據類型，點用一個內存單元，值域為 0～255。利用它可以訪問 51 單片

機內部的所有特殊功能寄存器。如用 sfr P1 = 0x90 這一句定義 P1 為 P1 埠在片內的寄存

器。然後我們往地址為 0x80 的寄存器設值的方法是：P0=value;

那麼在 STM32 中，是否也可以這樣做呢？？答案是肯定的。肯定也可以通過同樣的方

式來做，但是 STM32 因為寄存器太多太多，如果一一以這樣的方式列出來，那要好大的篇

幅，既不方便開發，也顯得太雜亂無序的感覺。所以 MDK 採用的方式是通過結構體來將

寄存器組織在一起。下面我們就講解 MDK 是怎麼把結構體和地址對應起來的，為什麼我

們修改結構體成員變量的值就可以達到操作對應寄存器的值。這些事情都是在 stm32f1xx.h

文件中完成的。我們通過 GPIOA 的幾個寄存器的地址來講解吧。

首先我們可以查看《STM32 中文參考手冊 V10》中的寄存器地址映射表(P129)。這裡

我們選用 GPIOA 為例來講解。GPIO 寄存器地址映射如下表 4.6.1：

表 4.6.1 GPIO 寄存器地址映射表

從這個表我們可以看出，GPIOA 的 7 個寄存器都是 32 位的，所以每個寄存器佔有 4

個地址，一共佔用 28 個地址，地址偏移範圍為（000h~01Bh）。這個地址偏移是相對 GPIOA

的基地址而言的。GPIOA 的基地址是怎麼算出來的呢？因為 GPIO 都是掛載在 APB2 總線

之上，所以它的基地址是由 APB2 總線的基地址+GPIOA 在 APB2 總線上的偏移地址決定

的。同理依次類推，我們便可以算出 GPIOA 基地址了。下面我們打開 stm32f103.h 定位到

GPIO_TypeDef 定義處：

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;

然後定位到：

#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)

可以看出，GPIOA 是將 GPIOA_BASE 強制轉換為 GPIO_TypeDef 結構體指針，這句話的

意思是，GPIOA 指向地址 GPIOA_BASE，GPIOA_BASE 存放的數據類型為 GPIO_TypeDef。

然後在 MDK 中雙擊「GPIOA_BASE」選中之後右鍵選中「Go to definition of 」，便可以查

看 GPIOA_BASE 的宏定義：

#define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)

依次類推，可以找到最頂層：

#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000)

#define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)

所以我們便可以算出 GPIOA 的基地址位：

GPIOA_BASE= 0x40000000+0x10000+0x0800=0x40010800

下面我們再跟《STM32 中文參考手冊 V10》比較一下看看 GPIOA 的基地址是不是

0x40010800。截圖 P28 存儲器映射表我們可以看到，GPIOA 的起始地址也就是基

地址確實是 0x40010800：

圖 4.6.2 GPIO 存儲器地址映射表

同樣的道理，我們可以推算出其他外設的基地址。

上面我們已經知道 GPIOA 的基地址，那麼那些 GPIOA 的 7 個寄存器的地址又是怎麼

算出來的呢？？在上面我們講過 GPIOA 的各個寄存器對於 GPIOA 基地址的偏移地址，所

以我們自然可以算出來每個寄存器的地址。

GPIOA 的寄存器的地址=GPIOA 基地址+寄存器相對 GPIOA 基地址的偏移值

這個偏移值在上面的寄存器地址映像表中可以查到。

那麼在結構體裡面這些寄存器又是怎麼與地址一一對應的呢？這裡就涉及到結構體的

一個特徵，那就是結構體存儲的成員他們的地址是連續的。上面講到 GPIOA 是指向

GPIO_TypeDef 類型的指針，又由於 GPIO_TypeDef 是結構體，所以自然而然我們就可以算

出 GPIOA 指向的結構體成員變量對應地址了。

表 4.6.3 GPIOA 各寄存器實際地址表

我們可以把 GPIO_TypeDef 的定義中的成員變量的順序和 GPIOx 寄存器地址映像對比

可以發現，他們的順序是一致的，如果不一致，就會導致地址混亂了。

這就是為什麼固件庫裡面：GPIOA->BRR=value;就是設置地址為 0x40010800

+0x014(BRR 偏移量)=0x40010814 的寄存器 BRR 的值了。它和 51 裡面 P0=value 是設置地

址為 0x80 的 P0 寄存器的值是一樣的道理。

看到這裡你是否會學起來踏實一點呢？？STM32 使用的方式雖然跟 51 單片機不一樣，

但是原理都是一致的。

4.7 MDK 中使用 HAL 庫快速組織代碼技巧

這一節主要講解在 MDK 中使用 HAL 庫開發的一些小技巧，僅供初學者參考。這節的知識

大家可以在學習第一個跑馬燈實驗的時候參考一下，對初學者應該很有幫助。我們就用最簡單

的 GPIO 初始化函數為例。

現 在 我 們 要 初 始 化 某 個 GPIO 端 口 ， 我 們 要 怎 樣 快 速 操 作 呢 ？ 在 頭 文 件

stm32f1xx_hal_gpio.h 頭文件中，聲明 GPIO 初始化函數為：

void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init);

現在我們想寫初始化函數，那麼我們在不參考其他代碼的前提下，怎麼快速組織代碼呢？

首先，我們可以看出，函數的入口參數是 GPIO_TypeDef 類型指針和 GPIO_InitTypeDef 類

型指針，因為 GPIO_TypeDef 入口參數比較簡單，所以我們就通過第二個入口參數

GPIO_InitTypeDef 類型指針來講解。雙擊 GPIO_InitTypeDef 後右鍵選擇「Go to definition of…」，

如下圖 4.7.1：

圖 4.7.1 查看類型定義方法

於是定位到 stm32f1xx_hal_gpio.h 中 GPIO_InitTypeDef 的定義處：

typedef struct

{

uint32_t Pin;

uint32_t Mode;

uint32_t Pull;

uint32_t Speed;

}GPIO_InitTypeDef;

可以看到這個結構體有 4 個成員變量，這也告訴我們一個信息，一個 GPIO 口的狀態是由模式

（Mode），速度(Speed)以及上下拉（Pull）來決定的。我們首先要定義一個結構體變量，下面

我們定義：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

接著我們要初始化結構體變量 GPIO_InitStructure。首先我們要初始化成員變量 Pin,這個時候我

們就有點迷糊了，這個變量到底可以設置哪些值呢？這些值的範圍有什麼規定嗎？

這裡我們就回到 HAL_GPIO_Init 聲明處，同樣雙擊 HAL_GPIO_Init，右鍵點擊「Go to

definition of …」,這樣光標定位到 stm32f1xx_hal_gpio.c 文件中的 HAL_GPIO_Init 函數體開始處，

我們可以看到在函數中有如下幾行：

void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)

…//此處省略部分代碼

assert_param(IS_GPIO_ALL_INSTANCE(GPIOx));

assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Init->Pin));

assert_param(IS_GPIO_MODE(GPIO_Init->Mode));

…//此處省略部分代碼

assert_param(IS_GPIO_PULL(GPIO_Init->Pull));

…//此處省略部分代碼

}

顧名思義，assert_param 是斷言語句，是對函數入口參數的有效性進行判斷，所以我們可以從

這個函數入手，確定入口參數範圍。第一行是對第一個參數 GPIOx 進行有效性判斷，雙擊

「IS_GPIO_ALL_INSTANCE」右鍵點擊「go to defition of…」 定位到了下面的定義：

#define IS_GPIO_ALL_INSTANCE(INSTANCE) (((INSTANCE) == GPIOA) || \

((INSTANCE) == GPIOB) || \

((INSTANCE) == GPIOC) || \

((INSTANCE) == GPIOD) || \

((INSTANCE) == GPIOE) || \

((INSTANCE) == GPIOF) || \

((INSTANCE) == GPIOG))

很明顯可以看出，GPIOx 的取值規定只允許是 GPIOA~GPIOG。

同樣的辦法，我們雙擊「IS_GPIO_PIN」 右鍵點擊「go to defition of…」,定位到下面的定義：

#define IS_GPIO_PIN(PIN) (((((uint32_t)PIN) & GPIO_PIN_MASK ) != 0x00u)

&& ((((uint32_t)PIN) & ~GPIO_PIN_MASK) == 0x00u))

同時，宏定義標識符 GPIO_PIN_MASK 的定義為：

#define GPIO_PIN_MASK 0x0000FFFFu

從上面可以看出，PIN 取值只要低 16 位不為 0 即可。這裡需要大家注意，因為一組 IO 口只有

16 個 IO，實際上 PIN 的值在這裡只有低 16 位有效，所以 PIN 的取值範圍為 0x0001~0xFFFF。

那麼是不是我們寫代碼初始化就是直接給一個 16 位的數字呢？這也是可以的，但是大多數情況

下，我們不會直接在入口參數處設置一個簡單的數字，因為這樣代碼的可讀性太差，HAL 庫會

將這些數字的含義通過宏定義定義出來，這樣可讀性大大增強。我們可以看到在

GPIO_PIN_MASK 宏定義的上面還有數行宏定義：

#define GPIO_PIN_0 ((uint16_t)0x0001)

#define GPIO_PIN_1 ((uint16_t)0x0002)

#define GPIO_PIN_2 ((uint16_t)0x0004)

…//此處省略部分定義

#define GPIO_PIN_14 ((uint16_t)0x4000)

#define GPIO_PIN_15 ((uint16_t)0x8000)

#define GPIO_PIN_All ((uint16_t)0xFFFF)

這些宏定義 GPIO_PIN_0 ~ GPIO_PIN_All 就是 HAL 庫事先定義好的，我們寫代碼的時候初始

化結構體 成員變量 Pin 的時候入口參數可以是這些宏定義標識符。

同理，對於成員變量 Pull，我們用同樣的方法，可以找到其取值範圍定義為：

#define IS_GPIO_PULL(PULL) (((PULL) == GPIO_NOPULL)\

|| ((PULL) == GPIO_PULLUP) || \ ((PULL) == GPIO_PULLDOWN))

也就是 PULL 的 取 值 範 圍 只 能 是 標 識 符 GPIO_NOPULL ， GPIO_PULLUP 以 及

GPIO_PULLDOWN。

對於成員變量 Mode，方法都是一樣的，這裡基於篇幅考慮我們就不重複講解。講到這裡，

我們基本對 HAL_GPIO_Init 的入口參數有比較詳細的了解了。於是我們可以組織起來下面的代

碼：

GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;

GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_9; //PA9

GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP; //復用推輓輸出

GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP; //上拉

GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;//高速

HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_Initure); //初始化 PA9

接著又有一個問題會被提出來，這個初始化函數一次只能初始化一個 IO 口嗎？我要同時

初始化很多個 IO 口，是不是要複製很多次這樣的初始化代碼呢？

這裡又有一個小技巧了。從上面的 GPIO_PIN_X 的宏定義我們可以看出，這些值是 0,1,2,4

這樣的數字，所以每個 IO 口選定都是對應著一個位，16 位的數據一共對應 16 個 IO 口。這個

位為 0 那麼這個對應的 IO 口不選定，這個位為 1 對應的 IO 口選定。如果多個 IO 口，他們都

是對應同一個 GPIOx，那麼我們可以通過|（或）的方式同時初始化多個 IO 口。這樣操作的前

提是，他們的 Mode，Speed 和 Pull 參數值相同，因為這些參數並不能一次定義多種。所以初始

化多個具有相同配置的 IO 口的方式可以是如下：

GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;

GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_9| GPIO_PIN_10| GPIO_PIN_11; //PA9,PA10,PA11

GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP; //復用推輓輸出

GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP; //上拉

GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;//高速

HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_Initure); //初始化 PA9 ,PA10,PA11

對於那些參數可以通過|(或)的方式連接，這既有章可循，同時也靠大家在開發過程中不斷積累。

大家會覺得上面講解有點麻煩，每次要去查找 assert_param()這個函數去尋找，那麼有沒有

更好的辦法呢？大家可以打開 GPIO_InitTypeDef 結構體定義：

typedef struct

{

uint32_t Pin; /*!< Specifies the GPIO pins to be configured.

This parameter can be any value of @ref GPIO_pins_define */

uint32_t Mode; /*!< Specifies the operating mode for the selected pins.

This parameter can be a value of @ref GPIO_mode_define */

uint32_t Pull; /*!< Specifies the Pull-up or Pull-Down activation for the selected pins.

This parameter can be a value of @ref GPIO_pull_define */

uint32_t Speed; /*!< Specifies the speed for the selected pins.

This parameter can be a value of @ref GPIO_speed_define */

}GPIO_InitTypeDef;

從上圖的結構體成員後面的注釋我們可以看出 Pin 的意思是

「Specifies the GPIO pins to be configured.

This parameter can be any value of @ref GPIO_pins_define」。

從這段注釋可以看出 Pin 的取值需要參考注釋 GPIO_pins_define，大家可以在 MDK 中搜索注釋

GPIO_pins_define，就可以找到上面我們提到的 Pin 的取值範圍宏定義。如果要確定詳細的信息

我們就得去查看手冊了。對於去查看手冊的哪個地方，你可以在函數 HAL_GPIO_Init ()的函數

體中搜索 Pin 關鍵字，然後查看庫函數設置 Pin 是設置的哪個寄存器的哪個位，然後去中文參

考手冊查看該寄存器相應位的定義以及前後文的描述。

這一節我們就講解到這裡，希望能對大家的開發有幫助。