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 за место 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 первого занятия .

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 первом уроке 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 к регистрам и его параметрам можно обращаться, используя только его название. Компоновщик 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 готовую заготовку 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:

Рабочая среда Keil переключится в режим отладки. Мы можем управлять ходом программы с помощью данных кнопок:

И есть еще одна удобная функция работы с периферией в режиме отладки, она позволяет просматривать текущее состояние регистров и менять их состояние простым кликом мышкой.
Для того чтобы ей воспользоваться - нужно перейти в соответствующий периферийный блок и справа откроется окно с указанием регистров и их значением.

Если вы кликните по одному из пунктов данного меню, вы увидите адрес регистра и его краткое описание. Так же можно просмотреть описание к каждому отдельному параметру регистра:

Попробуйте самостоятельно пошагово выполнить программу, включить/выключить светодиоды не используя программу, а используя данный режим работы с микроконтроллером. Простор для фантазии тут обширный. Так же попробуйте поиграться с длительностями задержек, сделайте одновременное моргание обеими светодиодами. В общем экспериментируйте! =)

До встречи в следующих статьях!

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.

Понимаю, что статья уже получилась довольно длинной и всем хочется поскорее написать какую-нибудь программулину, делающую хоть что-то полезное, и залить её в контроллер, но так уж вышло, что контроллеры STM32 несколько сложнее простейших восьмибитных железяк, поэтому сейчас речь снова пойдёт, как пишут некоторые нетерпеливые читатели, «не о том».

В этой части мы поговорим о том, с чем нам чаще всего придётся оперировать при работе с контроллером — о рабочих регистрах ядра Cortex-M3, о режимах его работы и о том, как контроллер включается.

Итак, в ядре Cortex-M3 имеется 13 регистров общего назначения — R0..R12 , регистр, используемый для хранения указателя стека, — R13 , регистр связи — R14 , счётчик команд — R15 и 5 регистров специального назначения.

Регистры общего назначения разделяются на младшие регистры — R0..R7 и старшие регистры — R8..R12 . Разница между ними в том, что некоторые 16-тибитные команды набора thumb-2 умеют работать только с младшими регистрами, а со старшими — не умеют.

Регистров R13 вообще-то говоря два, а не один. Первый называется MSP — указатель основного стека , а второй PSP — указатель стека процесса . Однако в каждый момент доступен только один из этих регистров. Какой именно — определяется в одном из регистров специального назначения. Зачем такое надо? Это сделано для возможности организации защиты операционной системы (ага, на этот контроллер можно поставить ОС, если хочется) от кривых прикладных программ. MSP используется обработчиками исключительных ситуаций и всеми программами, использующими привилегированный уровень выполнения (например ядро ОС), а PSP — используется программами, не требующими привилегированного уровня выполнения (например, прикладными программами от которых мы хотим защитить ядро ОС). Указатели стека всегда должны быть выровнены на границу 32-хбитного слова, т.е. два их младших бита всегда должны быть сброшены в ноль.

Регистр R14 называется LR (link register) — регистр связи и используется для запоминания адреса возврата при вызове подпрограмм.

Регистр R15 называется PC (program counter) — счётчик команд и используется для хранения адреса текущей выполняемой команды.

Теперь о специальных регистрах.

Регистр xPSR содержит флаги результатов выполнения арифметических и логических операций, состояние выполнения программы и номер обрабатываемого в данный момент прерывания. Иногда об этом регистре пишут во множественном числе. Это сделано потому, что к трём его частям можно обращаться как к отдельным регистрам. Эти «подрегистры» называются: APSR — регистр состояния приложения (тут как раз хранятся флаги), IPSR — регистр состояния прерывания (содержит номер обрабатываемого прерывания) и EPSR — регистр состояния выполнения . Полностью структура регистра xPSR приведена на рисунке ниже.

Флаги в регистре APSR стандартные:

1. N (negative flag) — отрицательный результат операции
2. Z (zero flag) — нулевой результат операции
3. C (carry flag) — флаг переноса/займа
4. V (overflow flag) — флаг переполнения
5. Q (saturation flag) — флаг насыщения

В регистре PRIORITY MASK используется только нулевой бит (PRIMASK), который будучи установлен в единицу запрещает все прерывания с конфигурируемым приоритетом. После включения бит PRIMASK сброшен в ноль — все прерывания разрешены.

В регистре FAULT MASK также использует только нулевой бит (FAULTMASK), который будучи установлен в единицу запрещает все прерывания и исключения, кроме немаскируемого прерывания (NMI). После включения бит FAULTMASK сброшен в ноль — все прерывания разрешены.

Регистр BASEPRI используется для запрещения всех прерываний, значение приоритета которых больше или равно, чем записано в этом регистре. Тут надо сказать, что чем меньше значение — тем выше уровень приоритета. В регистре BASEPRI используются только младшие 8 бит.

Регистр CONTROL используется для управления одним из режимов процессора — режимом потока. Нулевой бит этого регистра (nPRIV) определяет уровень выполнения (привилегированный — Privilegied, или непривилегированный — Unprivilegied), а первый бит (SPSEL) — используемый указатель стека (MSP или PSP). Разница между привилегированным и непривилегированным уровнями выполнения состоит в том, что для привилегированного уровня доступны все области памяти и все команды процессора, а для непривилегированного уровня некоторые области памяти закрыты (например, регистры специального назначения, кроме APSR, системная область) и, соответственно, команды для доступа в эти обасти — запрещены. Попытка выполнения запрещённых команд, пытающихся обратиться в закрытые области памяти вызывает генерацию исключения отказа.

Теперь о режимах работы процессора.

Процессор Cortex-M3 имеет два режима работы: режим потока (Thread) и режим обработчика (Handle). Режим Handle используется для обработки исключительных ситуаций, а режим Thread — для выполнения всего остального кода. Переключение из одного режима в другой происходит автоматически. Как мы уже говорили, когда разбирались с регистром CONTROL, в режиме Thread процессор может использовать как привилегированный уровень выполнения, так и непривилегированный, в режиме Handle — только привилегированный. Аналогично, в режиме Thread может использоваться как основной стек (MSP), так и стек процесса (PSP), а в режиме Handle — только основной стек.

Важно понимать, что, например, переключившись в режиме Thread с привилегированного уровня в непривилегированный, мы потеряем доступ в регистр CONTROL и обратно сможем переключиться только в режиме Handle. В режиме Handle бит nPRIV регистра CONTROL доступен для чтения/записи, но не влияет на текущий режим выполнения. Это позволяет изменить уровень выполнения, который будет у программы, когда процессор выйдет из режима обработчика в режим потока. Бит SPSEL в режиме Handle для записи недоступен и всегда читается как ноль, а при выходе из режима обработчика в режим потока восстанавливается автоматически. Все варианты переходов между различными режимами и уровнями выполнения иллюстрирует ориентированный граф, представленный на рисунке ниже:

Стартует контроллер всегда на внутреннем генераторе, на частоте 8 Мгц. Откуда брать тактовый сигнал в дальнейшем, на сколько его умножать или делить — настраивается в программе. Если в программе этого не сделать, то хоть десять внешних кварцев повесьте, контроллер так и будет работать от внутреннего генератора 8 МГц.

При старте контроллер анализирует сочетание уовней на двух своих ногах — BOOT0, BOOT1, и, в зависимости от этого сочетания, начинает загрузку либо из flash-памяти, либо из ОЗУ, либо из системной области памяти. Это делается с помощью уже описанного нами ранее механизма псевдонимизации. По идее загрузка всегда начинается с нулевого адреса, просто в зависимости от
сочетания на ногах BOOT0, BOOT1 начальные адреса памяти назначаются псевдонимами одной из трёх областей: flash, встроенного ОЗУ или системной области. Справа приведена табличка, в которой указано, какая именно область проецируется в начальные адреса памяти в зависимости от сочетания ног BOOT0, BOOT1.

При этом в системной области производителем зашита специальная программа (bootloader), которая позволяет запрограммировать flash-память. Но об этом позже.

Первым делом контроллер считывает 32-х битное слово по адресу 0x00000000 и помещает его в регистр R13 (указатель стека). Далее он считывает 32-х битное слово по адресу 0x00000004 и помещает его в регистр R15 (счётчик команд). Последнее действие вызывает переход на начало программного кода и дальше начинается выполнение программы.

Слово по адресу 0x00000004 (адрес начала основной программы) называется вектор сброса. Вообще в памяти контроллера после указателя стека по адресу 0x00000000, начиная с адреса 0x00000004 должна лежать таблица векторов исключений и прерываний, первый вектор в которой — это вектор сброса, а остальные вектора — адреса процедур обработчиков различных исключений и прерываний. В простейших программах, если вы не собираетесь обрабатывать исключения и прерывания, все остальные вектора, кроме вектора сброса, могут отсутствовать. Хотелось бы обратить внимание, что в таблице векторов указываются именно адреса начала обработчиков, а не команды перехода на эти обработчики, как, например, в 8-ми битных пиках или атмелах.

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 , 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 первого занятия .

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 первом уроке 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: