在生活工作中我们接触的电子产品都有STM32的身影，如平衡车、打印机、冰箱、咖啡机、智能电饭煲等，对STM32这款Cortex-M系列内核的微控制器产品，其工作机制也是我们比较好奇的地方，下面就赶紧来领略一下这款MCU迷人之处。
首先，但从产品构成上来看，STM32主要由内核和片上外设组成，这就好比电脑的CPU与显卡、硬盘、内存条的关系，内核就好比CPU，Cortex-M系列内核是由ARM公司授权，芯片厂商则是在内核之外设计并生产芯片，内核之外最重要的就是片上外设，它包括GPIO、UART、I2C、USB、SPI、TIM、ADC等常用功能。以Cortex-M4内核存储器映射为例，FALSH、RAM和片上外设都分布在总线上，这些部件排列在一个4G的地址空间内，存储器本身不具有地址属性，这些地址由芯片厂商和用户来分配，分配地址的过程就是通常所说的存储器映射，重映射也是这样一个过程。
4G的地址空间是0x0000 0000到0xFFFF FFFF，把十六进制换算为二进制来看，总共有2^32=4294967296个byte，及4294967296byte/1024=4194304KB，4194304KB/1024=4096MB，4096MB/1024=4GB。就目前STM32的产品来看，Flash地址在0x0800 0000-0x081F FFFF之间，也就是2MB，这也是目前STM32所支持的最大Flash，每个型号所具有Flash大小也不一样。片上的外设由总线来控制，根据外设的总线速度不同，Block被分成了APB和AHB两部分，其中APB又被分为APB1和APB2，AHB分为AHB1和AHB2，还有AHB3，用于扩展外部存储器，如SDRAM、NORFLASH和NANDFLASH等。
以上，大家对存储器映射也有了大概的了解，下面进入到文章的核心——操作寄存器。
每个外设都要自己的地址单元，我们可以用C语言的指针来访问并操作它们，但为了是这些外设使用起来更加方便，就根据功能给这些单元取了不同的名字，这个名字就是寄存器，这个过程就是寄存器映射。外设是挂载在总线上的，每个总线都有一个基地址，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，也叫外设基地址。如下图所示：
总线上挂载着各种外设，这些外设也有自己的地址范围，以外设GPIO为例：
GPIOA的基址相对于AHB1总线的地址偏移为0，那说明AHB1总线的第一个外设就是GPIOA。
在每个外设的地址范围内，分布着的就是该外设的寄存器。每个寄存器为 32bit，占四个字节，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。下图以GPIOH为例：
由上图提供的信息，如果要使GPIOH的所有IO口都输出高电平，只需操作ODR寄存器即可：*(unsigned int*)(0x4002 1C14) = 0xFFFF;注意，因为ODR寄存器是低16bit有效，所以0xFFFF实际上是0x0000 FFFF。现在使用的固件库里寄存器是已经封装好了的，如：
# define GPIOH_ODR *(unsigned int*)(GPIOH_BASE+0x14)
在经过封装之后，我们就可以更加直观的来操作这个寄存器了，可以这样操作：GPIOH_ODR=0xFF
接下来我们一起来看一下寄存器说明，以“GPIO 端口置位/复位寄存器”为例：
“(GPIOx_BSRR)(x=A…I)”表示x的值可以为A—I，如GPIOA、GPIOH等，这些GPIO口都有这个寄存器。
偏移地址是指本寄存器相对于这个外设的基地址的偏移。这个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 0x4002 0000 ，就是AHB1这一块内存的首地址，GPIO是挂载在AHB1的总线上面的，这样就可以算出GPIOA的这个 GPIOA_BSRR 寄存器的地址为：0x4002 0000+0x18 ；同理，由于GPIOB的外设基地址为 0x4002 0400，可算出 GPIOB_BSRR 寄存器的地址为：0x4002 0400+0x18 。其他 GPIO端口以此类推即可。
寄存器有32位，位表中列出了0至31位的名称和权限，权限是指只读r、只写w和可读可写rw，该寄存器的位权限都是w，只能写，如果读该寄存器，不能保证读取到它的真正内容，有的寄存器权限为只读，一般用于表示该外设的某种工作状态，由硬件状态来决定，可以通过读取这些寄存器位来获取或者判断该外设的工作状态。
图下面的位功能说明是最重要的，这里介绍了寄存器每一位的功能。如图中介绍的BRy和BSy，其中y可以是0—15，表示的是引脚号，如BS10可以用于表示GPIOA的第十个引脚，即PA10引脚该寄存器的BS位。在说明中，复位是指将该位设置为0，置位是指将该位设置为1，对于ODRx我需要知道：ODRx位为 1 的时候，对应的引脚 x输出高电平，为 0 的时候对应的引脚输出低电平。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。
/*外设基地址，也是APB1地首地址*/
#define PERIPH_BASE 0x40000000UL
/*总线基地址 */
#define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x00010000UL)
#define AHB1PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x00020000UL)
#define AHB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000000UL)
/*GPIO外设基地址 */
#define GPIOA_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x0000UL)
#define GPIOB_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x0400UL)
#define GPIOC_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x0800UL)
#define GPIOD_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x0C00UL)
#define GPIOE_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x1000UL)
#define GPIOF_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x1400UL)
#define GPIOG_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x1800UL)#define GPIOH_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x1C00UL)
#define GPIOI_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x2000UL)
/* 寄存器基地址，以 GPIOA 为例 */
#define GPIOA_MODER (GPIOA_BASE+0x00)
#define GPIOA_OTYPER (GPIOA_BASE+0x04)
#define GPIOA_OSPEEDR (GPIOA_BASE+0x08)
#define GPIOA_PUPDR (GPIOA_BASE+0x0C)
#define GPIOA_IDR (GPIOA_BASE+0x10)
#define GPIOA_ODR (GPIOA_BASE+0x14)
#define GPIOA_BSRR (GPIOA_BASE+0x18)
#define GPIOA_LCKR (GPIOA_BASE+0x1C)
#define GPIOA_AFRL (GPIOA_BASE+0x20)
#define GPIOA_AFRH (GPIOA_BASE+0x24)
代码先后定义片上外设基地址和经过地址偏移后得到的各总线地址，再到总线地址偏移后总线上挂载的各外设地址，最后外设地址偏移后得到各外设的寄存器地址，这就是我们要操作的部分。比如：
/* 控制 GPIOA 引脚 10 输出低电平(BSRR 寄存器的 BR10 置 1) */
*(unsigned int *)GPIOA_BSRR = (0x01<<(16+10));
/* 控制 GPIOA 引脚 10 输出高电平(BSRR 寄存器的 BS10 置 1) */
*(unsigned int *)GPIOA_BSRR = 0x01<<10;
unsigned int temp;
/* 控制 GPIOH 端口所有引脚的电平(读 IDR 寄存器) */
temp = *(unsigned int *)GPIOA_IDR;
上面通过定义寄存器地址的方法稍显繁琐，以GPIO为例，GPIOA至GPIOH等都有一组功能相同的寄存器，它们的地址也不相同，这样一个个去进行定义代码量很大，于是我们可以通过结构体来统一对这些寄存器进行封装。比如：
typedef unsigned int uint32_t; /*无符号 32 位变量 占4个字节*/
typedef unsigned short int uint16_t; /*无符号 16 位变量 占2个字节*/
/* GPIO 寄存器列表 */
typedef struct{
uint32_t MODER; /*GPIO 模式寄存器 地址偏移: 0x00 */
uint32_t OTYPER; /*GPIO 输出类型寄存器 地址偏移: 0x04 */
uint32_t OSPEEDR; /*GPIO 输出速度寄存器 地址偏移: 0x08 */
uint32_t PUPDR; /*GPIO 上拉/下拉寄存器 地址偏移: 0x0C */
uint32_t IDR; /*GPIO 输入数据寄存器 地址偏移: 0x10 */
uint32_t ODR; /*GPIO 输出数据寄存器 地址偏移: 0x14 */
uint16_t BSRRL; /*GPIO 置位/复位寄存器低 16 位部分 地址偏移: 0x18 */
uint16_t BSRRH; /*GPIO 置位/复位寄存器高 16 位部分 地址偏移: 0x1A */
uint32_t LCKR; /*GPIO 配置锁定寄存器 地址偏移: 0x1C */
uint32_t AFR[2]; /*GPIO 复用功能配置寄存器 地址偏移: 0x20-0x24 */
} 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的名字。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2个字节。
在上面结构体中，4个字节地址的偏移量与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，然后就能以结构体的形式访问寄存器了，如下代码：
GPIO_TypeDef * GPIOx; //定义一个 GPIO_TypeDef 型结构体指针 GPIOx
GPIOx = GPIOH_BASE; //把指针地址设置为宏 GPIOH_BASE 地址
GPIOx->BSRRL = 0xFFFF; //通过指针访问并修改 GPIOH_BSRRL 寄存器
GPIOx->MODER = 0xFFFFFFFF; //修改 GPIOH_MODER 寄存器
GPIOx->OTYPER =0xFFFFFFFF; //修改 GPIOH_OTYPER 寄存器
uint32_t temp;
temp = GPIOx->IDR; //读取 GPIOH_IDR 寄存器的值到变量 temp 中
上面代码先使结构体指针GPIOx指向地址GPIOH_BASE(0x4002 1C00)，然后就可以对结构体里的寄存器进行读写了。为了更方便对每组GPIO口进行操作，可以使用宏定义好的GPIO_TypeDef类型的指针指向各个GPIO端口的首地址，以便使用时可以直接访问宏寄存器即可。比如：
/*使用 GPIO_TypeDef 把地址强制转换成指针*/
#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
#define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)
#define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)
到这里大家应该对寄存器在STM32中的作用有了深刻理解，在我们现在的项目开发中，有ST已经做好封装的固件库给以供我们直接使用，方便了很多。寄存器在STM32运行机制中的是核心，库函数操作的本质就是寄存器。以上以GPIO为例，也更为直观的展示了库函数的封装过程，在此就不延伸到库函数的操作了，相信大家对库函数的使用也很熟悉了。
ST官方提供了丰富的生态系统，提供各种STM32相关Demo板，以最新出来的MCU G0为例，可以在NUCLEO-G071RB Nucleo板上进一步验证理解上文的内容。
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