Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать?

в 17:34, , рубрики: KEIL, stm32, для начинающих, моргаем светодиодом, Программирование, Электроника для начинающих

Продолжаем рассмотрение базовых вопросов

В предыдущем уроке 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?

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 1

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. Куда подключены наши светодиоды? К какому выводу микроконтроллера?
  2. Как включить тактирование на нужный порт GPIO?
  3. Как настроить, нужные нам, пины порта GPIO для того чтобы можно было включить светодиод?
  4. 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:

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 2

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:

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 3

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.

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 4

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:

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 5

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.

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 6

Смотрим на таблицу и видим нечто напоминающее опции включения тактирования на портах GPIO. Переходим к описанию и находим нужную нам опцию:

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 7

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:

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 8

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:

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 9

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:

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 10

Провалившись подобным образом в RCC_TypeDef мы увидим структуру в которой описаны все поля нашего регистра:

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 11

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:

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 12

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:

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 13

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:

  1. Формируем число для записи:
    Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 14
  2. Присваиваем это значение нашему регистру:
    /* Настраиваем режим работы портов PC8 и PC9 в Output*/
    GPIOC->MODER |= 0x50000;
    

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:

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 15

Каждый из соответствующих битов отвечает за один из пинов порта. Его структуру вы можете увидеть ниже:

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 16

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:

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 17

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

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 18

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.

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 19

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:

Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать? - 20

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!

Автор: Андрей

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля