嵌入式开发学习之--点亮LED灯（下）

Posted 2023-02-23

1、前言

  上篇《嵌入式开发学习之--点亮LED灯（上）》我们主要学习的是环境搭建和实际操作，这篇详细记录一下整个思考的过程。

2、LED点亮的原理

  首先，我们需要想一个问题，这个灯为什么会亮？

  物理上来说，LED灯属于发光二极管，只要有正确的电压就会发亮。也就是说，我们烧写的代码，让led灯有了电压，那么电压又是如何形成的呢？我们来看一下原理图。

  通过原理图我们可以看到，有三个灯，分别标识着是R（red）/G(green)/B（blue）红绿蓝三种颜色。他们的左端连接在一起，通过一个跳线帽连接在了3.3V电源上，另一端各自经过一个电阻，分别连接在了单片机的PH10,PH11,PH12上，而我们如果要让任何一路灯亮，需要做的就是让其形成回路。比如我们要将红灯点亮，如图，只需要将PH10引脚接地，这样就会形成回路，从而点亮LED灯。也就是说，我们可以把“点亮led灯”这个任务转换成控制单片机引脚PH10接地，而控制的方法就是配置对应的寄存器。

2.1、什么是寄存器

  寄存器是一个非常重要的概念。但要具体了解他，还需要了解单片机的组成，结构，等等一系列让人看着头晕脑胀的东西。所以我们尝试换个角度来解读：

  单片机有很多引脚很多功能，我们要调用单片机的某项功能，则需要找到能够实现该功能的地址，而寄存器就是寄存对应地址的内存单元。通过寄存器就能更方便的找到对应的功能。

  举个例子：我们来到一个城市，要去找一间酒店住下，我们要做的是首先打开百度地图，输入该酒店的名称，然后跟着导航就能过去了。我们把城市看成是个单片机，这个城市里的酒店，网吧，饭店等等就是这个城市的各项功能。当我们想要享受这些功能时，我们需要的是先找到它们的地址。而真实的地址是什么，是一个经纬度坐标，可如果你告诉司机师傅你要去36.10849，114.35511，那么估计师傅会客气的让你滚，因为这不是正常人能聊的出来的东西。而我们如果添加一个映射，将这个经纬度坐标映射到“河南省安阳市北关区星程酒店”，我们只需要知道这个地址，而不需要再关心后面的经纬度坐标，这样是不是就好记了很多。

  同理，在单片机中也是有着丰富的资源，他们都有着属于自己的地址，但如果你要直接调用这些地址，也不是不行，但是非常容易出错，而且也不容易记得住。但如果我们根据他们的功能，起不同的名字，并把他们的地址和这些名字映射在一起，那么，我们只需要告诉单片机这些名字而不用关心后面的地址，这样便不容易出错，而且代码的可读性也会上升一大个层次。专业的说存储地址的内存单元就叫寄存器，而我们起名字的这个行为，就叫做寄存器映射。

  这两者本质相同

  花了不少篇幅来写寄存器，因为我们后面基本会一直和它打交道，写到这里其实还有一个想说的，那就是映射。

  映射是一个数学名词，是说两个集合X，Y如果存在某种法则，使X中的元素x有唯一的y与之对应，那么这种关系可以称为映射。

  在编程中，我们其实无时无刻的不在用这种理念，无论是函数，结构体，什么接口，驱动，包括c++的类，对象，再包括其它语言中的插件，控件，等等，在我的理解里本质上都是映射。而映射的好处太多了，提高效率，可读性强，扩展性好。所以在自己想要完成一项作品时，一定要有这种概念。如果后续能坚持继续更新，我会结合实际例子来说一下。

  好了，继续说回点亮led灯。现在已知我们想要点亮led灯，那么就需要将PH10引脚给接地。又简单地了解了想要控制单片机里的各种资源，只需要找到对应的寄存器便好了，那么也就是说我们需要找到对应的寄存器控制PH10引脚接地，那么便可以点亮led灯。也就是说，现在我们的任务，是寻找对应的寄存器。

2.2、GPIO端口

  在查找寄存器之前，我们再来了解一下什么是gpio端口，它是通用输入输出端口的简称，是引脚最普通的一种用法，其实芯片上的大部分引脚都是gpio端口。我们一直说的PH10也是一个gpio端口，他可以配置成多种输入输出模式（配置方式当然还是通过寄存器），通过上拉和下拉输出高电平和低电平。而我们所说的控制PH10引脚接地，也就是控制这个引脚输出一个低电平。

  也就是说，要点亮led灯，最终我们需要做的就是通过寄存器将PH10引脚配置成输出模式，并输出一个低电平。

2.3、高电平与低电平

  我们知道计算机是二级制语言，无论你的软件是用何种语言，何种框架，最终转换到计算机上的就是0和1，而物理上对应的就是低电平和高电平。这里注意的是，高低电平是相对的，而不是固定的电压值。

2.4、GPIO端口的工作模式

  GPIO的工作模式有普通的输入输出，复用，模拟几种，而输出又包括了上拉，下拉，推挽，开漏。如下图，每种模式有其自身的特点，如上拉下拉比较弱，推挽输出高低电平0-3.3v快速切换，开漏可以高阻态，拉升到5v，复用会配置成特殊功能等等，这里不做详细介绍，我们只需要点亮一个LED灯，把引脚配置成普通输出-推挽模式就可以，这也是除了复用以外最常用的一种输出配置。

3、操作分析

3.1、启动文件

  理论整理的差不多了，接下来就该是代码工程了。首先是启动文件，顾名思义，单片机上电启动后，会首先先执行启动文件里的内容。它里面有汇编写好的程序，启动后，就给我们建立起c语言运行的环境。该文件使用的汇编指令是 Cortex-M4 内核支持的指令，可从《Cortex-M4 Technical Reference Manual》查到，也可参考《Cortex-M3 权威指南中文》，M3跟M4大部分汇编指令相同。

  当然，这个文件并不需要我们编写，官网有现成的，所以我们简单了解下他的作用。

    1、初始化堆栈指针SP（Stack Pointer）

    2、初始化程序计数器指针PC(Program Counter)

    3、设置堆、栈的大小

    4、设置中断向量表的入口地址

    5、配置外部SRAM为外部存储器（一般由用户配置，因为一般的板子没有这 个）

    6、调用SystemInit()函数配置系统时钟。

    7、设置C库的分支入口“_main()”(最终调用main函数)

  以上内容不太懂的话看看就好，你只需要知道去官网找到和你单片机匹配的启动文件（或者开源工程里找），然后把它加入到你的代码工程中去，然后你就可以通过SystemInit()配置时钟，main()函数写应用程序。

  有了启动文件，有了入口函数，那么我们便可以写自己的代码了。还记得我们的任务吗？点亮led灯=>通过寄存器将PH10引脚配置成输出模式并输出低电平。既然要控制寄存器，那么就要先做好寄存器映射，这些内容都在"stm32f4xx.h"中，如图。

  有了启动文件，寄存器配置文件，接下来，我们便可以创建main文件来写自己的代码了。

3.2、源码实现

  首先需要创建一个main()函数和一个SystemInit()函数，这里注意的是，这是在启动文件的汇编语言中已经固定好的，即使你用不到SystemInit()，你要么创建，要么去屏蔽启动文件里对应位置的代码，否则编译会报错。

  如图，编译报错找不到SystemInit()

  创建好一个main()函数和一个SystemInit()函数后，点击编译按钮，可以看到0错误，0警告。基础框架已经搭好，现在要做的就是通过控制寄存器，来控制PH10引脚输出一个低电平。这里我们要借助另一样工具，就是芯片手册。

3.3、芯片手册

  每一款芯片都有他对应的芯片手册，里面详细的记载了芯片的使用方法，想要嵌入式能力提升，阅读芯片手册的能力是十分重要的。

  如图，这是STMF4系列的芯片手册关于通用I/O口的资料（野火资料中有），根据介绍，这个端口模式寄存器MODERy(y=0...15)以两位来操作一个引脚，可以将0到15的每个引脚分别配置成00（输入）、01（通用输出）、10（复用功能）、11（模拟模式）四种模式，我们要配置PH10,根据表格找到MODER10,是第20，21位。因为我们是一个普通输出，所以将两位配置成01，通用输出模式。这里需要注意的是配置时最好是进行位操作，去配置对应位而不是直接赋值，不然可能会影响到其它引脚的配置。

  因为通用输出模式又分为输出推挽和输出开漏两种，开漏需要加上拉电阻，不合适，所以选择输出推挽。由图可见，将第10位配置成0。

  接着往后看，配置完输出模式后，还需要配置输出速度，通过介绍可以看到也是两位配置一个引脚的速度，一共有4种速度。因为即使低速也是MHZ级别的，对于我们led灯完全够用。所以配置哪种速度都可以。

  继续往后看，还有一个上拉下拉寄存器，对于输出来说，上拉下拉不会影响高低电平，但是上拉能增强一点输出能力，所以我们这里选择配置成上拉电阻（01）。

  继续往后看，输入寄存器IDR，和我们没什么关系，我们要的是输出，所以略过，再接着是ODR寄存器，介绍说通过BSRR寄存器可以对应的将其置位（置1）和复位（置0）。

  可以看到第10位和第26位分别是对10引脚置位和复位，也就是置1置0，需要注意如果同时对10引脚又置0又置1，最终还是置1。

  再往后还有一些复用功能寄存器，我们用不到，就不一一介绍了，等需要的时候再回头查阅就好。到此为止，关于这个引脚的寄存器配置就全有了。但是还缺少一个关键的配置，就是时钟，想要对应的引脚工作，就必须打开相应的时钟。所有的GPIO口都是挂在AHB1上的，所以我们需要使能AHB1时钟。

  至此，整个点亮LED的程序便完整了。下面是具体代码，编译没有问题，烧写进开发板。

  下载成功。

  开发板红色的LED灯成功点亮。

4、总结：

  点亮led灯虽然很简单，但它背后所涉及的知识也是很全面的，当你懂得如何点亮led灯背后的原理时，其实就是懂得了引脚控制，寄存器配置等等。其他的更加复杂的功能，也不过是在这基础上的演变，看时钟图，看寄存器功能，找对应引脚进行对应配置，再去结合上层逻辑，也就是这样了。