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STM32/51单片机编程入门(点亮LED)_stm51

作者：繁依Fanyi0 | 2024-07-02 01:18:52

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stm51

目录

一、Proteus电路仿真软件上的C51程序设计及仿真

1.原理图绘制

2.Keil5上的51程序编写

3.仿真

二、安装mdk5软件和stm32包，完成一个stm32的简单程序

1.mdk5软件中编写程序

2.stm32仿真程序调试

三、STM32F103系列芯片的地址映射和寄存器映射原理，GPIO端口的初始化设置的一般步骤

1.STM32F103系列芯片的地址映射和寄存器映射原理

（1)寄存器的概念

（2）映射原理

（3）GPIO端口的初始化设置的一般步骤

2.嵌入式C程序代码对内存(RAM)中的各变量的修改操作与对外部设备的操作比较

（1）相同

（2）不同

3.51单片机的LED点灯编程比STM32简单的原因

（1）体系结构的简单性

（2）内存限制

（3）社区支持和资料：

（4）开发环境和工具：

四、register和volatile 关键字的作用

1.register

 2.volatile

本文操作所需软件：Keil5、proteus以及stm32包。

如题，通过上述软件和配件包来完成在stm32和stm51上的入门操作——点亮led灯。本文只给出基本的代码，过程示意图及大概流程描述，无具体安装软件方法和步骤，有需要请移步别的链接进行详细学习。

一、Proteus电路仿真软件上的C51程序设计及仿真

1.原理图绘制

步骤：

  • 选择三个文件：AT89C51芯片、LED_YELLOW、RES。
  • 依次摆放芯片、八个led灯、八个res电阻（请注意观察图中led灯方向）。
  • 双击res电阻，在弹出的窗口中将数值“10k“修改为”300“，目的是为了让led灯更亮，方便观察。
  • 在芯片和LED灯中间拉一条主线（蓝色粗线）。
  • 以主线为中心，将芯片、LED灯和res电阻连接管脚（绿色细线）。
  • 选择power，放置电源在右上角图示地址，并双击将其修改为vcc。
  • 使用LBL对支线编号。在主线左右两侧的绿色细线上分别编号。

2.Keil5上的51程序编写

步骤：

  • 点击上方工具栏中”project“，选择第一个选项，新建文件并自命名。
  • 弹出的窗口中输入”AT89C51“，选择对应的芯片。
  • 在接下来的弹出窗口中选择是。
  • 点击file下方的白纸图标，新建文件，将代码输入空白框中。
  1. //51单片机编程常用的头文件
  2. 	#include <reg51.h>
  3. 	#include <intrins.h>
  4. 	//延迟函数
  5. 	void delay_ms(int a)
  6. 	{
  7. 		int i,j;
  8. 		for(i=0;i<a;i++)
  9. 		{
  10. 			for(j=0;j<1000;j++) _nop_();
  11. 	
  12. 		}
  13. 	}
  14. 	
  15. 	void main(void)
  16. 	{
  17. 		while(1)
  18. 		{
  19. 			P0=0xfe;
  20. 			delay_ms(50);
  21. 			P0=0xfd;
  22. 			delay_ms(50);
  23. 			P0=0xfb;
  24. 			delay_ms(50);
  25. 			P0=0xf7;
  26. 			delay_ms(50);
  27. 			P0=0xef;
  28. 			delay_ms(50);
  29. 			P0=0xdf;
  30. 			delay_ms(50);
  31. 			P0=0xbf;
  32. 			delay_ms(50);
  33. 			P0=0x7f;
  34. 			delay_ms(50);
  35. 		}
  36. 	}
  • 点击保存图标，将文件命名为”随便叫什么都可以但是不要有中文.c”。不加.c后缀文件将不能编译。
  • 右键点击左方project项目示意栏下的Source Group 1，选择Add Existing Files to Group “Source Group 1”…，在弹出窗口中选择第5步中你创建的.c文件，点击add。
  • 点击魔法棒，选择output，再勾选Create HEX File，ok。
  • 点击编译按钮，生成两个头文件。（注意此处下方提示栏中需有0 ERROR（s），0 WARNING（s）字样，这表示你的代码正确并且运行正常。）

3.仿真

回到proteus软件的原理图中，双击AT89C51芯片，在弹出的窗口ProgramFile一项选择刚刚创立的hex后缀文件。OK。

开始仿真。

1695648623094

完成。

二、安装mdk5软件和stm32包，完成一个stm32的简单程序

1.mdk5软件中编写程序

步骤：

  • 点击上方工具栏project，点击第一个选项新建工程。
  • 弹出的窗口左侧查找栏中输入“STM32F103RB”，选择该芯片。
  • 弹出的窗口中左侧CMSIS，右侧勾选第一个空格；左侧Device，右侧勾选第三个空格。
  • 左上角新建文件，空白框内输入代码。
  1. //宏定义，用于存放stm32寄存器映射
  2. #define PERIPH_BASE           ((unsigned int)0x40000000)//AHB
  3. #define APB2PERIPH_BASE       (PERIPH_BASE + 0x10000)
  4. #define GPIOA_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
  5. //GPIOA_BASE=0x40000000+0x10000+0x0800=0x40010800，该地址为GPIOA的基地址
  6. #define GPIOB_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
  7. //GPIOB_BASE=0x40000000+0x10000+0x0C00=0x40010C00，该地址为GPIOB的基地址
  8. #define GPIOC_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
  9. //GPIOC_BASE=0x40000000+0x10000+0x1000=0x40011000，该地址为GPIOC的基地址
  10. #define GPIOD_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)
  11. //GPIOD_BASE=0x40000000+0x10000+0x1400=0x40011400，该地址为GPIOD的基地址
  12. #define GPIOE_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x1800)
  13. //GPIOE_BASE=0x40000000+0x10000+0x0800=0x40011800，该地址为GPIOE的基地址
  14. #define GPIOF_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x1C00)
  15. //GPIOF_BASE=0x40000000+0x10000+0x0800=0x40011C00，该地址为GPIOF的基地址
  16. #define GPIOG_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x2000)
  17. //GPIOG_BASE=0x40000000+0x10000+0x0800=0x40012000，该地址为GPIOG的基地址
  18. #define GPIOA_ODR_Addr    (GPIOA_BASE+12) //0x4001080C
  19. #define GPIOB_ODR_Addr    (GPIOB_BASE+12) //0x40010C0C
  20. #define GPIOC_ODR_Addr    (GPIOC_BASE+12) //0x4001100C
  21. #define GPIOD_ODR_Addr    (GPIOD_BASE+12) //0x4001140C
  22. #define GPIOE_ODR_Addr    (GPIOE_BASE+12) //0x4001180C
  23. #define GPIOF_ODR_Addr    (GPIOF_BASE+12) //0x40011A0C   
  24. #define GPIOG_ODR_Addr    (GPIOG_BASE+12) //0x40011E0C 
  25.  
  26. #define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))
  27. #define MEM_ADDR(addr)  *((volatile unsigned long  *)(addr))
  28.  
  29.  #define LED0  MEM_ADDR(BITBAND(GPIOA_ODR_Addr,8))
  30. //#define LED0 *((volatile unsigned long *)(0x422101a0)) //PA8
  31. //定义typedef类型别名
  32. typedef  struct
  33. {
  34.    volatile  unsigned  int  CR;
  35.    volatile  unsigned  int  CFGR;
  36.    volatile  unsigned  int  CIR;
  37.    volatile  unsigned  int  APB2RSTR;
  38.    volatile  unsigned  int  APB1RSTR;
  39.    volatile  unsigned  int  AHBENR;
  40.    volatile  unsigned  int  APB2ENR;
  41.    volatile  unsigned  int  APB1ENR;
  42.    volatile  unsigned  int  BDCR;
  43.    volatile  unsigned  int  CSR;
  44. } RCC_TypeDef;
  45.  
  46. #define RCC ((RCC_TypeDef *)0x40021000)
  47. //定义typedef类型别名
  48. typedef  struct
  49. {
  50. volatile  unsigned  int  CRL;
  51. volatile  unsigned  int  CRH;
  52. volatile  unsigned  int  IDR;
  53. volatile  unsigned  int  ODR;
  54. volatile  unsigned  int  BSRR;
  55. volatile  unsigned  int  BRR;
  56. volatile  unsigned  int  LCKR;
  57. } GPIO_TypeDef;
  58. //GPIOA指向地址GPIOA_BASE,GPIOA_BASE地址存放的数据类型为GPIO_TypeDef
  59. #define GPIOA ((GPIO_TypeDef *)GPIOA_BASE)
  60.  
  61. void  LEDInit( void )
  62. {
  63.      RCC->APB2ENR|=1<<2;  //GPIOA 时钟开启
  64.      GPIOA->CRH&=0XFFFFFFF0;
  65.      GPIOA->CRH|=0X00000003; 
  66. }
  67.  
  68. //粗略延时
  69. void  Delay_ms( volatile  unsigned  int  t)
  70. {
  71.      unsigned  int  i,n;
  72.      for (n=0;n<t;n++)
  73.          for (i=0;i<800;i++);
  74. }
  75.  
  76. int main(void)
  77. {
  78. 	 LEDInit();
  79.      while (1)
  80.      {
  81.          LED0=0;//LED熄灭
  82.          Delay_ms(500);//延时时间
  83.          LED0=1;//LED亮
  84.          Delay_ms(500);//延时时间
  85.      }
  86. }
  • 左上角保存文件，起名为后缀为.c的文件使其可编译。
  • 右键点击左方显示栏中 Source Group 1，选择Add Existing Files to Group …，添加刚才生成的.c文件，选择ADD。
  • 左上角进行编译软件。0 Error和0 Warning表示成功。

2.stm32仿真程序调试

如图，点击红色放大镜进入调试状态。

缺少配件无法连接电脑进行实验，所以此处不做演示。

三、STM32F103系列芯片的地址映射和寄存器映射原理，GPIO端口的初始化设置的一般步骤

1.STM32F103系列芯片的地址映射和寄存器映射原理

（1)寄存器的概念

寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果，是一种常用的时序逻辑电路，但这种时序逻辑电路只包含存储电路。

寄存器的存储电路是由锁存器或触发器构成的，因为一个锁存器或触发器能存储1位二进制数，所以由N个锁存器或触发器可以构成N位寄存器。寄存器是中央处理器内的组成部分。寄存器是有限存储容量的高速存储部件，它们可用来暂存指令、数据和位址。 

在计算机领域，寄存器是CPU内部的元件，包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。寄存器拥有非常高的读写速度，所以在寄存器之间的数据传送非常快。

（2）映射原理

地址映射是指将外设的地址空间映射到处理器的地址空间，使得处理器可以通过读写相应的地址来访问外设。在STM32F103系列芯片中，使用的是基于内存映射的地址映射方法。

STM32F103系列芯片的地址空间被划分为不同的区域，包括内存区域和外设区域。内存区域包括代码存储器（Flash）和数据存储器（SRAM），用于存储程序代码和数据。外设区域包括各种外设模块，如通用输入输出（GPIO）、定时器（Timer）、串行通信接口（UART/SPI/I2C）等。

在地址映射中，每个外设模块都被映射到特定的地址范围。通过读写这些地址，可以对外设进行控制和数据传输。具体的地址映射信息可以在芯片的参考手册中找到，该手册提供了外设寄存器的地址范围及其功能的详细说明。

例如，GPIO端口A的地址范围可能被映射到0x4001 0800 - 0x4001 0BFF之间的地址空间。通过读写这个地址范围内的寄存器，可以对GPIO端口A的引脚配置和状态进行操作。例如，可以设置引脚为输入或输出模式、读取或写入引脚状态等。

对于寄存器映射原理，STM32F103系列芯片中的外设控制和状态寄存器都被映射到特定的地址。这些寄存器可以直接通过读写操作来控制和监视外设的行为。寄存器的位字段提供了与特定功能相关联的具体控制和配置选项。

在编程中，可以使用C语言或汇编语言来访问这些寄存器。通过读取和写入寄存器的值，可以配置外设的各种参数，以满足特定应用的需求。

  1.     int main(void)
  2.     {
  3.         unsigned int *pRCC_APB2ENR = (unsigned int *)0x40021018;
  4.         unsigned int *pGPIOB_CRH = (unsigned int *)0x40010c04;
  5.         unsigned int *pGPIOB_ODR = (unsigned int *)0x40010c0c;
  6.         *pRCC_APB2ENR = 0x00000008;
  7.         *pGPIOB_CRH = 0x44444443;
  8.         *pGPIOB_ODR = 0x00000000;
  9.          return 0;             
  10.     }
  11.

（3）GPIO端口的初始化设置的一般步骤

步骤如下：

  • 选择要初始化的GPIO端口：确定要操作的GPIO端口，即确定要配置的引脚。
  • 使能GPIO外设时钟：通过配置相关的时钟控制寄存器，使能对应GPIO端口的时钟。这样才能使GPIO模块工作。
  • 配置引脚的模式：选择引脚的工作模式，包括输入模式（如浮空输入、上拉/下拉输入）和输出模式（如推挽输出、开漏输出）。
  • 配置引脚的速度：选择引脚的工作速度，即确定引脚的输出驱动能力，通常有低速、中速和高速可选。
  • 配置引脚的上拉/下拉：如果选择了上拉/下拉输入模式，需要根据需要配置引脚的上拉或下拉电阻。
  • 配置引脚的输出类型：如果选择了输出模式，需要选择引脚的输出类型，通常有推挽输出和开漏输出可选。
  • 配置引脚的中断：如果需要使用引脚的中断功能，需要配置中断触发条件和优先级，并使能对应引脚的中断。
  • 实施配置：将上述配置写入GPIO外设的相应寄存器，完成对GPIO端口的初始化设置。
  • 初始化单个GPIO端口：
  1. GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  2. 第一步：使能GPIOA的时钟：
  3. RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
  4.  
  5. 第二步：设置GPIOA参数：输出OR输入，工作模式，端口翻转速率
  6. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_6| GPIO_Pin_7| GPIO_Pin_8; //设定要操作的管脚
  7. GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //设置为推挽输出
  8. GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // IO口速度为50MHz
  9.  
  10. 第三步：调用GPIOA口初始化函数，进行初始化。
  11. GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //根据设定参数初始化GPIOA
  12.  
  13. 第四步：调用GPIO-SetBits函数，进行相应为的置位。
  14. GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0); //输出高
  • 初始化多个GPIO端口：
  1. GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  2. 第一步：使能GPIOA，GPIOE的时钟：
  3. RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
  4. RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE);
  5.  
  6. 第二步：设置GPIOA,GPIOE参数：输出OR输入，工作模式，端口翻转速率
  7. 第三步：调用GPIOA口初始化函数，进行初始化。
  8. 第四步：调用GPIO-SetBits函数，进行相应为的置位。
  9.  
  10. 把第二、三、四步合并分别设置GPIOA和GPIOE
  11. 先设置GPIOA
  12. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4; // 第四个口，PA4
  13. GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //设置为推挽输出
  14. GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // IO口速度为50MHz
  15. GPIO_Init(GPIOA,&GPIO-InitST); //根据设定参数初始化GPIOA
  16. GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4); //输出高
  17.  
  18. 再设置GPIOE
  19. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3; // 第三个口，PE3
  20. GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //设置为推挽输出
  21. GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // IO口速度为50MHz
  22. GPIO_Init(GPIOE,&GPIO-InitST); //根据设定参数初始化GPIOE
  23. GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_3); //输出高

2.嵌入式C程序代码对内存(RAM)中的各变量的修改操作与对外部设备的操作比较

（1）相同

  • 均需要通过读取和写入特定的地址来进行操作：无论是修改内存中的变量还是控制外部设备，都需要通过读写操作来访问特定的地址。在嵌入式系统中，这些地址通常与内存映射或外设寄存器相关联。
  • 都需要考虑并发访问和同步：修改内存中的变量和对外部设备的操作都可能涉及并发访问的问题。例如，在多任务系统中，多个任务可能同时访问相同的内存位置或外设寄存器，因此需要考虑并发访问的同步机制，如互斥锁或信号量。

 （2）不同

  • 访问方式和时序：内存是直接可寻址的，可以通过指针或变量名直接读取和修改。而对外部设备的操作通常需要遵循特定的接口规范和时序要求，可能涉及到特定的通信协议、寄存器配置序列或时钟信号。
  • 需要处理外部设备状态：与修改内存中的变量不同，对外部设备的操作通常需要考虑设备的实际状态。例如，配置某个外设之前，需要确保设备处于一种可配置状态，而且需要在配置完成之后进行适当的清理和关闭操作。
  • 物理接口和电器特性：外部设备的操作可能涉及物理接口和电器特性，如电压水平、电流要求、时钟频率等。在进行对外部设备的操作时，需要确保遵守相关的电气和物理规范，以防止硬件损坏或通信错误。

3.51单片机的LED点灯编程比STM32简单的原因

51单片机的编程相对简单，但它们的性能和功能有限。STM32微控制器提供了更多的性能和功能，适用于复杂的应用程序。因此，在选择单片机时，需要根据项目需求来决定使用哪种类型的微控制器。简单的LED点灯任务可能适合51单片机，而更复杂的应用可能需要使用STM32或其他高性能微控制器。

（1）体系结构的简单性

  • 8051架构相对较简单，具有传统的冯·诺伊曼体系结构，包含一个紧凑的指令集，易于理解。
  • STM32微控制器基于ARM Cortex-M架构，具有更强大和复杂的体系结构，包括多个处理器核心，更多的外设和功能。这使得STM32编程需要更多的复杂性和学习曲线。

（2）内存限制

  • 大多数51单片机具有有限的内存和资源，这迫使程序员编写紧凑的代码，通常没有太多的抽象层次。
  • STM32微控制器通常具有更多的内存和资源，允许更复杂的应用程序和更高级的编程方法。这也可以增加编程的复杂性。

（3）社区支持和资料：

  • 由于51单片机有着悠久的历史，有丰富的社区支持和大量的参考资料、教程可供学习和参考。
  • STM32也有庞大的社区，但相对于51单片机社区而言，可能需要更多的深入研究和学习。

（4）开发环境和工具：

  • 为51单片机编程通常使用较简单的集成开发环境（IDE）和编译器。这些工具相对容易上手。
  • STM32通常使用强大的IDE（如STM32CubeIDE）和复杂的工具链，这些工具提供更多的功能和选项，但也可能需要更多的学习和配置。

四、register和volatile 关键字的作用

在嵌入式C程序中，"register"和"volatile"是两个重要的变量修饰符，用于对变量的行为进行修饰和控制。

1.register

  • "register"用于建议编译器将变量存储在寄存器中，以提高访问速度。然而，具体是否将变量存储在寄存器中是由编译器决定的，它可能会忽略"register"修饰符。
  • "register"修饰符适用于频繁访问的变量，例如在循环中使用的迭代计数器或临时计算结果。
  • "register"修饰符不能与"static"、"extern"或"volatile"等修饰符一起使用。
  • 实例： 
    1. int main() {
    2.     register unsigned int i;  // 使用register修饰符声明一个无符号整数变量
    3.     for (i = 0; i < 1000; i++) {
    4.         // 执行一些操作
    5.     }
    6.     return 0;
    7. }

 2.volatile

  • "volatile"用于告诉编译器该变量的值可能在程序执行期间发生变化，防止编译器对该变量进行优化，以确保每次访问都从内存中读取最新值。
  • "volatile"修饰符适用于需要与外部环境（如硬件设备或并发任务）进行交互的变量，例如表示硬件寄存器或共享变量。
  • "volatile"修饰符可以防止编译器对变量的读写进行优化，并确保每次访问都是实时的，而不是依赖于编译器的优化。
  • "volatile"变量不能被寄存器修饰符"register"修饰。
  • 实例： 
    1. volatile unsigned int* const GPIO_PORT = (unsigned int*)0x40001000;  // GPIO端口寄存器的地址
    2.  
    3. int main() {
    4.     *GPIO_PORT = 0xFF;  // 向GPIO端口写入值
    5.     // 延时或执行其他操作
    6.     unsigned int value = *GPIO_PORT;  // 从GPIO端口读取值
    7.     // 继续执行其他操作
    8.     return 0;
    9. }

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