前兩篇文章實做使用 CubeMX 與 Keil 編譯程式來控制 STM32，透過圖形的介面定義 CPU 暫存器相關的設定，讓 LED 燈閃爍或由按鍵控制。這個介面對於初學者或是快速開發很有幫助，但對於我這還沒入門且有一點點基礎的人來說，還不太夠，原因是只在抽象層定義，比較底層的控制，仍然需要有對 MCU 處理的概念後，才能發揮其效益。簡單來說。如果同樣功能用 CubeMX 開發會比底層使用暫存器的程式時間會縮短很多，但是同樣功能的兩種程式，執行速度一定是暫存器的程式較快，畢竟 CubeMX 會包進一些基本的函數庫在程式內，執行起來就會比較慢些，這兩者各有其優點。
本篇開始紀錄如何查閱手冊，找到控制對應的暫存器，讓暫存器藉由數值的存入或電位高低的變化，來控制其外部設備。在開始前先簡單瞭解微控制器的基本工作原理，以及如何使用暫存器作為與 STM32 溝通的方法。
所謂的為微控制器（Micro Controller unit, 簡稱 MCU)，也就是硬體電路的大腦，MCU內部包含中央處理裝置 ( CPU )、記憶體及周邊相關裝置（如ADC、DAC、GPIO、PWM等）。當程式被載入執行時，會先存到記憶體中，並留下所分配的地址編號，當中央處理器執行指令時，則依序取得該位址內容後執行這些動作。
使用暫存器編寫程式，需要一直查詢使用手冊上的暫存器控制位址，才能寫出程式，與前兩個實作使用 CubeMX 及 Keil 的環境下完成程式完全不同，後者偏重在使用廠商開發的函數庫，只要會知道函數庫的用法即可開始編寫程式，其實函數庫也是將記憶體紀錄成比較容易識別的變數、結構(Structure)屬性等，方便記憶及容易閱讀。
我購買的開發板是 STM32F103C8T6 ，也有一片是 STM32F407的開發板，就以前者當作範例。由 STM32F103 晶片手冊得知其定址範圍從 0x00000000 到 0xFFFFFFFF，分成8個塊（Block0~Block7），每塊大小為512M，一共 4G 的空間大小。一共有3條匯流排總線：APB1、APB2、AHB。所謂的基地址是指該總線的位址均以這個位置往上增加。
STM32 各匯流排總線有自己的時鐘(震盪頻率)，一個 GPIO 要能運作，需要設定其時鐘才能運作，其次設定該 GPIO 為輸出或輸入，最後設定為高電位或低電位，下圖是撰寫設定的邏輯與流程，分成三個部分：
瞭解上述如何設定控制 GPIO 的步驟與方法後，使用開發版上的一個 GPIO(PA4)為例，將 PA4 連接 LED，看看如何撰寫暫存器程式來控制亮或滅。過程中使用暫存器控制引腳輸出輸入，包括時鐘設定與設定暫存器位置等，瞭解其運作方式後，再進階到使用變數的定義來取代暫存器的位址，並寫成函數庫來讓程式變的容易閱讀。
將 LED接在 PA4，表示使用 GPIOA 這個群組，如果是使用開發板預設的 LED，其接腳是 PC13，表示使用 GPIOC 這個群組。打開使用手冊，找到復位和時鐘控制(RCC)的起始位置，如下圖紅框處：
上圖的表再往下看，查找 GPIOA(GPIO端口A)的總線匯流排是哪一個？如下圖紅圈處，也請一併記下其起始位址：
上表 GPIOA 的位址為：0x40010008 ，其總線使用 APB2。再繼續查找 APB2 外設時鐘的暫存器為 RCC_APB2ENR ，再將這個位址設定為 Enable，也就是高電位，或是填入 1 的值，如下圖：
得到其偏移位置為0x18，表示設定時鐘的暫存器的位置全名為：0x40021018。程式寫法如下：
(2) 配置 GPIOx 模式，設定 CRL 或 CRH 對應的 GPIO 為輸出/輸入
依照連接的 Port 找到對應的 GPIO 配置為低寄存器(GPIOx_CRL)或高寄存器(GPIOx_CRH)，如果是 Port0 ~ Port7(例如PA0~PA7)，則查閱配置為低寄存器(GPIOx_CRL)的章節 ；如為Port8~Port15(例如PA8~PA15)，則查閱高寄存器(GPIOx_CRH)章節。以連接 PA4 為例，要看低寄存器(GPIOx_CRL)使用的偏移位址，如下表紅框處：
上圖第二個紅框處的 CNFx 有2個位元，由 MODE 來決定輸入或輸出，當 MODE 為 00 時表示輸入，其他三個值(00,01,11)分別表示不同輸出速度。CNF1 則表示不同的模式，如下表：
MODEx有 2 個位元，設定輸出的速度，如下表：
以 PA4 的設定為例，我們選擇 10MHz 的速度(MODE為01)，採用推挽輸出方式(CNF 為 00)，合併起來為 0001，也就是程式中要將 0001寫到這 4 個位元。除了上述 CNF 和 MODE 設定外，還要知道偏移位址 0x00，將這個值跟 GPIOA 的基地址相加，這表示 GPIOA_CRL 的完整存取位址為：0x40010800。要存取這 4 個位元，先要將其清為 0，再給新的值，否則邏輯運算會造成錯誤的結果。
(3) 透過 ODR、BRR 或 BSRR 等寄存器，設定為高或低電位
查閱GPIO_ODR偏移位置，如下圖：
將 PA4 對應的 ODR4 設定為低電位。
以下是 main.c 完整的程式碼：
各位有沒有發現，上圖左方在 main.c 下方，多了一個 startup_stm32f10x_md.s，這個是依據開發板的 Flash 容量大小來選擇，STM32 系列晶片的種類和對應的啟動文件如下表。STM32F103C8 開發板的 Flash 為 64k，選取“startup_stm32f10x_md.s”這個檔案。
對應的檔案，可以在官方提供的標準函數庫中找到，按以下路徑找尋啟動文件：STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0\Libraries\CMSIS\CM3\DeviceSupport\ST\STM32F10x\startup\arm ，將startup_stm32f10x_md.s 複製到與 main.c 同文件夾中即可。經過編譯及上傳編譯結果到開發板，就完成這次的實作。
本篇開始紀錄如何查閱手冊，找到控制對應的暫存器，讓暫存器藉由數值的存入或電位高低的變化，來控制其外部設備。在開始前先簡單瞭解微控制器的基本工作原理，以及如何使用暫存器作為與 STM32 溝通的方法。
所謂的為微控制器（Micro Controller unit, 簡稱 MCU)，也就是硬體電路的大腦，MCU內部包含中央處理裝置 ( CPU )、記憶體及周邊相關裝置（如ADC、DAC、GPIO、PWM等）。當程式被載入執行時，會先存到記憶體中，並留下所分配的地址編號，當中央處理器執行指令時，則依序取得該位址內容後執行這些動作。
使用暫存器編寫程式，需要一直查詢使用手冊上的暫存器控制位址，才能寫出程式，與前兩個實作使用 CubeMX 及 Keil 的環境下完成程式完全不同，後者偏重在使用廠商開發的函數庫，只要會知道函數庫的用法即可開始編寫程式，其實函數庫也是將記憶體紀錄成比較容易識別的變數、結構(Structure)屬性等，方便記憶及容易閱讀。
我購買的開發板是 STM32F103C8T6 ，也有一片是 STM32F407的開發板，就以前者當作範例。由 STM32F103 晶片手冊得知其定址範圍從 0x00000000 到 0xFFFFFFFF，分成8個塊（Block0~Block7），每塊大小為512M，一共 4G 的空間大小。一共有3條匯流排總線：APB1、APB2、AHB。所謂的基地址是指該總線的位址均以這個位置往上增加。
| 匯流排名稱 | 匯流排基地址 |
|---|---|
| APB1 | 0x4000 0000 |
| APB2 | 0x4001 0000 |
| AHB | 0x4001 8000 |
STM32 各匯流排總線有自己的時鐘(震盪頻率)，一個 GPIO 要能運作，需要設定其時鐘才能運作，其次設定該 GPIO 為輸出或輸入，最後設定為高電位或低電位，下圖是撰寫設定的邏輯與流程，分成三個部分：
瞭解上述如何設定控制 GPIO 的步驟與方法後，使用開發版上的一個 GPIO(PA4)為例，將 PA4 連接 LED，看看如何撰寫暫存器程式來控制亮或滅。過程中使用暫存器控制引腳輸出輸入，包括時鐘設定與設定暫存器位置等，瞭解其運作方式後，再進階到使用變數的定義來取代暫存器的位址，並寫成函數庫來讓程式變的容易閱讀。
[電路連接圖]
將 LED (-)的一腳接 PA4 ，另一腳(+)接電阻 220 歐姆，電阻另一端接 5V。
[手冊查閱與程式編寫]
(1) 找出GPIOx對應的時鐘，設定為 Enable將 LED接在 PA4，表示使用 GPIOA 這個群組，如果是使用開發板預設的 LED，其接腳是 PC13，表示使用 GPIOC 這個群組。打開使用手冊，找到復位和時鐘控制(RCC)的起始位置，如下圖紅框處：
*(unsigned int*)0x40021018 = *(unsigned int*)0x40021018 ｜ (1<<2);上面的運算式的寫法可以寫成：
*(unsigned int*)0x40021018 |= (1<<2);意思是表示將 0001 往左移動2個位元，再和這個位址的內容做 OR 運算，讓第 3 個位元變成 1，亦即將 IOPA Enable。
(2) 配置 GPIOx 模式，設定 CRL 或 CRH 對應的 GPIO 為輸出/輸入
依照連接的 Port 找到對應的 GPIO 配置為低寄存器(GPIOx_CRL)或高寄存器(GPIOx_CRH)，如果是 Port0 ~ Port7(例如PA0~PA7)，則查閱配置為低寄存器(GPIOx_CRL)的章節 ；如為Port8~Port15(例如PA8~PA15)，則查閱高寄存器(GPIOx_CRH)章節。以連接 PA4 為例，要看低寄存器(GPIOx_CRL)使用的偏移位址，如下表紅框處：
上圖第二個紅框處的 CNFx 有2個位元，由 MODE 來決定輸入或輸出，當 MODE 為 00 時表示輸入，其他三個值(00,01,11)分別表示不同輸出速度。CNF1 則表示不同的模式，如下表：
以 PA4 的設定為例，我們選擇 10MHz 的速度(MODE為01)，採用推挽輸出方式(CNF 為 00)，合併起來為 0001，也就是程式中要將 0001寫到這 4 個位元。除了上述 CNF 和 MODE 設定外，還要知道偏移位址 0x00，將這個值跟 GPIOA 的基地址相加，這表示 GPIOA_CRL 的完整存取位址為：0x40010800。要存取這 4 個位元，先要將其清為 0，再給新的值，否則邏輯運算會造成錯誤的結果。
*(unsigned int*)0x40010800 = *(unsigned int*)0x40010800 & ~(0x0F<<(4*4)); *(unsigned int*)0x40010800 = *(unsigned int*)0x40010800 | (1<<16);第一行指令是將 0x0F（二進位為0b1111），先左移 16 位後，做 NOT 運算，變成 0000，再和位址的值進行 AND 運算，4 個 Bits 都變成 0。第二行是將要設定的值0001(CNF:00，MODE：01)左移 16 位，跟原來的值做 OR 運算，置於 CNF4 和 MODE4 的位置。上述兩行可以改寫成以下運算式：
*(unsigned int*)0x40010800 &= ~(0x0F<<(4*4)); *(unsigned int*)0x40010800 |= (1<<16);
(3) 透過 ODR、BRR 或 BSRR 等寄存器，設定為高或低電位
查閱GPIO_ODR偏移位置，如下圖：
*(unsigned int*)0x4001080C = *(unsigned int*)0x4001080C & ~(1<<4);將 1 左移 4 位後，做 NOT 運算，變成 0，再和原來的值做 AND 運算，結果為 0。
以下是 main.c 完整的程式碼：
int main()
{
*(unsigned int*)0x40021018 |=(1<<2); //RCC_APB2ENR 時鐘
*(unsigned int*)0x40010800 &= ~(0x0F<<(4*4)); //將GPIO_CLR的CNF4與MODE4(PA4)清為0
*(unsigned int*)0x40010800 |= (1<<16); // 將GPIO_CLR的CNF4與MODE4(PA4)的4Bit填上0001,將0001左移16位
*(unsigned int*)0x4001080C amp;=~(1<<4); // 將GPIOC_ODR 輸出為低電位
}
void SystemInit(void)
{
}
程式中多了一個函數 SystemInit(void)，這是 STM32 系統復位後首先會進入 SystemInit() 函數進行時鐘的設置，之後再進入主函數 main()。如果對於 SystemInit()的用法還不懂沒關係，之後的實作有遇到時，再來瞭解說明。程式的畫面如下：| 總線名稱 | 總線基地址 |
|---|---|
| startup_stm32f10x_cl.s | 互聯型的器件，STM32F105xx，STM32F107xx |
| startup_stm32f10x_hd.s | FLASH大於128，大容量的 STM32F101xx，STM32F102xx，STM32F103xx |
| startup_stm32f10x_hd_vl.s | FLASH大於128，大容量的 STM32F100xx |
| startup_stm32f10x_ld.s | FLASH小於64K，小容量的 STM32F101xx，STM32F102xx，STM32F103xx |
| startup_stm32f10x_ld_vl.s | FLASH小於64K，小容量的 STM32F100xx |
| startup_stm32f10x_md.s | FLASH=64 or 128，中容量的 STM32F101xx，STM32F102xx，STM32F103xx |
| startup_stm32f10x_md_vl.s | FLASH=64 or 128，中容量的 STM32F100xx |
| startup_stm32f10x_xl.s | FLASH=512K到1024K，超高密度的 STM32F101xx，STM32F102xx，STM32F103xx |
對應的檔案，可以在官方提供的標準函數庫中找到，按以下路徑找尋啟動文件：STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0\Libraries\CMSIS\CM3\DeviceSupport\ST\STM32F10x\startup\arm ，將startup_stm32f10x_md.s 複製到與 main.c 同文件夾中即可。經過編譯及上傳編譯結果到開發板，就完成這次的實作。
[結果]
拜師學藝嗎
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