RCC и GPIO: мигаем светодиодом

Шаг 1. Включить тактирование порта

После сброса в регистре RCC_APB2ENR (смещение 0x18 от базы RCC 0x40021000, раздел 7.3.7 RM0008, с. 112) все биты нулевые: ни порты, ни USART1, ни АЦП не тактируются. Пока порт не тактируется, запись в его регистры не действует, а чтение, как предупреждает RM0008, может возвращать 0. Порты A, B и C сидят на шине APB2 и включаются битами IOPAEN (2), IOPBEN (3) и IOPCEN (4):

RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;     /* clock for GPIOC */

Регистр RCC_AHBENR после сброса равен 0x0000 0014 (раздел 7.3.6, с. 111): включены только тактирование SRAM и интерфейса флеш-памяти. Всё остальное — выключено, и это осознанное решение: блок без тактового сигнала почти не потребляет. Подробнее — в статье глоссария «Отключение тактирования».

Шаг 2. Режим вывода: CRL и CRH

У порта STM32F1 семь регистров (раздел 9.1): два регистра конфигурации CRL и CRH, входные данные IDR, выходные ODR, установка и сброс BSRR, сброс BRR и блокировка LCKR. Режим каждого вывода задают 4 бита: CNF[1:0] и MODE[1:0]. В CRL (смещение 0x00) — выводы 0–7, в CRH (смещение 0x04) — выводы 8–15. Для вывода n поле начинается с бита 4 × (n mod 8): у PC13 это биты 23:20 регистра CRH — MODE13 в битах 21:20, CNF13 в битах 23:22.

После сброса CRL и CRH равны 0x4444 4444 (раздел 9.2.1, с. 171): у каждого вывода 0100 — CNF = 01, MODE = 00, плавающий вход (раздел 9.1.1). Выводы JTAG — PA13, PA14, PA15 и PB4 — после сброса подтянуты, а PA13 и PA14 заняты SWD.

«Скорость» в поле MODE — это ограничение крутизны фронтов выходного каскада, а не тактовая частота порта. Для светодиода хватит 2 МГц, а для PC13 больше и нельзя: по примечанию 5 к таблице 5 DS5319 выводы PC13–PC15 питаются через ключ, пропускающий до 3 мА, как выходы они ограничены частотой 2 МГц при нагрузке до 30 пФ и не должны быть источником тока. Итак, для PC13: MODE = 10, CNF = 00 — выход push-pull, 2 МГц.

GPIOC->CRH = (GPIOC->CRH & ~(GPIO_CRH_MODE13 | GPIO_CRH_CNF13))
           | (0x2u << GPIO_CRH_MODE13_Pos);     /* MODE13 = 10, CNF13 = 00 */

Сначала маска стирает оба поля, потом вписывается нужное значение — остальные 7 выводов регистра не меняются. Регистры GPIO читают и пишут только целыми словами (раздел 9.2), поэтому обращение через GPIOC->CRH к 32-битному полю структуры — правильный способ. Посчитать маску или проверить готовое число поможет калькулятор битовых масок.

Шаг 3. Уровень вывода: ODR, BSRR и BRR

Уровень выхода задаёт бит регистра ODR, но менять его лучше через BSRR (раздел 9.2.5, с. 173). Это регистр только для записи: единица в бите n (поле BSn, биты 15:0) устанавливает бит n регистра ODR, единица в бите 16 + n (поле BRn, биты 31:16) — сбрасывает, нули ничего не меняют. Если в одной записи заданы и BSn, и BRn, побеждает BSn. Регистр BRR делает только сброс, его биты 15:0 — те же BRn.

GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;   /* ODR13 = 0: PC13 low, LED on */
GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;   /* ODR13 = 1: PC13 high, LED off */

Главное свойство BSRR — атомарность: RM0008 (раздел 9.1.2) прямо говорит, что запрещать прерывания при такой записи не нужно, потому что она меняет только выбранные биты за одно обращение по шине APB2. А GPIOC->ODR |= … — это три действия: чтение, изменение, запись. Если между чтением и записью сработает прерывание и изменит другой бит порта C, при записи его изменение пропадёт. Подробнее о таких гонках — в статье глоссария «Состояние гонки».

Программа

/* main.c, lesson 3: blink the Blue Pill LED on PC13 */
#include "stm32f1xx.h"

/* Crude busy-wait: the time depends on the clock and on the compiler */
static void delay(volatile uint32_t n)
{
    while (n--) { }
}

int main(void)
{
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;             /* 1. clock for GPIOC */

    GPIOC->CRH = (GPIOC->CRH & ~(GPIO_CRH_MODE13 | GPIO_CRH_CNF13))
               | (0x2u << GPIO_CRH_MODE13_Pos);     /* 2. PC13: push-pull, 2 MHz */

    for (;;) {
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;               /* 3. PC13 low: LED on */
        delay(200000u);
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;               /*    PC13 high: LED off */
        delay(200000u);
    }
}

Замените main.c из урока 1 этим файлом и выполните make flash — Makefile менять не нужно, пути к заголовкам CMSIS в нём уже есть. Светодиод замигает: после сброса STM32F103 работает от внутреннего RC-генератора HSI на 8 МГц, и пустой цикл на 200 000 итераций длится доли секунды. Точное время зависит от того, во что компилятор превратит цикл; параметр объявлен volatile, чтобы оптимизатор не выбросил цикл, который «ничего не делает». Задержку с точностью до миллисекунды сделаем на таймере SysTick в уроке 4.

Что прячется за RCC и GPIOC

RCC и GPIOC в stm32f103xb.h — это указатели на структуры, поля которых повторяют порядок регистров блока. Например, GPIOC — это ((GPIO_TypeDef *)GPIOC_BASE), где база порта C — 0x40011000, а поле CRH стоит вторым, со смещением 0x04. Запись GPIOC->CRH = x компилируется в одну команду записи слова по адресу 0x40011004. Поля объявлены volatile (через макрос __IO), поэтому компилятор не выбрасывает и не переставляет обращения к ним. Адреса и биты всех регистров GPIO и RCC серии с их значениями после сброса собраны на страницах атласа регистров GPIO STM32F1 и регистров RCC STM32F1.

На STM32F4

У STM32F411 на Black Pill порты сидят на шине AHB1, а режимы выводов разнесены по четырём регистрам. Ниже они по RM0368 для STM32F401 (разд. 8.4.1–8.4.4, с. 158–160); значения сброса MODER в RM0383 для F411 те же:

RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOCEN;
GPIOC->MODER = (GPIOC->MODER & ~GPIO_MODER_MODER13) | GPIO_MODER_MODER13_0;  /* 01: output */
GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;                                                 /* LED on */

BSRR у F4 устроен так же, как у F1. Значение сброса MODER у порта A — 0xA800 0000: выводы PA13, PA14 и PA15 сразу в режиме альтернативной функции для отладки, поэтому при записи в GPIOA->MODER целым числом легко отключить себе SWD. На Black Pill светодиод тоже на PC13 и тоже горит при нуле — по схеме WeAct MiniF4x1Cx V3.1 он подключён через резистор 1,5 кОм к 3,3 В (подробно — на странице Black Pill).

Задание

1. Что станет с выводами PC8–PC15, если вместо строки с маской написать GPIOC->CRH = 0x00200000;?
2. Подключите кнопку между PB12 и GND. Настройте PB12 входом с подтяжкой вверх и сделайте так, чтобы светодиод горел, пока кнопка нажата.

RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN | RCC_APB2ENR_IOPCEN;
GPIOB->CRH = (GPIOB->CRH & ~(GPIO_CRH_MODE12 | GPIO_CRH_CNF12))
           | (0x2u << GPIO_CRH_CNF12_Pos);          /* PB12: input with pull */
GPIOB->BSRR = GPIO_BSRR_BS12;                       /* ODR12 = 1: pull-up */
GPIOC->CRH = (GPIOC->CRH & ~(GPIO_CRH_MODE13 | GPIO_CRH_CNF13))
           | (0x2u << GPIO_CRH_MODE13_Pos);

for (;;) {
    if (GPIOB->IDR & GPIO_IDR_IDR12)
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;               /* released: LED off */
    else
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;               /* pressed: LED on */
}

Что дальше

В уроке 4 переведём STM32F103 с 8 МГц HSI на 72 МГц от кварца через PLL и заведём системный таймер SysTick для точных задержек. Все режимы выводов, токи и выводы, допускающие 5 В, разобраны в статье «GPIO STM32», а схемы выходных каскадов — в статьях глоссария push-pull и «Открытый сток». Готовый код инициализации выводов в стиле регистров, LL или HAL сгенерирует генератор инициализации STM32.