Embedded Systems Bare-Metal Programming Ground Up (STM32) — Chap. 1 — Constructing PeripheralRegisters from Memory Addresses

剛好前陣子Udemy上面的課程在特價，想說還蠻划算的，就買了幾堂課，連結如下：

https://www.udemy.com/course/embedded-systems-bare-metal-programming/

想說趁著去德國前留在台灣的這段日子，好好的來繼續精進一下自己。剛好內容也是我蠻有興趣的，課程簡介影片有提到，在跟完整個課程以後，可以學會如何正確地從datasheet裡面extract出所需的資訊，以及在不借助任何Library的情況下，可以自行利用CubeIDE開發出像是GPIO、UART、ADC、Timer、I2C、SPI…等等的Driver。

大學期間其實就有接觸過STM的開發板，但是對於其內部運作的方式、以及Library一直都不是很了解，藉由這個機會，能讓自己有個好的基礎，我認為是蠻好的。

因此想說能藉此機會順便把每堂課的重點做個摘錄，希望日後，如果我自己忘記了，也能回來看一下我的這段學習歷程。

課程開始！！！！

開始前必需準備好的東西：

1. 下載好STM32CubeIDE
2. 針對自己的開發板，下載以下文件：Reference Manual、datasheet、user guide

首先最開始，看到User guide，並搜尋在文件裡找LED的章節，可以看到如下的內容。

基本上，課程一開始，我們希望能夠控制開發版上的User Led，我所使用的是STM32F429ZI-Nucleo，其上面有三個Led分別為LD1、LD2、LD3。首先我們必須要知道這些Led所對應的Port以及Pin分別是多少。由文件我們可以得知：

1. LD1: PortA Pin5
2. LD2: PortB Pin7
3. LD3: PortB Pin14（我選的是這一顆）

選定好要控制哪個Port哪個Pin後，我們來到Datasheet，搜尋Memory Mapping，可以知道這塊MCU對於其內部記憶體的分配情況。並可以找到我們想要控制的Port B被歸類在AHB1這個Bus裡面。

Memory Mapping(1)

Memory Mapping(2)

Block Diagram

搜尋Block diagram可以找到如上的圖，可以大概知道整體的運作流程。

有了這些資訊，我們便可以開始寫程式了！！！

通過Memory Mapping(1)，可以知道我們的這些Peripheral分配到的記憶體位址在哪裡，可以看到是從0x4000 0000這裡開始的，接著，由於我們的Port B是在AHB1這個BUS上，因此我們也要知道AHB1是從哪裡開始，由Momery Mapping(2)可以知道，他是從0x4002 0000開始，為增加Code的易讀性，這邊透過宣告一個AHB1的Offset，最後將PERIPH_BASE透過Shift一個AHB1的Offset，來找到AHB1_PERIPH_BASE的位址。

同理，也可以定出GPIOB_BASE以及RCC_BASE。對了，剛才忘了說明，為了要讓我們可以得到Clock Access to GPIOB，我們必須要利用RCC這個Module去ENABLE他。

為了要控制LD3，我們必須要設定這個PIN對應到Register。一般來說，要控制一個Pin，我們會需要設定Direction Register（GPIOx_MODER）以及Data Register(GPIOx_ODR、GPIOx_IDR…)。所有這些有關Register的資訊，我們可以從Reference Manual裡面找到。

這邊我要控制的LD3是PortB的Pin14，因此我們必須要先設定RCC的AHB1_RCCENR。可以看到上圖內容都有所謂的Address Offset，我們可以利用的些我們先前設定的那些Base的地址，經過Shift這些Offset以後，存取到我們想要的地址。這其實有點像是，我們以公寓為例好了，每棟公寓有其對應的地址，像是XX市XX區X號這樣(Base)，而公寓裡面可能又有XXXX號房（Register），而每個Register都有其對應到的記憶體空間，那就是你的房子對應到的坪數的感覺，我自己感覺是這樣啦哈哈哈哈！

因此，根據Reference Manual，我們可以完成我們的程式碼。

// Where is the led connected?
// Port: B

// Pin: 14

#define PERIPH_BASE (0x40000000UL) // unsigned long

#define AHB1_PERIPH_OFFSET (0x00020000UL)
#define AHB1_PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + AHB1_PERIPH_OFFSET)

#define GPIOB_OFFSET (0x00000400UL)
#define GPIOB_BASE (AHB1_PERIPH_BASE + GPIOB_OFFSET)

#define RCC_OFFSET (0x00003800UL)
#define RCC_BASE (AHB1_PERIPH_BASE + RCC_OFFSET)

#define AHB1_EN_R_OFFSET (0x30UL)
#define RCC_AHB1_EN_R (*(volatile unsigned int *)(RCC_BASE + AHB1_EN_R_OFFSET))

#define MODE_R_OFFSET (0x00UL)
#define GPIOB_MODE_R (*(volatile unsigned int *)(GPIOB_BASE + MODE_R_OFFSET))

#define OD_R_OFFSET (0x14UL)
#define GPIOB_OD_R (*(volatile unsigned int *)(GPIOB_BASE + OD_R_OFFSET))

#define GPIOB_EN (1U<<1) // 0b 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010

#define PIN14 (1U<<14)
#define LED_3 PIN14

int main(void)
{
// 1. Enable the clock access to the GPIOB

RCC_AHB1_EN_R |= GPIOB_EN;

// 2. Set PIN14 as output pin

GPIOB_MODE_R |= (1U<<28);
GPIOB_MODE_R &= ~(1U<<29);

while(1)
{
// 3. Set PB14 HIGH
GPIOB_OD_R |= LED_3;

// for(int i = 0; i < 1e6; i++){}
// Toggle PB14
//GPIOA_OD_R ^= LED_PIN;

}
}

其中，對於#define RCC_AHB1_EN_R (*(volatile unsigned int *)(RCC_BASE + AHB1_EN_R_OFFSET))，我當初也是不太懂他的意思（當初學ｃ指標都還給老師…）

簡單來講Volatile是一種是C語言中的修飾詞，網路上有找到有人講的蠻簡單明瞭的，可以參考這裡：https://anal02.pixnet.net/blog/post/117485340-%5Bc%5D-volatile-%E7%9A%84%E7%94%A8%E6%B3%95%E5%92%8C%E7%94%A8%E6%84%8F

簡單講，用了Volatile之後我們可以確保我們對於記憶體的讀寫是正確的。因為我們現在使用的Register是隨時可能被改動的，若我們在Programming時沒有正確的直接從Register的記憶體中拿東西，而是從暫存器中拿，有時候是會出問題的。

再來想講這條程式碼一堆＊的部分哈哈哈哈！因為我真的很久沒有寫指標了，因此想說順便來複習一下，順便寫在這裡。

簡單來講，當我們今天寫簡單的程式碼如下：

程式碼

程式碼輸出

上述程式碼之記憶體運作示意圖（注意：unsigned int的大小為4 byte，因此可以看到兩個變數之間的位址shift了4個byte）

簡單來說，當我們今天宣告一個unsigned int a = 10時，我們會在記憶體位址為0x7fffbab6338c上創建一個整數型別變數量值為10。接著我們宣告一個整數型別指標變數unsigned int *ptra = &a，就是在記憶體位址為0x7fffbab63390上創建一個指整數指標型別變數值為0x7fffbab6338c。這個的流程大概是這樣，基本上記得一個要點即可：&是取變數的地址、*是取地址中的Value。

可以看到我們print出來的結果，前兩行應該沒有問題，第三行的ptra為一整數行別的指標變數，其value為一個地址。第四行*&a，我們對a取其地址，再取其地址下的Value（繞口令？！）。第五行&ptra，我們對ptra取其地址。基本上，藉由簡單的程式碼以及上面的示意圖應該能很好理解指標的概念，我也算是複習完了。

於是，回到我們剛剛的那一行#define RCC_AHB1_EN_R (*(volatile unsigned int *)(RCC_BASE + AHB1_EN_R_OFFSET))，這樣，這一行程式碼應該就很好懂了，其實他就是，將一個unsigned long行別的值，強制轉為unsigned int *型別的值，也就是轉為地址，再接著對這個地址取其值。因此，RCC_AHB1_EN_R這個Macro就代表著實際這個位址的Register的value，我們可以夠過main()裡面依照Reference Manual對裡面的bit做更改，可以控制LD3。

以上，就是我在第一堂課學到的東西。