4. 初识寄存器¶
本章配套视频介绍:
《07-初识寄存器(第1节)——什么是寄存器》
https://www.bilibili.com/video/BV1dX4y1J7f4/
《08-初识寄存器(第2节)——寄存器的映射》
https://www.bilibili.com/video/BV1CV411L7Fm/
《09-初识寄存器(第3节)——使用寄存器点亮LED》
https://www.bilibili.com/video/BV1zc411F7hx/
4.1. 寄存器是什么¶
寄存器实际上与 RAM、FLASH 一样，也是芯片内部的一种存储器（Memory）。 一般而言，RAM 是程序运行的内存，FLASH 则是用来保存程序本身。 寄存器与 RAM、FLASH 等存储器的不同之处在于：寄存器除了保存了芯片的功能状态之外， 还是配置和控制芯片的桥梁，我们可以通过寄存器配置和操作芯片的功能。
一般而言，我们在对 MCU 芯片进行编程时有两种编程方式， 一种是寄存器编程，另外一种是固件库编程（或者说库函数编程）。 那么，固件库又是什么东西？固件库说白了其实是通过寄存器编程之后的产物， 它是对寄存器操作的一种封装，最终提供给开发者一套固定的函数API进行调用。
我们可以从以下两种角度来了解寄存器编程与固件库编程的区别。 从程序执行效率的角度来看：一般而言，寄存器编程生成的程序执行效率高， 而固件库编程生成的程序执行效率不如寄存器编程的。 然而从开发者的角度来看：固件库编程使得开发者不必深入理解硬件层面的寄存器细节， 在开发时只需要调用库函数以实现所需的功能，因此可以提高开发者的开发效率。
4.2. 瑞萨RA芯片里面有什么¶
在知道有寄存器这个东西存在后，还需要通过瑞萨官方的芯片数据手册了解它里面有什么， 知道了芯片内部的结构之后，也就知道如何通过寄存器对芯片进行编程了。 所以我们先来看看 RA 系列芯片内部有些什么。
简单来讲，MCU 芯片里面主要有两大部分，一是CPU内核，二是片上外设。 以 RA6M5 芯片为例，RA6M5 所采用的CPU内核是 Cortex-M33（简称CM33）。 该CPU内核由ARM公司设计，但其实ARM公司并不生产芯片，而是出售其芯片技术授权。 芯片生产厂商，比如 Renesas、ST、NXP、TI 等等，他们负责在CPU内核之外设计各个模块并生产整个芯片， 这些内核之外的模块被称为 “核外设备” 或 “片上外设” （Peripheral）。 例如，RA6M5 芯片内部的外设模块：I/O Ports（GPIO）、SCI（串口）、I2C、SPI 等等，这些都叫做片上外设。
实际上，既然有 “核外设备”，那必然也有 “核内设备”，即：CPU 内核（Cortex-M33）内部也是具有一定的设备模块的结构的。 例如，CPU 内部有 NVIC（嵌套向量中断控制器）、FPU（浮点计算单元）等等。
如下图所示，展示了 RA6M5 芯片内部模块与资源：
上图中，我们可以看到有一个标着 “Arm Cortex-M33” 的方框，其所表示的便是 CPU 内核， 其中包含的小方框（DSP、FPU、MPU、NVIC等）属于内核的设备。
除了 “Arm Cortex-M33” 的方框以外，还有很多个大方框，它们对片上的全部外设模块进行了一个分类， 大方框当中的小方框表示的是外设模块，如下：
类别 |
外设模块 |
|---|---|
存储器模块（Memory） |
Flash、SRAM |
直接内存访问（DMA） |
DTC、DMAC |
总线（Bus） |
CSC、MPU |
系统（System） |
POR/LVD、Reset、Mode control、Power control、 ICU、Clocks、CAC、 Battery backup、Register write protection |
定时器（Timers） |
GPT、AGT、RTC、WDT/IWDT |
通讯接口（Communication interfaces） |
SCI、IIC、SPI、QSPI、OSPI、SDHI、ETHERC、 CAN-FD、USBHS、USBFS、CEC |
人机交互接口（Human machine interface） |
CTSU |
模拟（Analog） |
ADC、DAC、TSN |
数据处理（Data processing） |
CRC、DOC |
事件链接（Event link） |
ELC |
安全（Security） |
SCE9 |
可以看到，芯片里面的外设模块有很多。其中部分外设模块是相对简单的，而部分则是非常复杂。 本教程的大部分篇章都是在讲解这些外设模块，我们会由简入难，逐步的了解和使用它们。
CPU 内核结构是复杂的，但是我们不需要细究。 对于一般嵌入式开发来说，需要了解的CPU内核的模块其实很少，重要的只有NVIC、SysTick等，而我们会在后面进行详细介绍。
RA6M5 芯片 Cortex-M33 CPU 内核结构如图所示：
4.3. 存储器映射¶
前文所述，寄存器与 RAM、FLASH 一样都是芯片内部的一种存储设备。 那么，当我们需要访问它们的时候，我们需要知道它们的存储地址。
4.3.1. 存储器映射表¶
如下图所示为 RA6M5 的存储器映射表，可以看到 RA6M5 芯片内部的存储器被映射到这一整块 4G（0 ~ 0xFFFF FFFF）的地址空间中。 我们还可以看到，除了寄存器和 SRAM、Flash 的地址空间区域以外，还存在着其他类型的地址空间区域，比如 QSPI area 和 OSPI area。 Reserved area 表示的是保留区域，尚未用到。
4.3.2. 存储器区域划分¶
存储器本身不具有地址信息，它的地址是由芯片厂商或用户分配，给存储器分配地址的过程就称为存储器映射。 如果给存储器再次分配一个地址就叫存储器重映射。
对于 RA6M5 (176 pin) 芯片，其内部线性地址空间划分为如下区域：
区域地址范围 |
区域用途 |
|---|---|
0x0000_0000 ~ 0x0030_0000 - 1 |
On-chip flash (code flash)：片上Flash（代码） |
0x0100_80F0 ~ 0x0100_81B4 - 1 |
On-chip flash (Factory flash)：片上Flash（出厂保留） |
0x0100_A100 ~ 0x0100_A300 - 1 |
On-chip flash (option-setting flash)：片上Flash（选项设置） |
0x0800_0000 ~ 0x0800_2000 - 1 |
On-chip flash (data flash)：片上Flash（数据） |
0x2000_0000 ~ 0x2008_0000 - 1 |
SRAM0 |
0x2800_0000 ~ 0x2800_0400 - 1 |
Stanby SRAM |
0x4000_0000 ~ 0x4018_0000 - 1 |
Peripheral I/O registers：外设寄存器 |
0x407E_0000 ~ 0x407F_0000 - 1 |
Flash I/O registers：Flash寄存器 |
0x407F_C000 ~ 0x4080_0000 - 1 |
Flash I/O registers：Flash寄存器 |
0x6000_0000 ~ 0x6800_0000 - 1 |
External address space (Quad SPI area)：外部QSPI存储器地址 |
0x6800_0000 ~ 0x8000_0000 - 1 |
External address space (Ouad SPI area)：外部OSPI存储器地址 |
0x8000_0000 ~ 0x8800_0000 - 1 |
External address space (CS area)：外部存储器地址 |
0xE000_0000 ~ 0xFFFF_FFFF |
System for Cortex-M33：处理器内核设备寄存器 |
表格中的 “0x4000_0000 ~ 0x4018_0000 - 1” 区域，也就是 “0x4000_0000 ~ 0x4017_FFFF” 区域， 它映射到了绝大部分外设模块的寄存器。
4.3.3. 外设基地址和外设寄存器地址¶
打开参考文档《RA6M5 Group User’s Manual：Hardware》， 在第19章“I/O Ports”当中的第2小节为“Register Descriptions”，此小节详细描述了外设模块 IOPORT（即GPIO）的寄存器。 我们截取一部分内容来说明，如下图所示。
图中①处为该外设的基地址，也就是IO端口的基地址。 因为 RA6M5 的IO端口不止有一个，而是有16个端口（用 PORTm 表示，m = 0~9, A, B）， 所以每一个端口都有一个基地址，每个端口的基地址都可以用图中的公式来计算出来。
图中②处为该外设寄存器的地址偏移，图中的寄存器为 PCNTR1/PODR/PDR 寄存器， 而“Offset address: 0x000”表示的是该寄存器相对于基地址的偏移量。
举例来说，当我们要读取 PORT1 的 PCNTR1/PODR/PDR 寄存器的值时， 我们要先计算出该寄存器的地址为：(0x40080000 + 0x0020*1)， 然后再把该地址值转换为C语言的指针：(uint32_t *)(0x40080000 + 0x0020*1)， 最后再取值即可读出该寄存器的值：*( (uint32_t *)(0x40080000 + 0x0020*1) )。
需要注意的是，每一种外设模块下面都会有多个寄存器，每个寄存器都有特定的功能。 对于一些功能相对复杂的外设来说，它们的寄存器数量可以达到十几个甚至几十个。 以 IOPORT1 为例，它的基地址为：0x40080020，下表则展示了它部分的寄存器名称、寄存器地址以及相对于基地址的偏移。
寄存器名称 |
寄存器地址 |
相对于基地址的偏移 |
|---|---|---|
PCNTR1/PODR/PDR |
0x40080020 |
0x000 |
PCNTR2/EIDR/PIDR |
0x40080024 |
0x004 |
PCNTR3/PORR/POSR |
0x40080028 |
0x008 |
PCNTR4/EORR/EOSR |
0x4008002C |
0x00C |
注解
注：由于基地址不同，上述表格未包含 PmnPFS 等这些也和 IOPORT1 有关的寄存器。
4.3.4. 外设寄存器¶
下图所示为在文档《RA6M5 Group User’s Manual：Hardware》中描述外设寄存器的一般格式。
说明：
①寄存器名称。
②外设模块基地址及其寄存器偏移地址。
③寄存器位表格。32位MCU的寄存器大小一般为 32 位（bit），占四个字节。 “Bit position”为位号，指示该位处于该寄存器中的位置； “Bit field”为位域，一般不同的位域有不同的作用； “Value after reset”为复位值，指示该位的复位值。
④位域功能说明。这部分为对每一个位域的功能的详细说明。
4.4. 如何用C语言操作寄存器¶
4.4.1. C语言对寄存器的封装¶
前面的所有关于存储器映射的内容，最终都是为大家更好地理解如何用C语言控制读写外设寄存器做准备， 因此此处是本章的重点内容。
4.4.1.1. 外设模块基地址定义¶
在编程上为了方便理解和记忆，我们要把外设模块基地址以相应的宏定义起来，外设基地址都以它们的名字作为宏名的组成部分。 以下是 IO 端口外设基地址的宏定义。
/* 外设基地址 */
#define R_PORT0_BASE 0x40080000
#define R_PORT1_BASE 0x40080020
#define R_PORT2_BASE 0x40080040
#define R_PORT3_BASE 0x40080060
#define R_PORT4_BASE 0x40080080
#define R_PORT5_BASE 0x400800A0
#define R_PORT6_BASE 0x400800C0
#define R_PORT7_BASE 0x400800E0
#define R_PORT8_BASE 0x40080100
#define R_PORT9_BASE 0x40080120
#define R_PORT10_BASE 0x40080140
#define R_PORT11_BASE 0x40080160
#define R_PFS_BASE 0x40080800
#define R_PMISC_BASE 0x40080D00
4.4.1.2. 寄存器结构体定义¶
由于寄存器的数量是非常之多的，如果每个寄存器都用像 *( (uint32_t *)(0x40080000 + 0x0020*1) ) 这样的方式去访问的话，会显得很繁琐、很麻烦。 为了更方便地访问寄存器，我们会借助C语言结构体的特性去定义寄存器和寄存器位域，这是通用的做法。
// 注：关于输入输出端口的声明
/* C语言: IO definitions (access restrictions to peripheral registers) */
//#define __I volatile const /*!< Defines 'read only' permissions */
//#define __O volatile /*!< Defines 'write only' permissions */
//#define __IO volatile /*!< Defines 'read / write' permissions */
/* 下面的宏定义用于结构体成员 */
/* following defines should be used for structure members */
//#define __IM volatile const /*! Defines 'read only' structure member permissions */
//#define __OM volatile /*! Defines 'write only' structure member permissions */
//#define __IOM volatile /*! Defines 'read / write' structure member permissions */
//typedef unsigned char uint8_t;
//typedef unsigned short int uint16_t; /* 无符号16位整型变量 */
//typedef unsigned int uint32_t; /* 无符号32位整型变量 */
/**
* @brief I/O Ports (R_PORT0)
*/
typedef struct /*!< (@ 0x40040000) R_PORT0 Structure */
{
union
{
union
{
__IOM uint32_t PCNTR1; /*!< (@ 0x00000000) Port Control Register 1 */
struct
{
__IOM uint32_t PDR : 16; /*!< [15..0] Pmn Direction（引脚Pmn 方向）*/
__IOM uint32_t PODR : 16; /*!< [31..16] Pmn Output Data（引脚Pmn 输出数据）*/
} PCNTR1_b;
};
/* ... 代码过长省略 ... */
};
union
{
union
{
__IM uint32_t PCNTR2; /*!< (@ 0x00000004) Port Control Register 2 */
struct
{
__IM uint32_t PIDR : 16; /*!< [15..0] Pmn Input Data（引脚Pmn 输入数据）*/
__IM uint32_t EIDR : 16; /*!< [31..16] Pmn Event Input Data（引脚Pmn 事件输入数据）*/
} PCNTR2_b;
};
/* ... 代码过长省略 ... */
};
union
{
union
{
__OM uint32_t PCNTR3; /*!< (@ 0x00000008) Port Control Register 3 */
struct
{
__OM uint32_t POSR : 16; /*!< [15..0] Pmn Output Set（引脚Pmn 输出置位）*/
__OM uint32_t PORR : 16; /*!< [31..16] Pmn Output Reset（引脚Pmn 输出复位）*/
} PCNTR3_b;
};
/* ... 代码过长省略 ... */
};
union
{
union
{
__IOM uint32_t PCNTR4; /*!< (@ 0x0000000C) Port Control Register 4 */
struct
{
__IOM uint32_t EOSR : 16; /*!< [15..0] Pmn Event Output Set（引脚Pmn 事件输出置位）*/
__IOM uint32_t EORR : 16; /*!< [31..16] Pmn Event Output Reset（引脚Pmn 事件输出复位）*/
} PCNTR4_b;
};
/* ... 代码过长省略 ... */
};
} R_PORT0_Type; /*!< Size = 16 (0x10) */
4.4.1.3. 外设模块寄存器定义¶
我们在上一步已经定义好了 R_PORT0_Type 类型的结构体，它包含了 IOPORT 的寄存器定义。 接下来使用宏定义来表示结构体指针，指针指向 IOPORT 外设的每个端口的寄存器首地址。
#define R_PORT0 ((R_PORT0_Type *) R_PORT0_BASE)
#define R_PORT1 ((R_PORT0_Type *) R_PORT1_BASE)
#define R_PORT2 ((R_PORT0_Type *) R_PORT2_BASE)
#define R_PORT3 ((R_PORT0_Type *) R_PORT3_BASE)
#define R_PORT4 ((R_PORT0_Type *) R_PORT4_BASE)
#define R_PORT5 ((R_PORT0_Type *) R_PORT5_BASE)
#define R_PORT6 ((R_PORT0_Type *) R_PORT6_BASE)
#define R_PORT7 ((R_PORT0_Type *) R_PORT7_BASE)
#define R_PORT8 ((R_PORT0_Type *) R_PORT8_BASE)
#define R_PORT9 ((R_PORT0_Type *) R_PORT9_BASE)
#define R_PORT10 ((R_PORT0_Type *) R_PORT10_BASE)
这样便大功告成了，我们就可以使用这些宏来访问各个 IO 端口的每一个寄存器了。
4.4.2. 修改寄存器操作的本质：读-改-写¶
有了以上的对 IOPORT 这个外设模块的寄存器的定义， 我们便完成了“C语言对寄存器的封装”这个步骤，接下来我们便可以使用C语言对寄存器进行各种操作了。
对寄存器进行操作可以是忽略寄存器原本的值，而直接覆盖写入新的值； 但是更为一般的操作是根据原本的寄存器值进行修改，即：先读出寄存器原本的值，然后修改该值，最后重新写入到寄存器里面， 让新的值生效。
接下来将介绍修改寄存器的几种通用方法。
4.4.2.1. 清零寄存器上的某 N 个位¶
使用 C 语言的按位与 “&” 运算符可以将位进行清零。
//清零某个位
R_PORT0->PODR &= ~(1u<<0); //清零PODR寄存器的第0位
R_PORT0->PODR &= ~(1u<<6); //清零PODR寄存器的第6位
//清零多个位
R_PORT0->PODR &= ~(3u<<0); //清零PODR寄存器的第0,1位
R_PORT0->PODR &= ~(3u<<6); //清零PODR寄存器的第6,7位