嵌入式开发中对寄存器配置和外设地址映射解析
嵌入式开发中对寄存器配置和外设地址映射解析
寄存器配置与外设地址映射是嵌入式系统开发中的一个重要概念，特别是在单片机编程中。寄存器就像是整个单片机系统的骨架，支撑着整个系统的运行与控制。
什么是寄存器和寄存器映射？
寄存器的本质其实是集成在单片机内部的一组内存单元，芯片厂商或者用户根据相关功能给这个内存单元去一个别名，这个别名就是寄存器，这个取名字的过程就是寄存器映射。简单举个例子，我们把所有功能部件（片上外设）排列在一个4GB大小的内存空间，我们要实现对某个外设的控制就要去访问某个外设所在的存储空间，将这个存储空间细分为若干个存储单元，每个存储单元所代表的功能不一样。这些根据功能定义的特殊的存储单元就叫做寄存器。给内存单元分配地址，即内存空间里的每个最小存储单元（寄存器）都会有一个地址，我们给这个地址命名的过程就是寄存器映射。
为什么需要寄存器映射？
片上外设每一个单元都对应了一个起始地址，我们可以通过指针的操作方式直接操作这些地址，以实现对外设的控制，但是每次通过地址访问，不太好记忆，非常容易出错。所以我们通过寄存器寄存器映射将寄存器地址映射到寄存器的名字（厂家或者用户命名，最后会封装成库）。
用更通俗易懂的方式来理解为什么在单片机开发中要使用寄存器映射：
遥控器比喻：
想象一下，你的电视机有一个遥控器，每个按钮都对应电视机的一个功能。在单片机中，寄存器就像是遥控器上的按钮，每个按钮（寄存器）都可以控制电视机（单片机）的一个特定功能。通过按不同的按钮，你可以打开电视、调整音量或者换台。同样，在单片机中，通过改变寄存器的值，你可以控制LED灯的开关、读取传感器的数据或者发送数据到电脑。直接对话：
寄存器映射就像是给你一个直接和单片机的各个部分对话的方式。你不需要通过复杂的中介，可以直接告诉单片机的某个部分（比如一个LED灯）你需要它做什么。这种方式简单直接，而且速度快。快速通道：
如果你把单片机想象成一个繁忙的工厂，寄存器映射就像是一条快速通道，让你可以直接到达工厂的任何部分。这条通道比普通的道路（比如通过复杂的软件指令）要快得多，因为它是专门为快速访问设计的。统一的操作方式：
不管你是想控制一个LED灯还是读取一个温度传感器的数据，你都可以用同样的方式——改变寄存器的值。这就像是无论你是想烤面包还是煮咖啡，你都可以用同一个操作界面（比如一个智能厨房设备）来完成。减少错误：
使用寄存器映射可以减少错误，因为它提供了一种标准化的方式来控制硬件。就像使用遥控器，每个按钮都有明确的功能，你不需要担心会按错按钮。节省时间和资源：
因为寄存器映射允许你直接控制硬件，所以你可以更快地完成任务，不需要额外的步骤或资源。这就像是直接用钥匙开车门，而不是找车钥匙、解锁车门、再打开车门一样。
总的来说，寄存器映射让单片机开发变得更加简单、快速和直接，就像使用遥控器控制家电一样方便。
为什么需要对寄存器进行配置？
在单片机开发中，最核心的任务也就是通过对外设的控制去实现相关功能，而这个对外设的控制过程本质上也就是通过对寄存器的配置来实现的。单片机是一种集成了中央处理器（CPU）、内存和各种输入输出接口的微型计算机，在单片机内部，寄存器是一种特殊的存储单元，他们用于暂存指令、数据和地址，是CPU执行数据处理的基础，并且与CPU直接相连，访问速度非常快。通过配置寄存器，我们可以改变外设的工作模式、状态以及与其他外设的交互方式，从而实现对外设的精准控制。
如何配置寄存器？
配置寄存器，也就是通过向寄存器的地址写入特定的数据来实现的。我们可以通过芯片手册来查询寄存器的地址和相应的操作。编写相应的配置代码时，通常涉及到位操作。如设置位（设置某位为高电平）和清除位（设置某位为低电平）
设置位：使用逻辑或（OR）操作来设置寄存器中的特定位。例如，如果要将寄存器某位设置为1，可以将该位对应的位置为1，其余位保持不变，然后将该值与寄存器当前的值进行逻辑或操作。
清除位：使用逻辑与（AND）和取反（NOT）操作来清除寄存器中的特定位。首先，创建一个掩码，该掩码在要清除的位上为0，其余位上为1。然后，对该掩码进行取反操作，得到一个新的值，其中只有要清除的位上为1。最后，将寄存器当前的值与该新值进行逻辑与操作，即可清除特定位。
各个外设是如何映射到地址的？
在MCU设计时，芯片制造商会根据外设的功能和需求为其分配特定的地址空间。这些地址空间在内存映射表中体现，每个外设都对应了一个或者多个寄存器地址，与此同时，每个寄存器也被分配了特定的地址，并映射到特定的内存空间中。以STM32为例，片上外设区分为三条总线，一条低速APB1总线,挂载着低速外设，两条高速总线：AHB和APB2，挂载着高速外设。相应总线的最低地址我们称其为基地址，总线基地址也是挂载在该总线上的首个外设的地址。其中APB1的地址最低，片上外设从这个地址开始，也叫外设基地址。