ペリフェラルライブラリだけを使用する場合はレジスタマップを意識する必要はありませんが、マイコンのレジスタがライブラリ内でどのように操作されているか理解することはマイコンのスキルアップにつながります。

見方を変えると、ライブラリを使用しないでレジスタを操作できるようなレベルになると、各マイコンメーカーの提供するライブラリやツールに頼ることなしに開発ができるので最強です。

ここではペリフェラルライブラリがどのようにペリフェラルの制御レジスタを操作しているかを見てみましょう。ペリフェラルライブラリをブラックボックスとして仕組みを理解しなくてもマイコン開発は可能です。しかもレジスタの操作を理解することは入門者とくにプログラミングにあまり慣れていない人にはとても難解と思われるのでとばしてもらってもかまいません。

マイコン上級者ともなりメーカー作成のライブラリに頼らず直接レジスタを操作できるとプログラムコードも小さく処理速度を向上させたアプリケーションを作成できるようになります。必須のスキルではありませんが必要に応じて使えるようになればより応用力がつき強力なスキルとなるでしょう。

前章において汎用入出力GPIOA_1ピンをペリフェラルライブラリによりプッシュプル出力に設定した仕組みをたどっていきましょう。

ペリフェラルのメモリマップを示します。この中でGPIOポートAのメモリ上のベースアドレスは32bit表記の0x40010800です。

実際のプログラムでライブラリがどのような機能をしているかを確認していきましょう。

構造体でまとめられている部分の詳細を確認してみましょう。パラメータは分類ごとに構造体によりまとめられています。

それではレジスタアドレスと設定パラメータが初期化関数GPIO_Init(GPIOx, &GPIO_InitStructure)でどのような処理が行われてレジスタを操作しているかを解説してみます。

実際のプログラムはGPIOライブラリ本体stm32f10x_gpio.c内のGPIO_init()関数の部分ですので余力のあるひとは確認してみてください。

以上が初期化関数GPIO_Init(GPIOx, &GPIO_InitStructure)で行われる処理です。

ペリフェラルの初期設定ではGPIOに限らず該当する制御レジスタのアドレスを特定して、設定したいパラメータを書き込むことをペリフェラルライブラリ（デバイスドライバ）を使ったり、レジスタに直接書き込んだりして設定するわけです。

ペリフェラルライブラリは制御レジスタを知らなくても簡単に使いこなせてしまう便利な反面、冗長な部分もありますので、プログラムコードサイズを小さくし、より処理速度の向上を追求する場合には直接レジスタを操作する必要がでてくる場合があります。

処理速度もプログラム格納のメモリサイズも十分な高性能なマイコンを使うのであればより便利なペリフェラルライブラリだけを使って開発はアプリケーションに集中するのもいいかもしれません。

仕様書にある周辺機能（ペリフェラル）の制御レジスタを簡単に設定できるようなドライバがペリフェラルライブラリです。これ以降、実際に当サイトでとりあげるマイコンをもとに具体的な解説をすすめていきます。以後周辺機能はペリフェラルと呼びます。

ターゲットマイコンのモデルタイプはARM　Cortex-M3マイコンのSTM32F103RBです。STM32F103RBマイコンの仕様表を示します。このマイコンはシリーズのミディアムパフォーマンスラインモデルです。

STM32F103RBマイコン内部は複雑ですが、簡略化すると下図のブロック図のようになります。

CPUとメモリ類はAHB（高速転送バス）で接続されており、一方ペリフェラルはAPB（高機能周辺回路バス）で接続されています。APB（Advanced Peripheral Bus）はAPB1とAPB2の2つに分けられており、APB1には低速なペリフェラルが接続されており、APB2には高速なペリフェラルが接続されています。

ペリフェラルは使用する機能だけ選択してONにし、使用しない機能はOFFにすることで消費電力を押さえることができます。

ピン配置を下図に示します。図の見方ですが、左下PA1（15）のピンはGPIOのポートAの1番目、つまりGPIOA_1を意味します。PA1のピンには汎用入出力以外にも複数の機能を共有しています。設定の仕方は後ほど詳しく説明します。

ARMマイコンが性能の割に消費電力が低いのは使っていない部分をきめ細かくOFFできるからです。
各ペリフェラルは個々にON/OFFの切り替え設定ができます。これは自動で行われるのでなくプログラム作成時に機能選択します。 

総合開発環境でライブラリは下図のように収められています。このうち「CMSIS」フォルダはARMマイコンコア用のライブラリです。基本的に操作することはないと思います。

このフォルダツリーで「STM32F10x_StdPeriph_Driver」フォルダ以下のファイルが各ペリフェラルのライブラリ群でSPL（Standard Peripheral Libraries）です。内容を確認してみるとライブラリ内にはC言語で記述された関数が機能設定ごとに複数定義されています。この関数が制御レジスタを操作しており、関数に与えるパラメータがマイコンのもつ各ペリフェラルの設定値となるのです。

名称がSTM32F10x_なのでこのライブラリはSTM10xシリーズマイコンが対象であることを意味しています。STM32F4シリーズなど仕様の異なるマイコンには使用できずその都度仕様にあったプロジェクトを新規作成して相当のライブラリを使用する必要があります。

ペリフェラルライブラリのファイルを以下の表に示しますがとりわけよく使われるものを太字で示しています。使用するペリフェラルのライブラリの本体はstm32f10x_xxxx.cとヘッダファイルstm32f10x_xxxx.hで関数が機能設定ごとに定義されています。

ペリフェラルライブラリの各種関数を呼び出すためにはstm32f10x.hをアプリプログラム内にインクルードしておく必要があります。

ペリフェラルライブラリにはペリフェラルごとに多くのヘッダファイルがありますが、それらはstm32f10x.hから呼び出されるようになっているため、stm32f10x.hをインクルードしておくだけでペリフェラルライブラリの機能全体を使用できます。

ヘッダファイルstm32f10x.h自体は「CMSIS」フォルダ以下「Device」-「ST」-「STM32F10x」-「Include」にあります。

例えば、ライブラリの中でGPIOのヘッダファイルはstm32f10x_gpio.hでライブラリ本体はstm32f10x_gpio.cです。

ここで、ペリフェラルを使えるようにするためのフローチャートをGPIOAのPin1をプッシュプル出力に設定する例で示します。ここでは設定の内容は理解できなくてもよいので流れを掴んでください。

初期状態ではペリフェラルはOFF（クロックが供給されていない状態）なのでONにするためにクロックを供給します①。次に初期化変数に初期値を設定してから②、初期化を実行します③。ペリフェラルによっては、別途起動④やキャリブレーション⑤が必要となります。
こうして、ペリフェラルは初期化を終えた段階になってアプリケーションプログラム内で任意に使用できるようになります。

初期化を設定してからクロックを供給しても設定は反映されません。
ペリフェラルの初期化変数はGPIOの場合はGPIO_InitTypeDef型の構造体変数で初期化を実行するGPIO_Init関数にパラメータを渡しています（②の部分）。GPIO_InitTypeDef型の構造体変数はライブラリstm32f10x_gpioのヘッダファイルstm32f10x_gpio.hの中で定義されています。

他のペリフェラルも同様にライブラリの中で定義されています。ペリフェラルの中でもタイマなどは高機能のために、初期化変数は機能ごとのグループ数種類に分かれた構造体変数となっています。設定するパラメータも多種類にわたります。詳細は各ペリフェラルで解説します。

ペリフェラルをONさせるにはクロックを供給することは前述しました。低速なペリフェラルにはバスAPB1が接続されて、高速なペリフェラルにはバスAPB2が接続されているため、ペリフェラルのクロック供給も対象のバスのもので行います。バスAPB1とAPB2に接続されているペリフェラルの定義されたマクロ名をそれぞれ下表にまとめました。

各ペリフェラルはAPB1に属するものはRCC_APB1PeriphClockCmd関数、APB2に属するものはRCC_APB1PeriphClockCmd関数を実行し、クロックを供給しON/OFFを設定します。”ENABLE”でON、”DISABLE”でOFFとなります。

各ペリフェラルの制御レジスタにはたくさんの機能が割り当てられています。例えば、GPIOでは入力と出力の仕様選択、入力の場合は扱う信号によりアナログ、プルアップ、プルダウン、デジタル電圧入力の4種類の信号仕様選択などがあります。

制御レジスタはメモリの一種ですので各々設定するレジスタにはアドレスがあります。STM32マイコンでは32ビットのアドレスで、例えば、具体的にはGPIOAのピン1の入出力仕様を選択するレジスタはGPIOA_CRLでアドレスは0x40010800です。この特定されたアドレスのレジスタに上記の仕様機能が割り当てられていて、デジタル値の0(OFF)と1(ON)の組み合わせで指定するのです。

マイコンはデジタルシステムで多数のスイッチを組み合わせて機能するものですので制御レジスタに0と1を書き込むことで仕様を選択できるのです。

マイコンにはさまざまな周辺機能（ペリフェラル）が内蔵されています。代表的なものに汎用入出力GPIOがありますがマイコンの各ピンに入出力の機能詳細を定義するためにはGPIO制御レジスタを設定する必要があります。

マイコンのリファレンスマニュアルにはレジスタ詳細について記述されていますが、このマニュアル通りにレジスタ設定のプログラムを作成していくことは慣れているひとでも大変です。マイコンを使った組み込みエンジニアはアプリケーション作成が重要なのであって、各社種々あるマイコンのハードウェア寄りの部分の理解と設定に労力を費やしたくはありません。

そこで、マイコン各メーカーはハードウェアの操作を行うためのデバイスドライバとしてペリフェラルライブラリであるファームウェアを用意しています。このため、一度、使用するマイコン機種のハードウェアに依存する部分であるペリフェラルライブラリ（デバイスドライバ）の使い方を把握すると、後はアプリケーションの開発だけに集中できます。

組み込み機器によってはファームウェアによらず制御レジスタを直接設定することにより、プログラムサイズを小さくしたり、応答速度などのパフォーマンスをあげたりすることができますので組み込みスキルがあがり慣れるにしたがって、挑戦してみてはいかがでしょうか。

比較的簡素で単機能な組み込み機器である場合は、デバイスドライバとアプリケーションソフトだけでソフトウェアは構成できますが(構成A)、モニター表示しながら通信を同時におこない、さらにモーターを駆動するような多機能な組み込み機器では同時に並列で色々な機能を動作させたいので、このような場合はOS（Operation System）が必要となってきます（構成B）。

組み込み機器ではリアルタイムでの制御が必要となるためRTOS（RealTime Operation System）を使用します。さらにEthernet通信などを組み込む場合などはソフトウェアの通信プロトコルスタックを搭載させる必要がでてきますがこのようなソフトウェアをミドルウェアといいます（構成C）。

アプリケーションはシステム構成内では最上位にあたるプログラムですが、これはハードウェアにまったく影響を受けない部分ですのでどの種類のマイコンでも使用できます（多少の修正は必要な場合はあります）。ただし、ビット数の異なるマイコン（32bitマイコンから8bitマイコンへ）間ではそのままでは互換性はないと認識してください。

当サイトで採用するマイコンはARM Cortex-M3コア搭載のSTM32F1シリーズでファームウェアはStandrd Peripheral Library(SPL)と呼ばれているペリフェラルライブラリ（デバイスドライバ）を使用します。

メーカーでは技術の進歩に合わせて新しく高性能のマイコンを開発、リリースすると同時に開発環境も更新していきます。当然、ファームウェアも更新していくわけですが、ファームウェアはSPLからHAL（Hardware Abstraction Layer）とよばれるライブラリに移行している段階です。

HALの特徴はSTM32マイコンからの移植性も考慮した抽象度の高いドライバで開発期間を短縮できる利便性を追求したものです。今後はSTM32マイコンではHALを中心に開発を進めていくことになるのでしょうが、プログラムコードサイズは大きくなりブラックボックス的な要素があります。

マイコンの基礎を理解したうえで使用するにはよいのですが、これから組み込み技術の習得を目指すものがHALから始めると表面的なところは理解できてもつぶしが効かない知識のみが残るといった事態にもなりかねません。

当サイトは組み込み技術の入門者向けのため、あえてHALは使用せずSPLで進めていくことにします。SPLはシンプルで制御レジスタとの関連がわかりやすいマクロとなっており、プログラムのコードサイズも比較的小さいものです。

SPLのもう一つの利点は使用するにあたっての情報が豊富なことです。インターネットであれば大概の使い方の情報や使用応用例は取得できます。集中的に学習するとマイコンの使い方自体はすぐにでも身につくのではないでしょうか。

大事なのはその先のシステム設計を含めシステムのすぐれたアプリケーションを構築するまでのスキルですが、それはどのマイコンシステムでも普遍のスキルです。SPLはマイコンの概念的なところが理解しやすいので学習には向いており他のマイコンシステムに移行するにもスムーズであると思います。組み込み技術の基礎スキルを身につけて、応用に活かすことが本サイトの趣旨であることを常に心がけておいてください。