深入淺出理解STM32 HAL庫的底層邏輯

前言

STM32三種開發(fā)方式

1、直接配置寄存器

2、標準庫

3、HAL庫

HAL庫固件庫安裝與用戶手冊

1、首先設置讓Cube可以自動聯(lián)網下載相關固件庫選擇updater Settings

2、根據芯片選擇所需固件

3、尋找用戶幫助手冊

STM32 HAL庫與標準庫的區(qū)別

1、句柄

• 第一種解釋：句柄是一種特殊的智能指針 。當一個應用程序要引用其他系統(tǒng)（如數(shù)據庫、操作系統(tǒng)）所管理的內存塊或對象時，就要使用句柄。

• 第二種解釋：整個Windows編程的基礎。一個句柄是指使用的一個唯一的整數(shù)值，即一個4字節(jié)(64位程序中為8字節(jié))長的數(shù)值，來標識應用程序中的不同對象和同類中的不同的實例，諸如，一個窗口，按鈕，圖標，滾動條，輸出設備，控件或者文件等。應用程序能夠通過句柄訪問相應的對象的信息，但是句柄不是指針，程序不能利用句柄來直接閱讀文件中的信息。如果句柄不在I/O文件中，它是毫無用處的。句柄是Windows用來標志應用程序中建立的或是使用的唯一整數(shù)，Windows大量使用了句柄來標識對象。

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//串口波特率USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字長為8位數(shù)據格式USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一個停止位USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//無奇偶校驗位USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//無硬件數(shù)據流控制USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; //收發(fā)模式
USART_Init(USART3, &USART_InitStructure); //初始化串口1

• 1、對六個位置進行賦值
• 2、然后引用Init函數(shù)

UART_HandleTypeDef UART1_Handler;

typedef struct{   USART_TypeDef                 *Instance;        /*!< UART registers base address        */   UART_InitTypeDef              Init;             /*!< UART communication parameters      */   uint8_t                       *pTxBuffPtr;      /*!< Pointer to UART Tx transfer Buffer */   uint16_t                      TxXferSize;       /*!< UART Tx Transfer size              */   uint16_t                      TxXferCount;      /*!< UART Tx Transfer Counter           */   uint8_t                       *pRxBuffPtr;      /*!< Pointer to UART Rx transfer Buffer */   uint16_t                      RxXferSize;       /*!< UART Rx Transfer size              */   uint16_t                      RxXferCount;      /*!< UART Rx Transfer Counter           */   DMA_HandleTypeDef             *hdmatx;          /*!< UART Tx DMA Handle parameters      */   DMA_HandleTypeDef             *hdmarx;          /*!< UART Rx DMA Handle parameters      */   HAL_LockTypeDef               Lock;             /*!< Locking object                     */   __IO HAL_UART_StateTypeDef    State;            /*!< UART communication state           */   __IO uint32_t                 ErrorCode;        /*!< UART Error code                    */}UART_HandleTypeDef;

• 1、包含了之前標準庫就有的六個成員（波特率，數(shù)據格式等），

• 2、還包含過采樣、（發(fā)送或接收的）數(shù)據緩存、數(shù)據指針、串口 DMA 相關的變量、各種標志位等等要在整個項目流程中都要設置的各個成員。

  該 UART1_Handler就被稱為串口的句柄，它被貫穿整個USART收發(fā)的流程，比如開啟中斷：

HAL_UART_Receive_IT(&UART1_Handler, (u8 *)aRxBuffer, RXBUFFERSIZE);

比如后面要講到的MSP與Callback回調函數(shù)：

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart);void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);

在這些函數(shù)中，只需要調用初始化時定義的句柄UART1_Handler就好。

2、MSP函數(shù)

• HAL_USART_Init()—>HAL_USART_MspInit() ，先初始化與 MCU無關的串口協(xié)議，再初始化與 MCU 相關的串口引腳。

• 在 STM32 的 HAL 驅動中HAL_PPP_MspInit()作為回調，被 HAL_PPP_Init()函數(shù)所調用。當我們需要移植程序到 STM32F1平臺的時候，我們只需要修改 HAL_PPP_MspInit 函數(shù)內容而不需要修改 HAL_PPP_Init 入口參數(shù)內容。

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart);

void USART3_IRQHandler(void)                 //串口1中斷服務程序{ u8 Res;if(USART_GetITStatus(USART3, USART_IT_RXNE) != RESET)  //接收中斷(接收到的數(shù)據必須是0x0d 0x0a結尾) {  Res =USART_ReceiveData(USART3); //讀取接收到的數(shù)據/*數(shù)據處理區(qū)*/  }           } }

void USART1_IRQHandler(void)                 {  HAL_UART_IRQHandler(&UART1_Handler); //調用HAL庫中斷處理公用函數(shù) /***************省略無關代碼****************/ }

/*HAL庫使用的串口接收緩沖,處理邏輯由HAL庫控制，接收完這個數(shù)組就會調用HAL_UART_RxCpltCallback進行處理這個數(shù)組*//*RXBUFFERSIZE=5*/u8 aRxBuffer[RXBUFFERSIZE];

/*該代碼在HAL_UART_Receive_IT函數(shù)中，初始化時會引用*/    huart->pRxBuffPtr = pData;//aRxBuffer    huart->RxXferSize = Size;//RXBUFFERSIZE    huart->RxXferCount = Size;//RXBUFFERSIZE

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);

STM32 HAL庫結構

• 1、stm32f4xx.h主要包含STM32同系列芯片的不同具體型號的定義，是否使用HAL庫等的定義，接著，其會根據定義的芯片信號包含具體的芯片型號的頭文件：

#if defined(STM32F405xx)#include "stm32f405xx.h"#elif defined(STM32F415xx)#include "stm32f415xx.h"#elif defined(STM32F407xx)#include "stm32f407xx.h"#elif defined(STM32F417xx)#include "stm32f417xx.h"#else#error "Please select first the target STM32F4xx device used in your application (in stm32f2xx.h file)"#endif

• 2、stm32f4xx_hal.h：stm32f4xx_hal.c/h 主要實現(xiàn)HAL庫的初始化、系統(tǒng)滴答相關函數(shù)、及CPU的調試模式配置

• 3、stm32f4xx_hal_conf.h ：該文件是一個用戶級別的配置文件，用來實現(xiàn)對HAL庫的裁剪，其位于用戶文件目錄，不要放在庫目錄中。

• 4、庫文件：stm32f4xx_hal_ppp.c/.h // 主要的外設或者模塊的驅動源文件，包含了該外設的通用API

  stm32f4xx_hal_ppp_ex.c/.h // 外圍設備或模塊驅動程序的擴展文件。這組文件中包含特定型號或者系列的芯片的特殊API。以及如果該特定的芯片內部有不同的實現(xiàn)方式，則該文件中的特殊API將覆蓋_ppp中的通用API。

  stm32f4xx_hal.c/.h // 此文件用于HAL初始化，并且包含DBGMCU、重映射和基于systick的時間延遲等相關的API

• 5、其他庫文件

  用戶級別文件：

  stm32f4xx_hal_msp_template.c // 只有.c沒有.h。它包含用戶應用程序中使用的外設的MSP初始化和反初始化（主程序和回調函數(shù)）。使用者復制到自己目錄下使用模板。

  stm32f4xx_hal_conf_template.h // 用戶級別的庫配置文件模板。使用者復制到自己目錄下使用

  system_stm32f4xx.c // 此文件主要包含SystemInit()函數(shù)，該函數(shù)在剛復位及跳到main之前的啟動過程中被調用。它不在啟動時配置系統(tǒng)時鐘（與標準庫相反）。時鐘的配置在用戶文件中使用HAL API來完成。startup_stm32f4xx.s // 芯片啟動文件，主要包含堆棧定義，終端向量表等 stm32f4xx_it.c/.h // 中斷處理函數(shù)的相關實現(xiàn)

• 6 main.c/.h //

• 初始化/反初始化函數(shù)：

HAL_PPP_Init(), HAL_PPP_DeInit()

• IO 操作函數(shù)：

HAL_PPP_Read(),HAL_PPP_Write(),HAL_PPP_Transmit(), HAL_PPP_Receive()

• 控制函數(shù)：

HAL_PPP_Set (), HAL_PPP_Get ().

• 狀態(tài)和錯誤:

** HAL_PPP_GetState (), HAL_PPP_GetError ().

• 注意：

• 處理外設句柄（實現(xiàn)用戶功能）
• 處理MSP
• 處理各種回調函數(shù)

1、外設句柄定義

• 多實例支持：每個外設/模塊實例都有自己的句柄。因此，實例資源是獨立的下面，以ADC為例，外圍進程相互通信：該句柄用于管理進程例程之間的共享數(shù)據資源。
/**  * @brief  ADC handle Structure definition */typedef struct{ ADC_TypeDef                   *Instance;                   /*!< Register base address */ ADC_InitTypeDef               Init;                        /*!< ADC required parameters */  __IO uint32_t                 NbrOfCurrentConversionRank;  /*!< ADC number of current conversion rank */ DMA_HandleTypeDef             *DMA_Handle;                 /*!< Pointer DMA Handler */ HAL_LockTypeDef               Lock;                        /*!< ADC locking object */ __IO uint32_t                 State;                       /*!< ADC communication state */ __IO uint32_t                 ErrorCode;                   /*!< ADC Error code */}ADC_HandleTypeDef;

• GPIO

• SYSTICK

• NVIC

• RCC

• FLASH

2、 三種編程方式

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Start(ADC_HandleTypeDef* hadc); HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Stop(ADC_HandleTypeDef* hadc);
HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Start_IT(ADC_HandleTypeDef* hadc);HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Stop_IT(ADC_HandleTypeDef* hadc);
HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Start_DMA(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t* pData, uint32_t Length);HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Stop_DMA(ADC_HandleTypeDef* hadc);

__HAL_PPP_ENABLE_IT(HANDLE, INTERRUPT)：使能一個指定的外設中斷__HAL_PPP_DISABLE_IT(HANDLE, INTERRUPT)：失能一個指定的外設中斷__HAL_PPP_GET_IT (HANDLE, __ INTERRUPT __)：獲得一個指定的外設中斷狀態(tài)__HAL_PPP_CLEAR_IT (HANDLE, __ INTERRUPT __)：清除一個指定的外設的中斷狀態(tài)__HAL_PPP_GET_FLAG (HANDLE, FLAG)：獲取一個指定的外設的標志狀態(tài)__HAL_PPP_CLEAR_FLAG (HANDLE, FLAG)：清除一個指定的外設的標志狀態(tài)__HAL_PPP_ENABLE(HANDLE) ：使能外設__HAL_PPP_DISABLE(HANDLE) ：失能外設__HAL_PPP_XXXX (HANDLE, PARAM) ：指定外設的宏定義_HAL_PPP_GET IT_SOURCE (HANDLE, __ INTERRUPT __)：檢查中斷源

3、 三大回調函數(shù)

__weak HAL_StatusTypeDef HAL_InitTick(uint32_t TickPriority){/*Configure the SysTick to have interrupt in 1ms time basis*/ HAL_SYSTICK_Config(SystemCoreClock/1000U);/*Configure the SysTick IRQ priority */ HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, TickPriority ,0U);/* Return function status */return HAL_OK;}

__weak void HAL_SPI_TxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi){/* Prevent unused argument(s) compilation warning */  UNUSED(hspi);/* NOTE : This function should not be modified, when the callback is needed,the HAL_SPI_TxCpltCallback should be implemented in the user file  */}

• 1、外設系統(tǒng)級初始化/解除初始化回調函數(shù)（用戶代碼的第二大部分：對于MSP的處理）：

• 2、處理完成回調函數(shù)：HAL_PPP_ProcessCpltCallback*（Process指具體某種處理，如UART的Tx），

__weak void HAL_SPI_RxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)

HAL_PPP_ErrorCallback

__weak void HAL_SPI_ErrorCallback(SPI_HandleTypeDef hspi)*

• 3、當外設或者DMA出現(xiàn)錯誤時，觸發(fā)終端，該回調函數(shù)會在外設中斷處理函數(shù)或者DMA的中斷處理函數(shù)中被調用

HAL_PPP_ErrorCallback

__weak void HAL_SPI_ErrorCallback(SPI_HandleTypeDef hspi)*

HAL_UART_TxCpltCallbackHAL_UART_TxHalfCpltCallback

HAL庫移植使用

• 1、復制stm32f2xx_hal_msp_template.c，參照該模板，依次實現(xiàn)用到的外設的HAL_PPP_MspInit()和 HAL_PPP_MspDeInit。

• 2、復制stm32f2xx_hal_conf_template.h，用戶可以在此文件中自由裁剪，配置HAL庫。

• 3、在使用HAL庫時，必須先調用函數(shù)：HAL_StatusTypeDef HAL_Init(void)（該函數(shù)在stm32f2xx_hal.c中定義，也就意味著第一點中，必須首先實現(xiàn)HAL_MspInit(void)和HAL_MspDeInit(void)）

• 4、HAL庫與STD庫不同，HAL庫使用RCC中的函數(shù)來配置系統(tǒng)時鐘，用戶需要單獨寫時鐘配置函數(shù)（STD庫默認在system_stm32f2xx.c中）

• 5、關于中斷，HAL提供了中斷處理函數(shù)，只需要調用HAL提供的中斷處理函數(shù)。用戶自己的代碼，不建議先寫到中斷中，而應該寫到HAL提供的回調函數(shù)中。

• 6、對于每一個外設，HAL都提供了回調函數(shù)，回調函數(shù)用來實現(xiàn)用戶自己的代碼。整個調用結構由HAL庫自己完成。

void HAL_UART_IRQHandler(UART_HandleTypeDef *huart);

void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);void HAL_UART_TxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);void HAL_UART_RxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);void HAL_UART_ErrorCallback(UART_HandleTypeDef *huart);

• 1、 配置外設句柄 例如，建立UartConfig.c，在其中定義串口句柄 UART_HandleTypeDef huart;接著使用初始化句柄(HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef huart))

• 2、編寫Msp 例如，建立UartMsp.c，在其中實現(xiàn)void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef huart) 和 void HAL_UART_MspDeInit(UART_HandleTypeDef* huart)

• 3、實現(xiàn)對應的回調函數(shù) 例如，建立UartCallBack.c，在其中實現(xiàn)上文所說明的三大回調函數(shù)中的完成回調函數(shù)和錯誤回調函數(shù)

參考文檔及網文鏈接

深度長文：STM32是如何軟硬件結合，編譯后怎么樣一步步運行起來的