深入淺出理解STM32HAL庫的底層邏輯

前言

STM32三種開發方式

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（如數據庫、操作系統）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值，即一個4字節(64位程序中為8字節)長的數值，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，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;//無硬件數據流控制USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; //收發模式
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

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，數據格式等），

• 2、還包含過采樣、（發送或接收的）數據緩存、數據指針、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：

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

在這些函數中，只需要調用初始化時定義的句柄UART1_Handler就好。

2、MSP函數

• HAL_USART_Init()—>HAL_USART_MspInit() ，先初始化與 MCU無關的串口協議，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 函數內容而不需要修改 HAL_PPP_Init 入口參數內容。

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(接收到的數據必須是0x0d 0x0a結尾) {  Res =USART_ReceiveData(USART3); //讀取接收到的數據/*數據處理區*/  }           } }

void USART1_IRQHandler(void)                 {  HAL_UART_IRQHandler(&UART1_Handler); //調用HAL庫中斷處理公用函數 /***************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，接收完這個數組就會調用HAL_UART_RxCpltCallback進行處理這個數組*//*RXBUFFERSIZE=5*/u8 aRxBuffer[RXBUFFERSIZE];

/*該代碼在HAL_UART_Receive_IT函數中，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HAL庫的初始化、系統滴答相關函數、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）。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，該函數在剛復位及跳到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 // 中斷處理函數的相關實現

• 6 main.c/.h //

• 初始化/反初始化函數：

HAL_PPP_Init(), HAL_PPP_DeInit()

• IO 操作函數：

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

• 控制函數：

HAL_PPP_Set (), HAL_PPP_Get ().

• 狀態和錯誤:

** HAL_PPP_GetState (), HAL_PPP_GetError ().

• 注意：

• 處理外設句柄（實現用戶功能）
• 處理MSP
• 處理各種回調函數

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__HAL_PPP_CLEAR_IT (HANDLE, __ INTERRUPT __)：清除一個指定的外設的中斷狀態__HAL_PPP_GET_FLAG (HANDLE, FLAG)：獲取一個指定的外設的標志狀態__HAL_PPP_CLEAR_FLAG (HANDLE, FLAG)：清除一個指定的外設的標志狀態__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

__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、外設系統級初始化/解除初始化回調函數（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：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出現錯誤時，觸發終端，該回調函數會在外設中斷處理函數或者DMA的中斷處理函數中被調用

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：HAL_StatusTypeDef HAL_Init(void)（該函數在stm32f2xx_hal.c中定義，也就意味著第一點中，必須首先實現HAL_MspInit(void)和HAL_MspDeInit(void)）

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

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

• 6、對于每一個外設，HAL都提供了回調函數，回調函數用來實現用戶自己的代碼。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void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef huart) 和 void HAL_UART_MspDeInit(UART_HandleTypeDef* huart)

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

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