STM32 HAL库详解

2023-05-16

STM32 HAL库整体总结

STM32 之二 HAL库详解及手动移植

本篇博客是对以上参考资源的一个二次总结与整理。

1. HAL库文件结构

对于开发人员而言，首先要清楚 HAL 库的文件结构。

根据文件类型可认为以下两大类：

库文件：
	stm32f2xx_hal_ppp.c/.h			// 主要的外设或者模块的驱动源文件，包含了该外设的通用API
	stm32f2xx_hal_ppp_ex.c/.h		// 外围设备或模块驱动程序的扩展文件。这组文件中包含特定型号或者系列的芯片的特殊API。以及如果该特定的芯片内部有不同的实现方式，则该文件中的特殊API将覆盖_ppp中的通用API。
	stm32f2xx_hal.c/.h				// 此文件用于HAL初始化，并且包含DBGMCU、重映射和基于systick的时间延迟等相关的API
	其他库文件
用户级别文件：
	stm32f2xx_hal_msp_template.c	// 只有.c没有.h。它包含用户应用程序中使用的外设的MSP初始化和反初始化（主程序和回调函数）。使用者复制到自己目录下使用模板。
	stm32f2xx_hal_conf_template.h	// 用户级别的库配置文件模板。使用者复制到自己目录下使用
	system_stm32f2xx.c				// 此文件主要包含SystemInit()函数，该函数在刚复位及跳到main之前的启动过程中被调用。 **它不在启动时配置系统时钟（与标准库相反）**。 时钟的配置在用户文件中使用HAL API来完成。
	startup_stm32f2xx.s				// 芯片启动文件，主要包含堆栈定义，终端向量表等
	stm32f2xx_it.c/.h				// 中断服务函数的相关实现
	main.c/.h						//

与我们密切相关的有

主函数： main.c/.h
MSP初始化： stm32f2xx_hal_msp_template.c
中断服务函数： stm32f2xx_it.c/.h

2. HAL库用户代码

HAL 库对底层进行了抽象，在此结构下，用户代码处理可分为三大部分：

句柄
MSP
回调函数

关于这三点，也可参考这里进行理解，

1、关于句柄

HAL库在结构上，对每个外设抽象成了一个称为ppp_HandleTypeDef的结构体，其中ppp就是每个外设的名字。

与标准库中的结构体相比，HAL 库中的结构体包含了其可能出现的所有定义，比如用户想要使用ADC，只要定义一个ADC_HandleTypeDef的全局变量，针对不同的应用场景配置不同结构体成员就可以满足使用要求。

2、MSP
MSP（MCU Specific Package，单片机的具体方案），是指和MCU相关的初始化

初始化函数包含的内容可分为两部分：

一部分是与MCU无关的，通信协议；
一部分是与MCU相关的，引脚功能。

这里可以结合博主关于串口的说明USART and UART进行理解。

以串口为例，在 MX_USART1_UART_Init(void) 函数中初始化串口的波特率、停止位、奇偶校验等，这部分代码是与串口协议相关的，并未涉及到具体的引脚，因此与 MCU 是无关的，是抽象的。

static void MX_USART1_UART_Init(void)
{

  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;  
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  huart1.Init.OneBitSampling = UART_ONE_BIT_SAMPLE_DISABLE;
  huart1.AdvancedInit.AdvFeatureInit = UART_ADVFEATURE_NO_INIT;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
  {
    _Error_Handler(__FILE__, __LINE__);
  }
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_IDLE);

}

在 stm32f0xx_hal_msp.c 文件中的 HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* huart) 函数中将串口所时用的 MCU 引脚模式进行配置，这部分是与 MCU 具体相关的。

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* huart)
{
  // 关于 GPIO 引脚初始化的流程与上面介绍的“四步”相同
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  if(huart->Instance==USART2)   // USART 2
  {
  /* USER CODE BEGIN USART2_MspInit 0 */

  /* USER CODE END USART2_MspInit 0 */
    /* Peripheral clock enable */
    __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE(); // 使能串口时钟
  
    /**USART2 GPIO Configuration    
    PA2     ------> USART2_TX
    PA3     ------> USART2_RX 
    */
    GPIO_InitStruct.Pin = USART2_TX_Pin|USART2_RX_Pin;  // 收发引脚
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;  // 复用推挽输出
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF1_USART2;  // 复用功能配置
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);  // 结构体初始化

    /* USART2 DMA Init */    // DMA 方式收发初始化
    /* USART2_RX Init */
    hdma_usart2_rx.Instance = DMA1_Channel3;
    hdma_usart2_rx.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
    hdma_usart2_rx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
    hdma_usart2_rx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
    hdma_usart2_rx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
    hdma_usart2_rx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
    hdma_usart2_rx.Init.Mode = DMA_NORMAL;
    hdma_usart2_rx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;
    if (HAL_DMA_Init(&hdma_usart2_rx) != HAL_OK)
    {
      _Error_Handler(__FILE__, __LINE__);
    }

    __HAL_DMA1_REMAP(HAL_DMA1_CH3_USART2_RX);

    __HAL_LINKDMA(huart,hdmarx,hdma_usart2_rx);

    /* USART2_TX Init */
    hdma_usart2_tx.Instance = DMA1_Channel4;
    hdma_usart2_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
    hdma_usart2_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
    hdma_usart2_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
    hdma_usart2_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
    hdma_usart2_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
    hdma_usart2_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL;
    hdma_usart2_tx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;
    if (HAL_DMA_Init(&hdma_usart2_tx) != HAL_OK)
    {
      _Error_Handler(__FILE__, __LINE__);
    }

    __HAL_DMA1_REMAP(HAL_DMA1_CH4_USART2_TX);

    __HAL_LINKDMA(huart,hdmatx,hdma_usart2_tx);

    /* USART2 interrupt Init */
    HAL_NVIC_SetPriority(USART2_IRQn, 0, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(USART2_IRQn);
  /* USER CODE BEGIN USART2_MspInit 1 */

  /* USER CODE END USART2_MspInit 1 */
  }
}

3、回调函数
在标准库中，串口中断了以后，我们要先在中断中判断是否是接收中断，然后读出数据，顺便清除中断标志位，然后再是对数据的处理。这样如果我们在一个中断函数中写这么多代码，就会显得很混乱。

而在HAL库中，以GPIO为例，进入中断后，直接由HAL库中断函数HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler() 进行托管。
而该函数主要完成两项任务：

清除中断标志位
调用回调函数处理中断

// EXIT 外部中断服务函数
void EXTI0_1_IRQHandler(void)
{
  HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_10);
}


// HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_10)函数如下
void HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(uint16_t GPIO_Pin)
{
  /* EXTI line interrupt detected */
  if(__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(GPIO_Pin) != RESET) 
  { 
    __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(GPIO_Pin);
    HAL_GPIO_EXTI_Callback(GPIO_Pin);
  }
}

在回调函数内对中断进行处理，这种方式增强了代码的逻辑性，但也增加了文件的嵌套程度。

3. HAL库编程方式

在 HAL 库中对外设模型进行了统一，支持三种编程方式：

轮询模式/阻塞模式
中断方式
DMA模式

以IIC为例，三种编程模式对应的函数如下：

1、轮询模式/阻塞模式

HAL_I2C_Master_Transmit()；  
HAL_I2C_Master_Receive()；  
HAL_I2C_Slave_Transmit()；  
HAL_I2C_Slave_Receive()
HAL_I2C_Mem_Write()；       
HAL_I2C_Mem_Read()；   
HAL_I2C_IsDeviceReady()

2、中断模式

HAL_I2C_Master_Transmit_IT()；    
HAL_I2C_Master_Receive_IT()；  
HAL_I2C_Slave_Transmit_IT()
HAL_I2C_Slave_Receive_IT()；    
HAL_I2C_Mem_Write_IT()；       
HAL_I2C_Mem_Read_IT()

3、DMA模式

HAL_I2C_Master_Transmit_DMA()；   
HAL_I2C_Master_Receive_DMA()；   
HAL_I2C_Slave_Transmit_DMA()；    
HAL_I2C_Slave_Receive_DMA()；    
HAL_I2C_Mem_Write_DMA()；     
HAL_I2C_Mem_Read_DMA()

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