HAL庫的框架結構

1 初始HAL庫

1.1 CMSIS簡介

基于Cortex系列芯片采用的內(nèi)核都是相同的，區(qū)別主要為核外的片上外設的差異，這些差異卻導致軟件在同內(nèi)核，不同外設的芯片上移植困難。為了解決不同的芯片廠商生產(chǎn)的Cortex微控制器軟件 的兼容性問題，ARM與芯片廠商建立了CMSIS標準(Cortex MicroController Software Interface Standard)。

Cortex微控制器軟件接口標準（Cortex Microcontroller Software Interface Standard）是ARM和一些編譯器廠家以及半導體廠家共同遵循的一套標準，是由ARM提出，專門針對CORTEX-M系列的標準。在該標準的約定下，ARM和芯片廠商會提供一些通用的API接口來訪問CORTEX內(nèi)核以及一些專用外設，以減少更換芯片以及開發(fā)工具等移植工作所帶來的金錢以及時間上的消耗。

以下是ARM官網(wǎng)關于CMSIS的架構圖

可見，CMSIS層位于硬件層與操作系統(tǒng)或用戶層之間，提供了與芯片生產(chǎn)商無關的硬件抽象層，可以為接口外設、實時操作系統(tǒng)提供簡單的處理器軟件接口，屏蔽了硬件差異，這對軟件的移植是有極大的好處的。STM32的庫，就是按照CMSIS標準建立的。

1.2 HAL庫簡介

ST 為了方便用戶開發(fā) STM32芯片開發(fā)提供了三種庫：

1. 標準外設庫 ：Standard Peripheral Libraries F0/F1/F3/F2/F4/L1目前已停止維護。
2. HAL庫：Hardware Abstraction Layer 全系列兼容，ST目前主推的庫，具有強兼容性、易移植性，但效率較低。
3. LL庫：Low Layer 全系列兼容，與HAL庫捆綁發(fā)布，輕量級、效率高，但不匹配部分復雜外設。

三種庫比較：

1.3 MCU固件包

STM32微控制器各個產(chǎn)品系列都有獨立的MCU固件包，HAL庫屬于MCU固件包的一部分。

MCU固件包文件結構：

• Drivers：文件夾下是官方的CMSISI庫，HAL庫，板載外設驅(qū)動。
  
  • CMSIS：由ARM公司提供的Cortex微控制器軟件接口標準，包括Cortex內(nèi)核寄存器定義、啟動文件等。
  • STM32F1xx_HAL_Driver：STM32微控制器片內(nèi)外設的HAL庫驅(qū)動文件stm32f1xx_hal_ppp.h，stm32f1xx_hal_ppp.c。
  • BSP：基于HAL庫開發(fā)的官方開發(fā)板的板級支持包，提供指示燈、按鍵等外圍電路的驅(qū)動程序，用于適配ST官方的開發(fā)板（可參考）。
• Middleware：中間件，包含ST官方的STemWin、 STM32_Audio、STM32_USB_Device_Library、STM32_USB_Host_Library；也有第三方的fatfs文件系統(tǒng)等等。
  
  
• Projects：文件夾下是用驅(qū)動庫寫的針對官方發(fā)行demo板的例子和工程模板。
  
• Templates：各集成開發(fā)環(huán)境的工程模板。
• Examples：針對MCU片內(nèi)外設的簡單例程，如GPIO、UART等。
• Applications：針對單個中間件的應用例程。
• Demonstations：針對多個中間件的綜合應用例程。
• Utilities：實用的公用組件比如LCD_LOG實用液晶打印調(diào)試信息。

1.4 HAL庫框架結構

HAL庫文件夾結構

Src(Source)：外設驅(qū)動源碼，Inc(Include)：外設驅(qū)動源碼頭文件。

HAL庫文件介紹：

• stm32f1xx_hal.c, stm32f1xx_hal.h
  HAL庫初始化、系統(tǒng)滴答、HAL庫延時等相關函數(shù)
• stm32f1xx_hal_conf.h
  HAL庫的用戶配置文件，用于裁剪HAL庫、配置晶振參數(shù)等
• stm32f1xx_hal_def.h
  包含HAL庫通用的枚舉類型數(shù)據(jù)和宏定義
• stm32f1xx_hal_cortex.h, stm32f1xx_hal_cortex.c
  內(nèi)核通用函數(shù)定義和聲明，如NVIC、MPU、系統(tǒng)軟復位、Systick等，其實主要是對core_cm3.h 文件的相關函數(shù)再次封裝。
• stm32f1xx_hal_ppp.c, stm32f1xx_hal_ppp.h
  某任意外設驅(qū)動源碼，PPP表示任意外設
• stm32f1xx_hal_ppp_ex.c, stm32f1xx_hal_ppp_ex.h
  主要是存放外設的擴展（特殊）功能的驅(qū)動源碼，PPP表示任意外設
• stm32f1xx_II_ppp.c, stm32f1xx_II_ppp.h
  LL庫驅(qū)動源碼，在部分STM32F1xx_hal_ppp.c 或stm32f1xx_hal_ppp_ex.c中會被調(diào)用

HAL庫API函數(shù)和變量命名規(guī)則：

• stm32f1xx_hal_ppp .(c/h)
  • 函數(shù)名：HAL_PPP_Function
  • 外設句柄：PPP_HandleTypeDef
  • 外設工作參數(shù)初始化結構體：PPP_InitTypeDef
  • 配置參數(shù)結構體：PPP_ YyyyConfTypeDef
• stm32f1xx_hal_ppp_ex .(c/h)
  • 函數(shù)名：HAL_PPPEx_Function
  • 外設句柄：無
  • 外設工作參數(shù)初始化結構體：PPP_InitTypeDef
  • 配置參數(shù)結構體：PPP_ YyyyConfTypeDef
• 初始化/反初始化函數(shù):
• HAL_PPP_Init(),HAL_PPP_DeInit()
• 外設讀寫函數(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 ()

HAL庫對寄存器位操作的相關宏定義：

• __HAL_PPP_ENABLE_IT( HANDLE , INTERRUPT )
  使能外設中斷
• __HAL_PPP_DISABLE_IT( HANDLE , INTERRUPT )
  禁用外設中斷
• __HAL_PPP_GET_IT ( HANDLE , __ INTERRUPT __)
  獲取外設某一中斷源
• __HAL_PPP_CLEAR_IT ( HANDLE , __ INTERRUPT __)
  清除外設中斷
• __HAL_PPP_GET_FLAG ( HANDLE , FLAG )
  獲取外設的狀態(tài)標記
• __HAL_PPP_CLEAR_FLAG ( HANDLE , FLAG )
  清除外設的狀態(tài)標記
• __HAL_PPP_ENABLE( HANDLE )
  使能某一外設
• __HAL_PPP_DISABLE( HANDLE )
  禁用某一外設
• __HAL_PPP_XXXX ( HANDLE , PARAM )
  針對外設的特殊操作
• _HAL_PPP_GET IT_SOURCE ( HANDLE , __INTERRUPT __)
  檢查外設的中斷源

HAL庫回調(diào)函數(shù)：

• HAL_PPP_MspInit() / _MspDeInit()
  舉例: HAL_USART_MspInit() 會被HAL_PPP_Init() 函數(shù)調(diào)用，該函數(shù)主要用于存放外設使用到的GPIO、CLOCK、NVIC、DMA等初始化代碼。
• HAL_PPP_ProcessCpltCallback
  舉例: HAL_USART_TxCpltCallback由外設中斷或DMA中斷調(diào)用，HAL庫中斷公共處理函數(shù)已經(jīng)實現(xiàn)對中斷標記位讀取、判斷和清除操作，用戶只需要專注于中斷邏輯功能的實現(xiàn)即可。
• HAL_PPP_ErrorCallback
  舉例: HAL_USART_ErrorCallback外設或DMA中斷中發(fā)生的錯誤，用于發(fā)生錯誤處理。

此類函數(shù)通常被_weak修飾（弱函數(shù)），允許用戶重新定義該函數(shù)。

1.5 HAL庫的設計思想

HAL庫借鑒 面向?qū)ο蟮脑O計思想 ：

開發(fā)方式的特點：

• 屏蔽底層硬件 ：編程者只需要了解庫函數(shù)中相關接口函數(shù)的功能，并按照要求傳入?yún)?shù)，利用返回值完成操作即可，不需要過多了解底層硬件。
• 提高開發(fā)效率 ：開發(fā)難度較小，開發(fā)周期較短，后期的維護升級、以及硬件平臺的移植等工作量較小。
• 程序執(zhí)行效率 ：由于考慮了程序的穩(wěn)健性、擴充性和可移植性，程序代碼比較繁瑣和臃腫，執(zhí)行效率較低。

用戶代碼的處理主要分為三部分：

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

設計思想：從抽象到重載

1.6 以USART為例說明HAL庫的抽象結構

①外設句柄的定義：

HAL庫在結構上，對每個外設抽象成了一個稱為ppp_HandleTypeDef的結構體，其中ppp就是每個外設的名字。所有的函數(shù)都是工作在ppp_HandleTypeDef指針之下。

例如，使用USART2時，可以定義USART初始化結構體變量（全局變量）huart2。huart2就被稱為串口的句柄，它被貫穿整個USART收發(fā)的流程。

UART_HandleTypeDef huart2;

②外設句柄數(shù)據(jù)類型的組成：

③串口初始化數(shù)據(jù)類型的組成：

④串口初始化過程：

• 抽象—串口初始化函數(shù)MX_USART2_UART_Init： 將與MCU無關的通信參數(shù)存入句柄結構 +使用HAL_UART_Init執(zhí)行串口初始化操作，將句柄參數(shù)寫入寄存器。
  HAL_UART_Init` 干了哪些事？

• 調(diào)用 HAL_UART_MspInit* 修改狀態(tài)忙* 配置寄存器* 清除標志位

  

• 承載—與MCU相關的初始化函數(shù)HAL_UART_MspInit： 時鐘初始化 + 引腳初始化
  

⑤串口中斷處理過程：

• HAL_UART_Receive_IT：開啟中斷，在中斷方式下接收一定數(shù)量的數(shù)據(jù)。
• USART2_IRQHandler：串口2的中斷服務程序，調(diào)用串口中斷通用處理函數(shù)HAL_UART_IRQHandler。
• HAL_UART_IRQHandler：在函數(shù) HAL_UART_IRQHandler內(nèi)部通過判斷中斷類型是否為接收完成中斷，確定是否調(diào)用UART_Receive_IT。
  函數(shù)UART_Receive_IT的作用是把每次中斷接收到的字符保存在串口句柄的緩存指針pRxBuffPtr中，同時每次接收一個字符，其計數(shù)器 RxXferCount 減 1，直到接收完成 RxXferSize 個字符之后 RxXferCount設置為0，同時調(diào)用接收完成回調(diào)函數(shù) HAL_UART_RxCpltCallback進行處理。
• HAL_UART_RxCpltCallback：函數(shù)由串口中斷通用處理函數(shù)UART_Receive_IT調(diào)用，完成所有串口的接收中斷任務處理，函數(shù)內(nèi)部需要根據(jù)串口句柄的實例來判斷是哪一個串口產(chǎn)生的接收中斷，函數(shù)由用戶根據(jù)具體的處理任務編寫。