STM32 HAL库—基础篇

1. 单片机简介

（1）单片机特点：体积小、功耗低、集成度高、使用方便、扩展灵活

（2）CISC和RISC的区别：

对比项	复杂指令集CISC	精简指令集RISC
目的	为了便于编程和提高存储器访问效率	为了提高处理器的运行速度
特点	- 指令多、模式多、格式可变 - 指令的时钟周期差距很大 - 无流水线或流水线程度较低 - 指令由微代码翻译执行	- 指令少、模式少、格式固定 - 指令只需 1 个时钟周期 - 流水线结构 - 指令由硬件执行
优点	- 指令丰富、功能强大 - 寻址方式灵活	- 指令精简、易于设计、使用率均衡 - 程序执行效率高
缺点	- 指令使用率不均衡 - 不利于采用先进结构提高性能 - 结构复杂，不利于超大规模集成电路实现	- 指令少较少、功能不如CISC - 寻址方式不够灵活
举例	8051、X86	ARM、MIPS、RISC-V

（3）冯诺依曼结构与哈佛结构的区别

对比项	冯诺依曼结构	哈佛结构
特点	程序指令和数据被存储在同一个存储器中	程序指令和数据被存储在两个独立的存储器中
优点	总线资源占用少	执行效率较高
缺点	执行效率较低	总线资源占用多

（4）cortex内核分类

对比项	Cortex - A（应用）	Cortex - R（实时）	Cortex - M（微处理器）
特点	高时钟频率，长流水线，高性能	较高时钟频率，较长流水线，实时性强	低时钟频率，较短流水线，超低功耗
应用场景	移动计算、智能手机、平板电脑、数字电视	军工、汽车电子、无限基带、硬盘控制器	工控、传感器、消费电子、家用电器、医疗器械

2. 开发调试工具

（1）需要追踪程序执行时间时设置，根据系统时钟频率的实际值设置：

• STM32F1 --- 72MHz

  • STM32F407 --- 168MHz

（2）仿真报错解决方法：

• 仿真结束前将所有断点清除

• 将工程路径改浅，并改成全英文路径

（3）工具栏常用窗口按钮结束

• Call Stack窗口：查看函数调用关系和局部变量

• Watch窗口：查看函数首地址和变量值；设置全局变量在被读或被写后自动停止运行

• Memory窗口：内存查看窗口（M3 / M4 / M7 内核是小端模式）

• Peripheral窗口：查看寄存器的值（确定配置寄存器是否有问题）

注意：

仿真时，使用 MDK 的 Level 0 等级优化

调试停止在断点处时，只是内核停止，外设会继续运行

断点的设置要有时间观念，考虑是否会打断正常通信

3. C语言基础

（1）stdint.h

从C99中引进的标准C库文件，推荐使用符合C99标准的 uint8_t、uint16_t、uint32_t等类型别名，需配置MDK支持C99（勾选 C/C++ -> C99 Mode）。

（2）位操作运算符

运算符	含义
&	按位与
|	按位或
^	按位异或
~	按位取反
<<	左移
>>	右移

给寄存器某个位赋值：如 uint32_t temp = 0;

给位6赋值为0：

• temp &= 0xFFFFFFBF ; temp |= 0x00000040

• temp &= ~ (1 << 6) ; temp |= 1 << 6

（3）宏定义

提高效率、可读性、易改性（核心是替换）。

格式：#define 标识符 字符串

标识符：宏定义的名字

字符串：常数、表达式、格式串等

带参数的宏定义：利用 do{...} while(0) 来构造，这样不会受到大括号、分号、运算优先级等影响

如：

 #define LED1(x)  do{ x ? HAL_GPIO_WritePin ( LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : HAL_GPIO_WritePin ( LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET}; } while(0)

（4）条件编译

指令	作用
#if	编译预处理条件指令，类似 if
#ifdef	判断某个宏是否已被定义（ #ifdef + 宏名）
#ifndef	判断某个宏是否未被定义（ #ifndef + 宏名）
#elif	若前面的条件不满足，则判定新的条件，类似 else if
#else	若前面的条件不满足，则执行后面的语句，类似 else
#endif	#if / #ifdef / #ifndef的结束标志

头文件的条件编译：

 #ifndef __LED_H
 #define __LED_H
 ​
 #include 
 ​
 code 
     
 #endif

代码的条件编译：

 #if SYS_SUPPORT_OS
     code
 #endif

 #ifdef 标识符
 程序段1
 #else
 程序段2
 #endif

注意：

当标识符已经被定义过（一般使用 #define 定义），对程序段 1 进行编译；否则对程序段 2 进行编译或结束。

（5）extern 声明

放在变量/函数前，表示该变量/函数已在其他文件定义，以便本文件引用。

extern 申明变量可以多次，但定义只有一次。

（6）typedef类型别名

为现有数据类型创新一个新的名字 / 类型别名，简化变量定义（定义结构体的类型别名和枚举类型）。

格式：typedef 现有类型 新名字

 typedef unsigned char uint8_t;
 typedef unsigned short int uint16_t;
 typedef unsigned int uint32_t;

类型别名的应用：

 Struct GPIO_TypeDef
 {
     __IO uint32_t CRL;
     __IO uint32_t CRH;
     ......
 };
 Struct GPIO_TypeDef gpiox
 typedef struct
 {
     __IO uint32_t CRL;
     __IO uint32_t CRH;
     ......
 }GPIO_TypeDef;
 GPIO_TypeDef gpiox

（7）结构体

由若干基本数据类型集合组成的一种自定义数据类型，也叫聚合类型。

声明结构体类型：

struct 结构体名

{

成员列表；

}变量名列表（可选）;

 struct student
 {
     char *name;
     int num;
     int age;
     int group;
     float score;
 }stu1,stu2;
 typedef struct
 {
     uint32_t Pin;
     uint32_t Mode;
     uint32_t Pull;
     uint32_t Speed;
 }GPIO_InitTypeDef;

注意：

由结构体变量名引用其成员：结构体变量名 . 成员名

结构体指针成员变量引用方法：指针变量名 -> 成员名

（8）指针（内存地址）

指针变量：保存了指针的变量。

格式：类型名 * 指针变量名

 char *p_str = "This is a test!";

• *p_str：取 p_str 变量的值；

• &p_str：取 p_str 变量的地址。

 uint8_t buf[5] = {1,3,5,7,9};
 uint8_t *p_buf = buf;
 *p_buf = ?              // 1
 p_buf[0] = ?            // 1
 p_buf[1] = ?            // 3
 p_buf++;
 *p_buf = ?              // 3
 p_buf[0] = ?            // 3

指针使用的两大问题：

• 未分配（申请）内存（使用指针前必须初始化）

 char *p_buf;
 p_buf[0] = 100;
 p_buf[1] = 120;
 p_buf[2] = 150;

• 越界使用

 uint8_t buf[5] = {1,3,5,7,9};
 uint8_t *p_buf = buf;
 p_buf[5] = 200;
 p_buf[6] = 250;

（9）C 语言中的 u/U

0U：无符号整型 0

1U：无符号整型 1

如果不写 u/U后缀，系统默认为 int 型，即为有符号型整数。

4. 存储器与寄存器映射

（1）STM32 寻址范围

1）32 位单片机有 32 根地址线（每根地址线有导通或不导通两种状态）

2）单片机内存地址访问的存储单元是按字节编址的（不是 bit ）

地址线根数	地址编号数（内存大小）
1	2 (0, 1)
2	4 (00, 01, 10, 11)
3	8 (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111)
...	...
n	2^n

STM32寻址大小：232 = 4G（字节）

STM32寻址范围：0x0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF

（2）存储器映射

1）存储器：存储数据的设备，存储器本身没有地址信息

2）存储器映射：对存储器分配地址的过程

3）存储器功能划分：(将 4GB 地址空间分为 8 个块，重点是前三个块)

存储块	功能	地址范围
Block 0	Code (FLASH)	0x0000 0000 ~ 0x1FFF FFFF (512MB)
Block 1	SRAM	0x2000 0000 ~ 0x3FFF FFFF (512MB)
Block 2	片上外设（APB1、APB2、AHB）	0x4000 0000 ~ 0x5FFF FFFF (512MB)

（3）寄存器映射

1）寄存器：实现对单片机各个功能的控制（寄存器是单片机内部的控制结构）

2）分类：内核寄存器、外设寄存器

3）寄存器映射：给寄存器地址命名

如：0x4001080C（寄存器地址）➡️ GPIOA_ODR（寄存器名字）

4）寄存器描述：

• 寄存器名字

• 偏移量及复位值

• 寄存器位表

• 位功能描述

5）寄存器地址计算：

• 总线基地址 ( BUS_BASE_ADDR )

• 外设基于总线基地址的偏移量 ( PERIPH_OFFSET )

• 寄存器相对外设基地址的偏移量 ( REG_OFFSET )

寄存器地址 = BUS_BASE_ADDR + PERIPH_OFFSET + REG_OFFSET

外设基地址（PERIPH_BASE）：APB1总线的基地址

例如：

(a) STM32F103 中 GPIOA_ODR 寄存器地址计算过程：

GPIOA 在 APB2 总线上，APB2 总线基地址：0x4001 0000

GPIOA 基于 APB2 总线基地址的偏移量：0x4001 0800 - 0x4001 0000 = 0x0800

ODR 寄存器基于 GPIOA 外设基地址的偏移量：0x0C

寄存器地址 = 0x4001 0000 + 0x0800 + 0x0C = 0x4001 080C

(b) STM32F4047 中 GPIOA_ODR 寄存器地址计算过程：

GPIOA 在 AHB1 总线上，AHB1 总线基地址：0x4002 0000

GPIOA 基于 AHB1 总线基地址的偏移量：0

ODR 寄存器基于 GPIOA 外设基地址的偏移量：0x14

寄存器地址 = 0x4002 0000 + 0 + 0x14 = 0x4001 0014

6）使用结构体，完成对寄存器的映射

 typedef struct
 {
     __IO uint32_t CRL;
     __IO uint32_t CRH;
     __IO uint32_t IDR
     __IO uint32_t ODR
     __IO uint32_t BSRR
     __IO uint32_t BRR
     __IO uint32_t LCKR
 }GPIO_TypeDef;
 #define GPIOA ((GPIOA_TypeDef *)GPIOA_BASE)
 ​
 GPIOA_BASE: 0x4001 0800
 &GPIOA->CRL: 0x4001 0800
 &GPIOA->CRH: 0x4001 0804
 &GPIOA->IDR: 0x4001 0808
 &GPIOA->ODR: 0x4001 080C
 &GPIOA->BSRR: 0x4001 0810
 &GPIOA->BRR: 0x4001 0814
 &GPIOA->LCKR: 0x4001 0818

实际应用：

 GPIOA->ODR = 0xFFFF;

5. MAP文件

（1）MDK编译过程文件（11种）

文件类型	说明
.o	可重定向对象文件，每个源文件（.c / .s 等）编译都会生成一个 .o 文件
.axf	可执行对象文件，由 .o 文件链接生成 .axf 文件，仿真时用到
.hex	用于下载到 MCU 中，由 .axf 文件转换而来
.map	连接器生成的列表文件，对分析程序存储占用情况非常有用
其他	.crf、.d、.dep、.lnp、.lst、.htm、.build_log.htm一般用不到

注意：

可重定向：该文件包含数据/代码，但没有指定地址，可由后续链接时再指定；

不可重定向：该文件的数据/代码已经指定地址了，不能再改变。

（2）MAP文件

1）概念：MDK编译代码后，产生集程序、数据和IO空间的一种映射列表文件，包含交叉链接信息（各种 .c 文件、函数、符号等地址、大小、引用关系等信息）

2）作用：分析各个 .c 文件占用 FLASH（ROM）和 RAM 的大小，方便优化代码

3）组成：

组成	说明
程序段交叉引用关系	描述各文件之间函数的调用关系
删除映像未使用的程序段	描述工程中未用到而被删除的冗余程序段（函数/数据）
映像符号表	描述各符号（程序段/数据）在存储器中的地址、类型、大小等
映像内存分布图	描述各个程序段（函数）在存储器中的地址及占用大小
映像组件大小	给出整个映像代码 .o 占用空间汇总信息

概念	说明	占用空间
RO (Read Only)	只读数据 RO data + 代码 RO code	FLASH
RW (Read Write)	可读写数据 RW data（有初值，且不为0）	FLASH（存储初值）+ RAM（读写操作）
ZI （Zero Initialized）	初始化为 0 的数据 ZI data	RAM

6. STM32启动模式与启动过程（看不懂，暂时没学）

7. STM32CubeMX

（1）软件功能：图形配置软件，可通过配置自动生成初始化代码

（2）安装步骤：

• STM32CubeMX 软件获取

• 搭建 Java 运行环境

• 安装 STM32CubeMX 软件

• 下载并关联 STM32Cube 固件包 （ Help->Manage embedded software packages->install ）

（3）新建 STM32CubeMX 工程

• 工程初步建立：新建工程，选取芯片型号

• 时钟模块配置：设置高速外部时钟 HSE（频率范围为 4MHz~16MHz ）、低速外部时钟 LSE（接频率为 32.768KHz 的石英晶体）、MCO

• 时钟系统配置：锁相环 PLL、系统时钟 SYSCLK、高速总线 AHB、低速总线 APB1、APB2等

• GPIO 引脚配置

• Cortex 内核配置：SYS ( DEBUG) 配置、NVIC（优先级分组）

• 生成工程源码：设置工程、MDK等，最后生成代码工程

• 编写用户程序：在main.c文件预留的位置编写代码 ( USER CODE BEGIN 3~USER CODE END 3 )

8. STM32时钟系统

（1）时钟：具有周期性的脉冲信号，最常用的是占空比为 50% 的方波

（2）认识时钟树：

F1系列：

时钟源名称	频率	材料	用途
高速外部振荡器 HSE	4~16MHz	晶体/陶瓷	SYSCLK / RTC
低速外部振荡器 LSE	32.768KHz	晶体/陶瓷	RTC
高速内部振荡器 HSI	8MHz	RC	SYSCLK
低速内部振荡器 LSI	40KHz	RC	RTC / IWDG

F407系列：

时钟源名称	频率	材料	用途
高速外部振荡器 HSE	4~26MHz	晶体/陶瓷	SYSCLK / RTC
低速外部振荡器 LSE	32.768KHz	晶体/陶瓷	RTC
高速内部振荡器 HSI	16MHz	RC	SYSCLK
低速内部振荡器 LSI	32KHz	RC	RTC / IWDG

备注：F7 和 H7 时钟树跳过

（3）系统时钟配置步骤

• 配置 HSE_VALUE：stm32xxxx_hal_conf.h，告诉 HAL 库外部晶振频率

• 调用SystemInit() 函数（可选）：在启动文件中调用，在system_stm32xxxx.c定义

• 选择时钟源，配置PLL：通过 HAL_RCC_OscConfig() 函数设置

• 选择系统时钟源，配置总线分频器：通过 HAL_RCC_ClockConfig() 函数设置

• 配置扩展外设时钟（可选）：通过 HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig() 函数设置

（4）外设时钟使能和失能

使能：

 __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();       //使能GPIOA时钟

失能：

 __HAL_RCC_GPIOA_CLK_DISABLE();      //禁止GPIOA时钟

9. printf 函数

（1）printf 函数输出流程

printf() 用户调用 ➡️ C 标准库（ printf 部分，由编译器提供的 stdio.h 解析） ➡️ fputc() 最终实现输出

printf重定向：用户需要根据最终输出的硬件重新定义该函数

（2）printf 的使用

• printf("字符串 \r\n");

• printf("输出控制字符 \r\n"，输出参数);

• printf("输出控制字符1 输出控制字符 2 ... \r\n"，输出参数 1，输出参数 2，... );

• printf("非输出控制符 输出控制符 非输出控制符 \r\n"，输出参数);

• 如何输出 %、\ 、""

 printf("%%\r\n");
 printf(" \\ \r\n");
 printf(" \"\" \r\n");

（3）printf 的支持

• 避免使用半主机模式

  • 微库法：魔术棒 -> Target 选项卡 -> 勾选 "Use MicroLIB"

  • 代码法

• 实现 fputc 函数

 #include 
 ​
 UATR_HandleTypeDef huart1;
 ​
 int fputc(int ch,FILE *f)
 {
     HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t *)&ch,1,0xffff);
     return ch;
 }

文章参考：

第1讲 基础篇-单片机简介_哔哩哔哩_bilibili