【STM32】HAL库的本质 及 芯片内部GPIO模块细节

半条-咸鱼2026-05-28 15:38

【STM32】HAL库的本质 及 芯片内部GPIO模块细节

文章目录

  • [【STM32】HAL库的本质 及 芯片内部GPIO模块细节](#【STM32】HAL库的本质 及 芯片内部GPIO模块细节)
    • 一、芯片摆放与引脚编号识别
    • [二、片上系统-SOC_(System On Chip)](#二、片上系统-SOC_(System On Chip))
      • [2.1 HAL库的本质](#2.1 HAL库的本质)
        • [2.1.1 HAL库实现点灯](#2.1.1 HAL库实现点灯)
        • [2.1.2 操作寄存器](#2.1.2 操作寄存器)
      • [2.2 `GPIO`模块](#2.2 GPIO模块)
        • [2.2.1 `GPIO`的常见用法](#2.2.1 GPIO的常见用法)
        • 2.2.2`GPIO`的工作模式
          • [2.2.2.1 输入模式（上半张图）](#2.2.2.1 输入模式（上半张图）)
          • [2.2.2.2 施密特触发器_0和1的问题](#2.2.2.2 施密特触发器_0和1的问题)
          • [2.2.2.3 输出模式（下半张图）](#2.2.2.3 输出模式（下半张图）)
          • [2.2.2.4 开漏输出是双向通信的示例（类`I2C`硬件原理）](#2.2.2.4 开漏输出是双向通信的示例（类I2C硬件原理）)
          • [2.2.2.3 输出模式（下半张图 复用）](#2.2.2.3 输出模式（下半张图 复用）)
          • [2.2.2.5 操作GPIO](#2.2.2.5 操作GPIO)
        • [2.2.3 `GPIO_HAL`库源码解析](#2.2.3 GPIO_HAL库源码解析)
    • **从底层本质来看，HAL库归根结底就是在操作寄存器**。**它是一个硬件抽象层，让你不用直接面对寄存器。**

一、芯片摆放与引脚编号识别

  • 圆圈放在左上角
  • 逆时针数引脚编号

二、片上系统-SOC_(System On Chip)

HAL库的本质就是读写寄存器；

HAL库的本质，就是帮我们去操作这些寄存器，我们就不用那么幸苦的去查看芯片手册，确认一下它的基地址，确认一下它的偏移地址，还得去确认一下里面每一位的含义，方便了很多。

工作中，建议大家使用厂家提供的库函数，不要自己去写基于寄存器的那些函数，基于寄存器的那些操作。

2.1 HAL库的本质

  • 组装PC机需要 CPU、内存条、硬盘 ==> 放在主板上
  • 对于单片机的芯片内部呢？
    • 集成CPU
    • 集成 RAM（内存条）
    • 集成 Flash（硬盘）
    • 集成USB控制器
    • GPIO：General-purpose I/O（通用目的的输入输出引脚）
  • SOC简易图
简易SOC示意图_GPIO配置 简易SOC示意图_地址访问GPIO寄存器

在SOC中，

  • 在CPU眼里，我可以直接访问到内存、GPIO、Flash；

  • CPU使用某些地址的时候，根据不同的地址来访问不同的设备。ABCDEF均是地址，在芯片手册中的内存映射（Memory map）中可以找到。

  • CPU可以去读写内存，或者GPIOC，读写GPIOC里面的寄存器

    • 我们为什么称为寄存器？
      • RAM（内存条）：写入val ，读出仍是val；（暂存）
      • Flash（硬盘）：读出指令，不可以直接写，写之前需要擦除；（长期保存）
2.1.1 HAL库实现点灯
  • 我们从最简单的操作说起，看看用HAL库点灯和操作寄存器电灯，有什么区别，看看HAL库到底在干什么。
操作LED灯的步骤
1、使能GPIO模块
2、选择Pin2的功能，连接到GPIO模块
3、配置GPIO模块，让引脚作为输出引脚
4、配置GPIO模块，让引脚输出 高/低 电平

前三个步骤可以用cubeMX生成，第四步一般看HAL库手册，找到对应函数，进行调用就行，或者直接在程序中找到对应函数；

对于CubeMX，它省去了我们繁琐的硬件初始化的代码，我们只要专注于应用程序的开发就可以了。

c 复制代码 
//HAL库实现电灯程序
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
  /* USER CODE END 1 */
  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();
  /* USER CODE BEGIN Init */
  /* USER CODE END Init */
  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();
  /* USER CODE BEGIN SysInit */
  /* USER CODE END SysInit */
  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
	while(1)
	{
		/*set PC13 output high*/
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
		HAL_Delay(500);
		/*set PC13 output low*/
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
		HAL_Delay(500);
	}
  /* USER CODE END 2 */
}

我们只要专注于应用程序的开发就可以了，正在要我们写的只有几个HAL库 函数调用而已，这些函数在芯片手册上面都有详细的解释。

c 复制代码 
/*set PC13 output high*/
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
HAL_Delay(500);
/*set PC13 output low*/
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
HAL_Delay(500);
2.1.2 操作寄存器
GPIOC寄存器类型 GPIOC寄存器

在GPIOC中

  • 里面有很多寄存器，功能各不相同

  • 根据memory map 可知，基地址为0x4001 1000，要读写第13位寄存器，就要对地址 0x4001 100C 进行操作。

C 复制代码 
//操作寄存器实现点灯程序
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
	//unsigned int a;
	unsigned int *p;
		
	//p = &a;  
	p = (unsigned int *)0x4001100c;
	
	//*p = val;  // a = val 
  /* USER CODE END 1 */
  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();
  /* USER CODE BEGIN Init */
  /* USER CODE END Init */
  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();
  /* USER CODE BEGIN SysInit */
  /* USER CODE END SysInit */
  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
	while(1)
	{
		/*set PC13 output high*/
		//HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
		unsigned val = *p;
		val = val | (1<<13);
		*p = val;
		
		HAL_Delay(500);
		
		/*set PC13 output low*/
		//HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
		val = *p;
		val = val & ~(1<<13);
		*p = val;
		
		HAL_Delay(500);
	}
  /* USER CODE END 2 */
}

我们真正要做的

c 复制代码 
	unsigned int *p;
	//p = &a;  
	p = (unsigned int *)0x4001100c;

	while(1)
	{
		/*set PC13 output high*/
		//HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
		unsigned val = *p;		// read
		val = val | (1<<13);	
		*p = val;				// 写回去	

		HAL_Delay(500);
		
		/*set PC13 output low*/
		//HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
		val = *p;				// read
		val = val & ~(1<<13);	// 修改
		*p = val;				// 写回去	
	
		HAL_Delay(500);
	}

2.2 GPIO模块

General-purpose（ 常规用途）和alternate-function（多用途）I/Os ==> (GPIO and AFIOS)

2.2.1 GPIO的常见用法
  • 使能GPIO
  • 选择PIN功能
  • 选择方向
  • 设置输出值 / 读取引脚值
2.2.2GPIO的工作模式
对于某个GPIO引脚
2.2.2.1 输入模式（上半张图）
  • 输入模式有四种：上拉输入、下拉输入、浮空输入、模拟输入(走模拟信号的分支)；
使能 上拉 电阻 使能 下拉 电阻
浮空输入 模拟输入

  • TTL Schmitt trigger：施密特触发器（输入信号抗干扰神器，起到稳定输入信号的作用） ==> 输出 0/1；如何判断是 1 还是 0 呢？

    2.2.2.2 施密特触发器_0和1的问题
施密特触发器（TTL Schmitt trigger）的用途
2.2.2.3 输出模式（下半张图）
  • 输出模式也有四种：推挽输出、开漏输出、复用推挽输出、复用开漏输出；
推挽输出（push pull）
  • 引入开漏输出 （两个IC通信）
存在的问题：两个IC通信的情况
IC1输出1，IC2输出0
开漏输出（open drain）（复杂一点）
  • 开漏输出，就是开漏连接，高电平为高阻抗，低电平就是拉低电平

VDD：供电正电压；VSS：公共地 GND

场效应管 P-MOS & N-MOS

2.2.2.4 开漏输出是双向通信的示例（类I2C硬件原理）

  • 双向通信

    • IC1想发 Data：

      • 输出1：意思是，我不驱动P-MOS，这引脚 I/O pin 我不管了，电平由外部电路决定 （由外部的上拉电阻决定，由外部的芯片决定）

      • IC1读引脚：V==0 = => IC2 驱动pin，占用

        ​ V==1 = = >IC2未驱动，可用 ==> 下一步

      • IC1 驱动 Data 为 0 ==> 目的是起通知作用：通知对方说，我占用了这个引脚，我要给你发数据了

2.2.2.3 输出模式（下半张图 复用）
复用推挽&开漏输出
2.2.2.5 操作GPIO
操作GPIO 寄存器

  • 设置方向：输入、输出

  • 设置模式

    • 输入：上拉、下拉
    • 输出：推挽、开漏

    设置速率：跳变速度，若快，对外部电磁干扰比较大；（小毛刺幅度更大）

  • 读写

    • 输入：Read val；

    • 输出：数据寄存器写值：（先读，再改，再写）

      ​ bit set/reset 寄存器，操作寄存器一次就行，直接写

2.2.3 GPIO_HAL库源码解析
GPIO_HAL 库 GPIO 初始化

从底层本质来看，HAL库归根结底就是在操作寄存器 。它是一个硬件抽象层，让你不用直接面对寄存器。

本文仅为个人学习总结，若有不对之处，敬请批评指正。期待与大家一起讨论、共同进步。

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