單片機的內(nèi)存映射圖解析

一、如何控制單片機？

單片機的內(nèi)存映射圖解析

這里以STM32F429芯片為例，講解下單片機芯片內(nèi)存映射圖。從此圖中可以看到芯片的外設(shè)被分配了512M的空間，然而真正的外設(shè)其實沒有使用到512M的內(nèi)存空間。

然后我們操作外設(shè)時，只需要操作它對應的內(nèi)存地址即可。更加詳細的外設(shè)內(nèi)存地址，可以參考芯片的用戶手冊（不是數(shù)據(jù)手冊）的Memory map章節(jié)。

因為單片機是將外設(shè)映射到內(nèi)存地址上，所以我們可以像操作內(nèi)存一樣來操作外設(shè)（寫/讀）。

我們在操作內(nèi)存時是通過地址來進行操作的，由于單片機已經(jīng)將外設(shè)與內(nèi)存進行了映射，所以我們在操作單片機外設(shè)時只需要操作外設(shè)映射的內(nèi)存地址就行。

內(nèi)存如何操作？

在C語言中操作內(nèi)存，我們可以用指針來進行操作。在匯編語言中由于沒有指針這個概念，所以我們在操作地址時只能用一些內(nèi)存讀寫指令來完成。比如：LDR，STR

結(jié)構(gòu)體操作與宏定義操作的對比

C語言——宏定義形式

#define GPIOA (*(volatile uint32_t *)(0x000800E0))
#define GPIOA_DR (*(volatile uint32_t *)(0x000800E4))
#define GPIOA_MR (*(volatile uint32_t *)(0x00080108))
#define GPIOA_TR (*(volatile uint32_t *)(0x00080108))

C語言——結(jié)構(gòu)體操作

struct GPIOA_Reg{
    volatile uint32_t dr;
    volatile uint32_t mr;
    volatile uint32_t tr;
}GPIOA_REG

匯編語言操作內(nèi)存

LDR r0, =0x00800010
MOV r1, #2
STR r1, [r0]

二、寄存器方式操作單片機

代碼結(jié)構(gòu)框架：

文件結(jié)構(gòu)

一個芯片頭文件：外設(shè)的地址宏定義以及外設(shè)相關(guān)的結(jié)構(gòu)體定義

查看芯片的用戶手冊（注意：不是數(shù)據(jù)手冊）中寄存器對應的相應地址。然后使用宏定義來將它們定義好，同時定義好結(jié)構(gòu)體來更加方便的管理外設(shè)寄存器組。這里以STM32F1系列為例

• ? 一個啟動文件：匯編編寫的、中斷向量表等
• ? 用戶代碼文件：剩余就是用戶代碼文件了
• ? 各個芯片的外設(shè)驅(qū)動函數(shù)編寫（讀/寫、控制）、以及用戶邏輯部分代碼。

三、使用HAL庫方式操作單片機

HAL庫與固件庫的區(qū)別

HAL全稱Hardware abstract layer（硬件抽象層），這是一個大家公認并且遵守的一種函數(shù)名稱命名、資源定義。因為是統(tǒng)一的命名規(guī)范，所以當用戶更換芯片平臺后由于函數(shù)命名與所使用的資源都與具體硬件沒有關(guān)系，這樣就不需要修改用戶層代碼了。

而所謂的標準庫其實就是芯片廠商公司內(nèi)部自己命名與實現(xiàn)的庫并且各個廠商的命名規(guī)則不一樣，這樣就會導致可移植性變差。當用戶更換了芯片平臺后由于它們各自的API函數(shù)不一樣就會導致用戶需要修改應用層代碼。

HAL庫設(shè)計

1. HAL框架設(shè)計

2. HAL資源命名規(guī)則

HAL函數(shù)命名規(guī)則：

中斷與時鐘設(shè)置宏：
回調(diào)函數(shù)命名規(guī)則：

3. 文件結(jié)構(gòu)：

一個芯片頭文件：外設(shè)的地址宏定義以及外設(shè)相關(guān)的結(jié)構(gòu)體定義

查看芯片的用戶手冊（注意：不是數(shù)據(jù)手冊）中寄存器對應的相應地址。然后使用宏定義來將它們定義好，同時定義好結(jié)構(gòu)體來更加方便的管理外設(shè)寄存器組。這里以STM32F1系列為例

一個啟動文件：匯編編寫的、中斷向量表等。

一個HAL庫全局頭文件：一些全局的宏定義以及包含其他外設(shè)頭文件

HAL庫文件：芯片外設(shè)的驅(qū)動函數(shù)

四、HAL庫組成說明

1. HAL庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體

• ? 外設(shè)句柄結(jié)構(gòu)體
• ? 初始化和配置結(jié)構(gòu)體
• ? 特定的處理結(jié)構(gòu)體（讀寫/控制）

** 外設(shè)句柄結(jié)構(gòu)體（跟硬件不相關(guān)）：**

比如：下面這個串口結(jié)構(gòu)體

typedef struct
{
    USART_TypeDef *Instance; /* USART registers base address */
    USART_InitTypeDef Init; /* Usart communication parameters */
    uint8_t *pTxBuffPtr;/* Pointer to Usart Tx transfer Buffer */
    uint16_t TxXferSize; /* Usart Tx Transfer size */
    __IO uint16_t TxXferCount;/* Usart Tx Transfer Counter */
    uint8_t *pRxBuffPtr;/* Pointer to Usart Rx transfer Buffer */
    uint16_t RxXferSize; /* Usart Rx Transfer size */
    __IO uint16_t RxXferCount; /* Usart Rx Transfer Counter */
    DMA_HandleTypeDef *hdmatx; /* Usart Tx DMA Handle parameters */
    DMA_HandleTypeDef *hdmarx; /* Usart Rx DMA Handle parameters */
    HAL_LockTypeDef Lock; /* Locking object */
    __IO HAL_USART_StateTypeDef State; /* Usart communication state */
    __IO HAL_USART_ErrorTypeDef ErrorCode;/* USART Error code */
}USART_HandleTypeDef;

初始化結(jié)構(gòu)體（跟硬件相關(guān)）：

比如：下面這個串口硬件相關(guān)的結(jié)構(gòu)體

typedef struct
{
    uint32_t BaudRate; /*!< This member configures the UART communication baudrate.*/
    uint32_t WordLength; /*!< Specifies the number of data bits transmitted or received
    in a frame.*/
    uint32_t StopBits; /*!< Specifies the number of stop bits transmitted.*/
    uint32_t Parity; /*!< Specifies the parity mode. */
    uint32_t Mode; /*!< Specifies wether the Receive or Transmit mode is enabled or
    disabled.*/
    uint32_t HwFlowCtl; /*!< Specifies wether the hardware flow control mode is enabled
    or disabled.*/
    uint32_t OverSampling; /*!< Specifies wether the Over sampling 8 is enabled or
    disabled,
    to achieve higher speed (up to fPCLK/8).*/
}UART_InitTypeDef;

特定的處理結(jié)構(gòu)體（跟硬件有關(guān)）：

比如：下面這個ADC處理處理結(jié)構(gòu)體

typedef struct 
{
  uint32_t Channel;                /*!< Specifies the channel to configure into ADC regular group.
                                        This parameter can be a value of @ref ADC_channels */
  uint32_t Rank;                   /*!< Specifies the rank in the regular group sequencer.
                                        This parameter must be a number between Min_Data = 1 and Max_Data = 16 */
  uint32_t SamplingTime;           /*!< Sampling time value to be set for the selected channel.
                                        Unit: ADC clock cycles
                                        Conversion time is the addition of sampling time and processing time (12 ADC clock cycles at ADC resolution 12 bits, 11 cycles at 10 bits, 9 cycles at 8 bits, 7 cycles at 6 bits).
                                        This parameter can be a value of @ref ADC_sampling_times
                                        Caution: This parameter updates the parameter property of the channel, that can be used into regular and/or injected groups.
                                                 If this same channel has been previously configured in the other group (regular/injected), it will be updated to last setting.
                                        Note: In case of usage of internal measurement channels (VrefInt/Vbat/TempSensor),
                                              sampling time constraints must be respected (sampling time can be adjusted in function of ADC clock frequency and sampling time setting)
                                              Refer to device datasheet for timings values, parameters TS_vrefint, TS_temp (values rough order: 4us min). */
  uint32_t Offset;                 /*!< Reserved for future use, can be set to 0 */
}ADC_ChannelConfTypeDef;

2. HAL庫公共資源

HAL Status：狀態(tài)枚舉

Typedef enum
{
HAL_OK = 0x00,
HAL_ERROR = 0x01,
HAL_BUSY = 0x02,
HAL_TIMEOUT = 0x03
} HAL_StatusTypeDef;

HAL Locked：用于防止共享資源被意外訪問

typedef enum
{
HAL_UNLOCKED = 0x00, /*!< Resources unlocked */
HAL_LOCKED = 0x01 /*!< Resources locked */
} HAL_LockTypeDef;

公共的宏定義：NULL 和 HAL_MAX_DELAY

#ifndef NULL
#define NULL (void *) 0
#endif
#define HAL_MAX_DELAY 0xFFFFFFFF

3. HAL庫中斷回調(diào)函數(shù)實現(xiàn)說明

（1）使用 __ weak 定義好回調(diào)函數(shù)。如果用戶自己重寫了回調(diào)函數(shù)，那么編譯器就會使用用戶重寫的這個回調(diào)函數(shù)。其中__ weak這個關(guān)鍵字是編譯器定義的。

（2）使用函數(shù)指針。定義一個全局的函數(shù)指針變量，在初始化函數(shù)時將我們自定義的回調(diào)函數(shù)賦值給這個全局的函數(shù)指針變量（這一步也叫做：注冊）。然后再中斷函數(shù)中通過這個全局的函數(shù)指針變量來調(diào)用我們自定義的回調(diào)函數(shù)。