第三章 STM32标准外设库与HAL库：GPIO、UART、定时器、ADC的配置与实战

好，咱们直接进入正题。这一章要聊的是STM32开发中最核心的两个库——标准外设库和HAL库。很多初学者会纠结到底学哪个，我的建议是：两个都得会。为什么？因为你在实际项目中，大概率会碰到两种代码混着用的场景。

3.1 标准外设库 vs HAL库：到底怎么选？

先说说标准外设库。它其实就是ST官方早期推出的固件库，把寄存器操作封装成了函数。比如你要点亮一个LED，直接调用 GPIO_SetBits() 就行。优点是代码执行效率高，逻辑清晰，适合对实时性要求高的场景。

HAL库呢，是后来推出的硬件抽象层。它更强调跨平台移植性。你写一套代码，换一颗STM32芯片，基本不用改。但代价是代码体积大，执行效率稍低。

我个人习惯是：核心控制逻辑用标准外设库，复杂外设驱动用HAL库。比如电机控制里的PWM生成，我肯定用标准库直接操作寄存器；但像USB、以太网这种复杂协议，用HAL库省心得多。

核心区别一览：

对比项 标准外设库 HAL库
代码效率 高 中
移植性 低 高
学习曲线 陡峭 平缓
适合场景 实时控制、Bootloader 复杂外设、快速原型

3.2 GPIO配置实战：点灯与按键检测

GPIO是最基础的外设。说白了就是控制引脚的高低电平。咱们先看标准外设库的写法。

// 标准外设库：GPIO初始化
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  // 推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

// 点亮LED
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
// 或者
GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_0, Bit_SET);

再看HAL库的写法。嗯，这里要注意，HAL库的初始化结构体名字不一样。

// HAL库：GPIO初始化
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

// 点亮LED
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);

我在项目中遇到过一个问题：用HAL库点灯，发现LED闪烁频率不对。查了半天，原来是HAL库的延时函数 HAL_Delay() 依赖SysTick中断，而我的中断优先级设置得太低，被其他中断抢占了。所以啊，用HAL库时一定要检查中断优先级分组。

3.3 UART通信：从轮询到中断

UART是嵌入式调试的必备工具。没有串口，你连程序跑没跑起来都不知道。咱们先看标准外设库的轮询方式。

// 标准外设库：UART发送一个字节
USART_SendData(USART1, 0x55);
while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);

// 接收一个字节
while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
uint8_t data = USART_ReceiveData(USART1);

这种轮询方式在简单场景下够用。但如果你要处理大量数据，或者系统有其他任务，轮询会阻塞CPU。这时候就得用中断。

// 标准外设库：UART中断接收
void USART1_IRQHandler(void)
{
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)
    {
        uint8_t data = USART_ReceiveData(USART1);
        // 处理接收到的数据
        USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);
    }
}

HAL库的中断处理更自动化一些。它内部帮你做了标志位清除，你只需要实现回调函数。

// HAL库：UART中断接收回调
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if(huart->Instance == USART1)
    {
        // 处理接收到的数据
        // 注意：这里要重新启动中断接收
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);
    }
}

个人经验：用HAL库做UART接收时，记得在回调函数里重新调用 HAL_UART_Receive_IT()。否则中断只触发一次，后面就收不到数据了。我曾经因为这个bug排查了整整一个下午。

3.4 定时器：PWM生成与输入捕获

定时器是STM32里最灵活的外设。它可以做延时、PWM输出、输入捕获、编码器接口等等。咱们先看PWM生成的配置。

// 标准外设库：定时器PWM输出
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999;        // 自动重装载值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71;      // 预分频器
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500;           // 占空比50%
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);

TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

HAL库的配置思路类似，但结构体名字和函数名不同。

// HAL库：定时器PWM输出
TIM_HandleTypeDef htim2;
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();

htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 71;
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 999;
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);

sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 500;
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);

输入捕获稍微复杂一点。它用来测量外部信号的频率或脉宽。我记得有一次做电机测速，用输入捕获测量霍尔传感器的脉冲宽度，结果发现数据抖动很大。后来加了软件滤波才稳定下来。

避坑指南：我曾经在配置定时器输入捕获时，忘记设置 TIM_ICPolarity_Rising 和 TIM_ICSelection_DirectTI，结果捕获到的值全是0。检查了半小时才发现是极性配置错了。所以配置定时器时，一定要仔细检查极性、映射关系和滤波器参数。

3.5 ADC采集：单次转换与连续转换

ADC是模拟世界和数字世界的桥梁。STM32的ADC精度是12位，也就是0-4095。咱们看标准外设库的配置。

// 标准外设库：ADC单次转换
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);

ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

// 启动转换
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
while(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);
uint16_t adc_value = ADC_GetConversionValue(ADC1);

HAL库的ADC配置更简洁，但要注意它默认使用DMA模式时，需要额外配置DMA。

// HAL库：ADC单次转换
ADC_HandleTypeDef hadc1;

__HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();

hadc1.Instance = ADC1;
hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
HAL_ADC_Init(&hadc1);

HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);

HAL_ADC_Start(&hadc1);
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
uint16_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

实战技巧：ADC采集到的数据往往有噪声。我一般会做软件滤波，比如连续采集10次，去掉最大值和最小值，然后取平均。这样采集到的数据稳定很多。另外，ADC的采样时间不要设得太短，否则输入阻抗大的信号源会采集不准。

3.6 综合实战：用定时器触发ADC采集并通过UART发送

咱们把前面学的知识串起来。做一个实际的小项目：用定时器每隔100ms触发一次ADC采集，然后把采集到的电压值通过UART发送到上位机。

// 伪代码思路
void TIM2_IRQHandler(void)
{
    if(TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)
    {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
        
        // 启动ADC转换
        ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
    }
}

void ADC1_IRQHandler(void)
{
    if(ADC_GetITStatus(ADC1, ADC_IT_EOC) != RESET)
    {
        ADC_ClearITPendingBit(ADC1, ADC_IT_EOC);
        
        uint16_t adc_value = ADC_GetConversionValue(ADC1);
        float voltage = adc_value * 3.3f / 4096.0f;
        
        // 通过UART发送电压值
        printf("Voltage: %.2f V\r\n", voltage);
    }
}

这个例子虽然简单，但包含了定时器、ADC、UART三个外设的协同工作。你在实际项目中，经常会遇到这种多外设联动的场景。

好了，这一章的内容就到这里。下一章我们会深入聊聊中断系统和RTOS的移植。记住，多动手写代码，光看是学不会的。找个开发板，把今天讲的GPIO、UART、定时器、ADC都跑一遍，遇到问题再回来翻翻这一章。

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