掌握HAL API中面向对象设计的思想
1. 初识halst 为开发者提供了三种的开发库：
标准外设库（standard peripheral library, spl库）硬件抽象层库（hardware abstraction layer，hal库）底层库（low-layer，底层库）其中，st cubemx软件支持stm32全线产品的hal和ll库；spl已经停更，部分芯片如stm32f7xx没有推出spl库。
相比标准外设库，stm32 hal库拥有更好的抽象整合水平，hal api（hal application programming interface，hal应用程序接口）集中关注各个外设（peripheral）的公共函数功能，通过定义一套通用的、用户友好的api函数接口，支持不同stm32系列产品之间的轻松移植。
以点亮led的工程举例。
1.首先配置mdk的代码补全
edit configuration text completion symbols after 3 characters。
2.代码补全效果。
hal库函数都以hal作为开头。打开代码自动补全后，输入hal_gpio即可弹出一系列支持的函数，如下图的init（初始化）、lockpin（锁引脚）、readpin（读引脚）、togglepin（翻转引脚）等。
3.hal支持哪些函数？
如下图所示，点击mdk左侧工程栏下方的functions，点开对应的hal_xx.c文件，即可显示出所有的hal库函数。
st的hal库通过高度抽象化，使用统一的hal api对硬件进行操作。无论是使用stm32f1系列、l4系列、f7系列、h7系列等，对gpio的初始化、读、写、翻转操作都是如下的统一接口，极大地方便了开发者将相同的代码移植到不同的st系列芯片中。
void hal_gpio_init(gpio_typedef *gpiox, gpio_inittypedef *gpio_init)gpio_pinstate hal_gpio_readpin(gpio_typedef* gpiox, uint16_t gpio_pin)void hal_gpio_writepin(gpio_typedef* gpiox, uint16_t gpio_pin, gpio_pinstate pinstate)void hal_gpio_togglepin(gpio_typedef* gpiox, uint16_t gpio_pin)cubemx通过图形化界面操作，配置各个引脚、外设的工作状态，自动生成驱动初始化代码，方便用户快速进行底层功能部署，开发者只关注cubemx图形化界面的配置，可以不关注写底层硬件寄存器，通过调用统一的hal api实现外设各种功能，这是hal的一个典型特点。
2. stm32 manual关于stm32l4系列的手册，可以在https://www.st.com/zh/microcontrollers-microprocessors/stm32l4-series.html下载相关手册。
st系列常见文档的命名规则如下：
1.an， application note ，应用手册。一般是一些相对复杂、精细、精巧的应用原理与结果介绍，阅读门槛较高，建议熟悉芯片、熟悉嵌入式系统后，再根据具体开发工作需求进行查找与阅读。
2.ds， data sheet ，规格书。芯片手册，说明芯片容量、芯片时序、芯片封装等情况的文档，一般用于硬件选型阶段。
3.um， user manual ，用户手册，为开发者提供hal库使用说明、硬件使用说明等情况的文档，开发阶段可以作为参考书。浏览https://www.st.com/zh/embedded-software/stm32cubel4.html可以找到stm32l4系列的hal库um手册。本课程要求下载um1884 description of stm32l4/l4+ hal and low-layer drivers.pdf手册。建议将该手册作为参考书，有需要时再查阅，不要通读，以后该文件简称为um1884.pdf文件。
rm， reference manual ，参考手册。说明芯片内部寄存器如何配置的手册，本课程要求下载rm0394_stm32l41xxx/42xxx/43xxx/44xxx/45xxx/46xxx advanced arm®-based 32-bit mcus.pdf文件，对应例程逐步深入了解。以后该文件简称为rm0394.pdf。
4.pm， programming manual ，编程手册，针对具体芯片，一般是risc汇编指令的解读，不推荐给初学者。
5.tn， technical note ，技术手册，一般是一些芯片规格、封装、pcb制版、toolchains等软硬件方面的杂项技术要点和进一步解读，不推荐给初学者。
3. 熟悉gpio hal driverstm32l431rct6芯片有gpioa~gpioe、gpioh等6个io口，其中，每个io口都有16个引脚，从gpiox的pin0 ~ pin15。
在第一个evb mx+的gpio例程中，我们翻转gpioc的引脚13，实现led的点亮和熄灭。
hal_gpio_togglepin(gpioc, gpio_pin_13);/* 其函数原型为 *//** * @brief toggle the specified gpio pin. * @param gpiox where x can be (a..h) to select the gpio peripheral for stm32l4 family * @param gpio_pin specifies the pin to be toggled. * @retval none */void hal_gpio_togglepin(gpio_typedef* gpiox, uint16_t gpio_pin)我们依次认识gpioc和gpio_pin_13，从hal库的数据结构、操作原理、stm32的gpio结构的角度，来逐步深入了解。gpio是最基础的内容，掌握了gpio的hal操作原理，也就理解了usart、spi、adc、iic等更复杂外设的hal库工作原理。
3.1 回顾指针3.1.1 内存中的数据与数据类型
计算机的内存，可以简单看作一条长街上的一行房子，每一个房子内能容纳数据，并且每一个房子具有独一无二的编号。
上图中，每一个格子表示1个字节，一个字节的无符号数的表示范围是为了存储更大的数，我们也可以将4个字节看作一个单元，在32位计算机中，4个字节即一个字word
计算机中所有的数据都必须放在内存中，不同类型的数据占用的字节数不一样。如 int 占用 4 个字节，char 占用 1 个字节。为了正确地访问这些数据，必须为每个字节都编上号码，就像门牌号、身份证号一样，每个字节的编号是唯一的，根据编号可以准确地找到某个字节。
我们将内存中字节的编号称为地址（address）。地址从 0 开始依次增加。对于32位环境，程序能够使用的内存为 4gb，最小的地址为0x00000000，最大的地址为0xffffffff。
下图是 4g 内存中每个字的编号（以十进制表示）：
举个简单例子：下图表明计算机中， 5个连续的字单元中的存储内容。
不得不说，如果直接通过地址编号去读取/修改这些数据，是一件让人为难的事情 ；高级语言提供了解决方案，支持通过变量名进行访问；通过变量名来访问变量，对于开发者非常友好。但是要时刻记住计算机硬件依然是通过地址来访问内存单元(hardware still accesses memory locations using addresses)。下图和代码表示通过变量名访问内存：
int a = 112, b = -1;float c = 3.14;int *d = &a;float *e = &c;在上述代码中，变量d和e是指针，它们不是int和float类型，而分别是(int *)和(float *)类型，它们是变量，也存储在内存中。在变量d中，可以存储int类型变量的地址，在变量e中，可以存储float类型变量的地址。
通过前面的图，我们已经知道，变量a存储在地址编号为100的格子中。如果需要将变量a的数值修改为200，则下面语句互相完全等价：
a = 200;*d = 200; /*变量d之前的*，是指针变量的解引用操作符，derefrence,返回存储在指针地址中的值*/*( (int *)(100) ) = 200;第三条语句是典型的c语言cast，即类型转换。第三条语句将无符号数100强制转换成了(int *)的指针，然后在编号为100的地址中写入数据200。但是，务必要注意，这种写法很危险。我们在编译程序之后，一般并不知道某个变量在内存中的存放地址，通过直接地址编号进行数据操作，很容易造成程序崩溃。但是，st hal库对内部寄存器操作，却主动采用了这种看似危险的做法。后文会清晰说明原因。3.1.2 指针是变量假设声明的变量被依次存放在0x20000000ul地址开始的单元格内。
unsignedint a = 0xffffffff; /*无符号数据，4294967295*/signedint b = -1; /*有符号数，-1*/unsignedint c = 0xfffffffd; /*无符号数据，4294967293*/signedint d = -2; /*有符号数，-2*/unsignedint *pa = &a; /*指针变量pa指向a，即，将a的地址赋值给变量pa*/unsignedint **ppa = &pa; /*指针变量ppa指向pa，即，将pa的地址赋值给变量ppa*/typedefstruct{ unsignedint a; signedint b; unsignedint c; signedint d;}user_typedef; /*自定义某个数据类型，将其命名为user_typedef*/user_typedef data = {0xffffffff,0xffffffff,0xfffffffd,0xfffffffd};user_typedef *pdata = &data; /*指针变量pdata指向data*/user_typedef **ppdata = &pdata; /*指针变量ppdata指向pdata*/在c语言中，字节对齐的情况下，结构体所占用的内存是连续的，且每个成员也是连续存放的。在本例中，结构体变量data中的各个成员data.a、data.b、data.c、data.d的内存地址是连续的。因此，虽然两段代码表面上完全不同，但是程序编译和运行后，数据在内存中的分布完全相同。
值得指出的是，结构体指针中，存放的数据是结构体变量第一个成员的地址。在本例中，data.a的地址，即0x20000000被赋值给了结构体指针pdata。而pdata存放在编号为0x20000010的内存地址中，所以该地址中存放的数据是0x20000000。
从上面的程序中可以看出：
c语言是强类型语言，不仅要声明变量，还要关注变量类型。a和b的内存地址中存放的数据其实是一样的，但是因为类型不同，所以程序对数据的理解完全不同。指针也是变量，所以也需要存储在某个内存地址中。指针并不特殊，(type *)类型的指针变量中，只能存储type类型变量的地址。此处的type，适用于c语言的基础类型数据、结构体、联合体、函数等各种类型。在32位环境中，一个指针变量占用4个字节的存储空间，无论该指针是何种类型。在第二段代码中，可以用如下方式访问结构体中的各个成员，第5~7行完全等价。
user_typedef data；/*data中的成员还没有初始化*/user_typedef *pdata = &data; /*指针变量，pdata指向data*/user_typedef **ppdata = &pdata; /*指针变量，ppdata指向pdata*/data.a = 0xffffffff;pdata- >a = 0xffffffff；(*ppdata)- >a = 0xffffffff；3.2 初识gpiox在gpioc上点击右键，选择go to definition of 'gpioc'
#define gpioa ((gpio_typedef *) gpioa_base)#define gpiob ((gpio_typedef *) gpiob_base)#define gpioc ((gpio_typedef *) gpioc_base)#define gpiod ((gpio_typedef *) gpiod_base)#define gpioe ((gpio_typedef *) gpioe_base)#define gpioh ((gpio_typedef *) gpioh_base)目前，先不管gpio_typedef这种自定义的结构体中含有哪些成员，但是我们可以清楚地知道，gpiox是一个自定义的gpio_typedef *类型的指针，通过gpiox->member的方式，可以直接访问到各个成员。
进一步在gpioc_base上点击右键，依次得到：
#define gpioa_base (ahb2periph_base + 0x0000ul)#define gpiob_base (ahb2periph_base + 0x0400ul)#define gpioc_base (ahb2periph_base + 0x0800ul)#define gpiod_base (ahb2periph_base + 0x0c00ul)#define gpioe_base (ahb2periph_base + 0x1000ul)#define gpioh_base (ahb2periph_base + 0x1c00ul)#define ahb2periph_base (periph_base + 0x08000000ul)#define periph_base (0x40000000ul)通过换算，gpioa、gpiob、gpioc等实际上等价于：
#define gpioa ((gpio_typedef *) (0x40800000ul))#define gpiob ((gpio_typedef *) (0x40800400ul))#define gpioc ((gpio_typedef *) (0x40800800ul))结合c语言存储结构体变量的特点，我们可以得出推论：以gpioc为例，从地址0x40800800ul开始，是一段连续地址空间，这段连续的空间可以完整存储gpio_typedef类型的数据。但是，这一段连续地址空间到底占用了多少字节？我们还需要深入了解自定义结构体gpio_typedef。
3.3 深入了解gpio_typedef认识gpio_typedef，等于认识了st hal中所有外设的xxx_typedef。在gpio_typedef上点击右键，选择go to definition of 'gpio_typedef'，它是一个结构体，包括moder、otyper等成员，每个成员都是uint32_t类型（无符号32位整型），__io表示volatile。每个成员的作用见下图的注释部分，翻译成中文分别是模式寄存器、输出模式寄存器、输出速度寄存器、上拉-下拉寄存器、输入数据寄存器、输出数据寄存器、置位-复位寄存器、锁定配置寄存器、复用功能寄存器、bit复位寄存器。
在rm0394.pdf的274 ~ 275页，有gpiox的寄存器布局图，其中x表示a ~ e，h：
结合gpiox的地址和寄存器布局图，可以得到推论：
如果要设置gpiox的各个引脚模式，需要向gpiox的moder寄存器中写入相应数值；如果要设置gpiox的各个引脚输出模式，需要向gpiox的otyper寄存器中写入相应数值；gpioa moder的地址是0x40800000ul，gpioa otyper的地址是0x40800004ul；gpiob moder的地址是0x40800400ul，gpiob otyper的地址是0x40800404ul；gpioc moder的地址是0x40800800ul，gpioc otyper的地址是0x40800804ul。显然，对于gpioa ~ gpioh，所有寄存器的布局是相同的，寄存器地址依次偏移4个字节，图示如下：
图中，每个地址都是32位的，每个地址中能容纳的数据也是32位。向地址0x40800000ul中写入一个32位的数据，等价于向gpioa的moder寄存器中写入一个32位的数据，显然，地址编号不如寄存器名称方便。在c语言中，字节对齐的情况下，结构体所占用的内存是连续的，且每个成员也是连续存放的。利用c语言的特性，hal库中声明了一个自定义的结构体gpio_typedef，该结构体的各个成员严格按照stm32l4xx系列的gpiox各寄存器顺序进行排序，且每个成员都能容纳（存储）一个32位的数据。在stm32中，还有诸如usart、iic、spi、can、adc等各种不同的外设，自然也就有对应的xxx_typedef的自定义结构体类型。下图给出了usart_typedef的结构体定义，我们无需查看手册就知道在stm32处理器中，控制usart外设工作需要向cr1、cr2等系列寄存器写入符合芯片rm手册中规定的数据即可。usart_typedef的声明如下图所示：
3.4 进一步了解gpiox#define gpioc ((gpio_typedef *) (0x40800800ul))define是一个宏，表示gpioc等价于((gpio_typedef *) (0x40800800ul))。因此，gpioc本质上是gpio_typedef *类型的指针。
q&a
q1： 如何对gpioa的moder寄存器执行写操作？如何对gpioc的otyper寄存器执行写操作？
a1： ->是c语言中的指向结构体成员运算符，用于使用指向某种结构的指针来访问结构内的成员。使用gpioa->mode = 0x1234; gpioc->otyper= 0x789a;即可完成gpioa和gpioc对应寄存器的数据写入。
q2： (0x40800800ul)是一个整形数据，也能转化为指针吗？
a2： 通过前文，已经知道gpiox的所有寄存器在stm32的内存中，是连续存放的。而c语言的结构体在字节对齐的情况下，内部成员也是连续存放的，且结构体指针指向结构体第一个成员的地址。利用这个特点，将数据0x40800800ul强制转换为(gpio_typedef *)类型的指针，那么，从0x40800800ul到0x40800828ul地址段，每4个字节就对应gpiox中的一个寄存器，完美构建了软件与硬件的沟通桥梁。
q3： 如果不用宏表示gpioc，那么gpioc->otyper = 0x1234应该用什么形式实现？
a3： ( (gpio_typedef *) (0x40800800ul) )->otyper = 0x1234;，意味着，程序将访问0x40800800ul开始的地址空间内的otyper成员，即将32位的十六进制数据0x1234写入地址0x40800804ul。显然，这种写法很难看，不如gpioc->otyper 直观。
3.5 hal api的设计在c语言中，指针是最核心的内容，也是难点。通过前文分析，我们已经知道指针只是变量而已，并不复杂，hal库中所用的指针很简单。
现在对比两种不同方式设计的hal_gpio_togglepin函数，其中，方式1是st hal官方库的正确设计，方式2是不合理方案。
/* 方式1：hal库官方方案*/void hal_gpio_togglepin(gpio_typedef* gpiox, uint16_t gpio_pin)/* 方式2：不合理方案*/ gpio_typedef hal_gpio_togglepin(gpio_typedef gpiox, uint16_t gpio_pin)/* 方式1：hal库官方方案进行函数调用*/hal_gpio_togglepin(gpioc, gpio_pin_13);/* 方式2：不合理方案进行函数调用*/*(gpioc) = hal_gpio_togglepin(*(gpioc), gpio_pin_13);c 语言使用传值调用方法来传递参数，即将形参的值复制给实参。在发生函数调用时，形参的存放地址空间来源于堆栈。
方式1：hal库官方方案进行函数调用：
第一个实参的值，gpioc，即0x40800800ul 被复制给了形参gpiox，占用4个字节；第二个实参的值，gpio_pin_13，被复制给了形参gpio_pin，占用4个字节。堆栈在形参上的开销至少是8个字节。传递指针gpioc的值给了临时变量gpiox，临时变量gpiox存放的具体地址不明，但是，可直接通过gpiox->mode = xx的方式，即( (gpio_typedef *) (0x40800800ul) )->mode = xx，以地址访问的形式直接修改了gpioc mode寄存器所对应的内存，从而成功修改寄存器的值。方式2：不合理方案进行函数调用：
第一个实参的值，*gpioc，即从0x40800800ul到0x40800828ul地址空间内的所有数据，被复制给了形参gpiox，合计占用44字节；第二个实参的值，gpio_pin_13，被复制给了形参gpio_pin，占用4个字节。堆栈在形参上的开销至少是48个字节。由于gpiox是个gpio_typedef类型的临时变量，存放的具体地址不明，即使在程序中使用gpiox.mode修改了gpiox成员mode的数值，也不会真正影响gpioc->mode。gpioc->mode表示地址0x40800800ul，而gpiox.mode肯定不存放在该地址，修改gpiox.mode中存放的数值，自然不可能影响到内存地址0x40800800ul，必须通过函数返回值进行赋值，而这又会带来一系列堆栈开销。
综上，对比两种设计方法，毫无疑问是hal库提供的方式1效果更加，更加高效，占用内存更少。hal库中，都是通过传递指针来进行api函数设计的。
4. 小结hal的精髓在于abstract抽象。stm32的rm、um手册是基础，an手册是进阶。指针到底是什么？指针是变量。指向int指针和指向结构体的指针的相同点在于，在32位环境中占用4个字节；不同点是存储不同类型变量的地址。hal的gpio_typedef之类的xxx_typedef是严格与rm手册中的寄存器分布一一对应的。hal库通过封装xxx_typedef类型的指针，利用c语言的结构体实现了典型的面向对象编程的思路。
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相比标准外设库，stm32 hal库拥有更好的抽象整合水平，hal api（hal application programming interface，hal应用程序接口）集中关注各个外设（peripheral）的公共函数功能，通过定义一套通用的、用户友好的api函数接口，支持不同stm32系列产品之间的轻松移植。
以点亮led的工程举例。
1.首先配置mdk的代码补全
edit configuration text completion symbols after 3 characters。
2.代码补全效果。
hal库函数都以hal作为开头。打开代码自动补全后，输入hal_gpio即可弹出一系列支持的函数，如下图的init（初始化）、lockpin（锁引脚）、readpin（读引脚）、togglepin（翻转引脚）等。
3.hal支持哪些函数？
如下图所示，点击mdk左侧工程栏下方的functions，点开对应的hal_xx.c文件，即可显示出所有的hal库函数。
st的hal库通过高度抽象化，使用统一的hal api对硬件进行操作。无论是使用stm32f1系列、l4系列、f7系列、h7系列等，对gpio的初始化、读、写、翻转操作都是如下的统一接口，极大地方便了开发者将相同的代码移植到不同的st系列芯片中。
void hal_gpio_init(gpio_typedef *gpiox, gpio_inittypedef *gpio_init)gpio_pinstate hal_gpio_readpin(gpio_typedef* gpiox, uint16_t gpio_pin)void hal_gpio_writepin(gpio_typedef* gpiox, uint16_t gpio_pin, gpio_pinstate pinstate)void hal_gpio_togglepin(gpio_typedef* gpiox, uint16_t gpio_pin)cubemx通过图形化界面操作，配置各个引脚、外设的工作状态，自动生成驱动初始化代码，方便用户快速进行底层功能部署，开发者只关注cubemx图形化界面的配置，可以不关注写底层硬件寄存器，通过调用统一的hal api实现外设各种功能，这是hal的一个典型特点。
2. stm32 manual关于stm32l4系列的手册，可以在https://www.st.com/zh/microcontrollers-microprocessors/stm32l4-series.html下载相关手册。
st系列常见文档的命名规则如下：
1.an， application note ，应用手册。一般是一些相对复杂、精细、精巧的应用原理与结果介绍，阅读门槛较高，建议熟悉芯片、熟悉嵌入式系统后，再根据具体开发工作需求进行查找与阅读。
2.ds， data sheet ，规格书。芯片手册，说明芯片容量、芯片时序、芯片封装等情况的文档，一般用于硬件选型阶段。
3.um， user manual ，用户手册，为开发者提供hal库使用说明、硬件使用说明等情况的文档，开发阶段可以作为参考书。浏览https://www.st.com/zh/embedded-software/stm32cubel4.html可以找到stm32l4系列的hal库um手册。本课程要求下载um1884 description of stm32l4/l4+ hal and low-layer drivers.pdf手册。建议将该手册作为参考书，有需要时再查阅，不要通读，以后该文件简称为um1884.pdf文件。
rm， reference manual ，参考手册。说明芯片内部寄存器如何配置的手册，本课程要求下载rm0394_stm32l41xxx/42xxx/43xxx/44xxx/45xxx/46xxx advanced arm®-based 32-bit mcus.pdf文件，对应例程逐步深入了解。以后该文件简称为rm0394.pdf。
4.pm， programming manual ，编程手册，针对具体芯片，一般是risc汇编指令的解读，不推荐给初学者。
5.tn， technical note ，技术手册，一般是一些芯片规格、封装、pcb制版、toolchains等软硬件方面的杂项技术要点和进一步解读，不推荐给初学者。
3. 熟悉gpio hal driverstm32l431rct6芯片有gpioa~gpioe、gpioh等6个io口，其中，每个io口都有16个引脚，从gpiox的pin0 ~ pin15。
在第一个evb mx+的gpio例程中，我们翻转gpioc的引脚13，实现led的点亮和熄灭。
hal_gpio_togglepin(gpioc, gpio_pin_13);/* 其函数原型为 *//** * @brief toggle the specified gpio pin. * @param gpiox where x can be (a..h) to select the gpio peripheral for stm32l4 family * @param gpio_pin specifies the pin to be toggled. * @retval none */void hal_gpio_togglepin(gpio_typedef* gpiox, uint16_t gpio_pin)我们依次认识gpioc和gpio_pin_13，从hal库的数据结构、操作原理、stm32的gpio结构的角度，来逐步深入了解。gpio是最基础的内容，掌握了gpio的hal操作原理，也就理解了usart、spi、adc、iic等更复杂外设的hal库工作原理。
3.1 回顾指针3.1.1 内存中的数据与数据类型
计算机的内存，可以简单看作一条长街上的一行房子，每一个房子内能容纳数据，并且每一个房子具有独一无二的编号。
上图中，每一个格子表示1个字节，一个字节的无符号数的表示范围是为了存储更大的数，我们也可以将4个字节看作一个单元，在32位计算机中，4个字节即一个字word
计算机中所有的数据都必须放在内存中，不同类型的数据占用的字节数不一样。如 int 占用 4 个字节，char 占用 1 个字节。为了正确地访问这些数据，必须为每个字节都编上号码，就像门牌号、身份证号一样，每个字节的编号是唯一的，根据编号可以准确地找到某个字节。
我们将内存中字节的编号称为地址（address）。地址从 0 开始依次增加。对于32位环境，程序能够使用的内存为 4gb，最小的地址为0x00000000，最大的地址为0xffffffff。
下图是 4g 内存中每个字的编号（以十进制表示）：
举个简单例子：下图表明计算机中， 5个连续的字单元中的存储内容。
不得不说，如果直接通过地址编号去读取/修改这些数据，是一件让人为难的事情 ；高级语言提供了解决方案，支持通过变量名进行访问；通过变量名来访问变量，对于开发者非常友好。但是要时刻记住计算机硬件依然是通过地址来访问内存单元(hardware still accesses memory locations using addresses)。下图和代码表示通过变量名访问内存：
int a = 112, b = -1;float c = 3.14;int *d = &a;float *e = &c;在上述代码中，变量d和e是指针，它们不是int和float类型，而分别是(int *)和(float *)类型，它们是变量，也存储在内存中。在变量d中，可以存储int类型变量的地址，在变量e中，可以存储float类型变量的地址。
通过前面的图，我们已经知道，变量a存储在地址编号为100的格子中。如果需要将变量a的数值修改为200，则下面语句互相完全等价：
a = 200;*d = 200; /*变量d之前的*，是指针变量的解引用操作符，derefrence,返回存储在指针地址中的值*/*( (int *)(100) ) = 200;第三条语句是典型的c语言cast，即类型转换。第三条语句将无符号数100强制转换成了(int *)的指针，然后在编号为100的地址中写入数据200。但是，务必要注意，这种写法很危险。我们在编译程序之后，一般并不知道某个变量在内存中的存放地址，通过直接地址编号进行数据操作，很容易造成程序崩溃。但是，st hal库对内部寄存器操作，却主动采用了这种看似危险的做法。后文会清晰说明原因。3.1.2 指针是变量假设声明的变量被依次存放在0x20000000ul地址开始的单元格内。
unsignedint a = 0xffffffff; /*无符号数据，4294967295*/signedint b = -1; /*有符号数，-1*/unsignedint c = 0xfffffffd; /*无符号数据，4294967293*/signedint d = -2; /*有符号数，-2*/unsignedint *pa = &a; /*指针变量pa指向a，即，将a的地址赋值给变量pa*/unsignedint **ppa = &pa; /*指针变量ppa指向pa，即，将pa的地址赋值给变量ppa*/typedefstruct{ unsignedint a; signedint b; unsignedint c; signedint d;}user_typedef; /*自定义某个数据类型，将其命名为user_typedef*/user_typedef data = {0xffffffff,0xffffffff,0xfffffffd,0xfffffffd};user_typedef *pdata = &data; /*指针变量pdata指向data*/user_typedef **ppdata = &pdata; /*指针变量ppdata指向pdata*/在c语言中，字节对齐的情况下，结构体所占用的内存是连续的，且每个成员也是连续存放的。在本例中，结构体变量data中的各个成员data.a、data.b、data.c、data.d的内存地址是连续的。因此，虽然两段代码表面上完全不同，但是程序编译和运行后，数据在内存中的分布完全相同。
值得指出的是，结构体指针中，存放的数据是结构体变量第一个成员的地址。在本例中，data.a的地址，即0x20000000被赋值给了结构体指针pdata。而pdata存放在编号为0x20000010的内存地址中，所以该地址中存放的数据是0x20000000。
从上面的程序中可以看出：
c语言是强类型语言，不仅要声明变量，还要关注变量类型。a和b的内存地址中存放的数据其实是一样的，但是因为类型不同，所以程序对数据的理解完全不同。指针也是变量，所以也需要存储在某个内存地址中。指针并不特殊，(type *)类型的指针变量中，只能存储type类型变量的地址。此处的type，适用于c语言的基础类型数据、结构体、联合体、函数等各种类型。在32位环境中，一个指针变量占用4个字节的存储空间，无论该指针是何种类型。在第二段代码中，可以用如下方式访问结构体中的各个成员，第5~7行完全等价。
user_typedef data；/*data中的成员还没有初始化*/user_typedef *pdata = &data; /*指针变量，pdata指向data*/user_typedef **ppdata = &pdata; /*指针变量，ppdata指向pdata*/data.a = 0xffffffff;pdata- >a = 0xffffffff；(*ppdata)- >a = 0xffffffff；3.2 初识gpiox在gpioc上点击右键，选择go to definition of 'gpioc'
#define gpioa ((gpio_typedef *) gpioa_base)#define gpiob ((gpio_typedef *) gpiob_base)#define gpioc ((gpio_typedef *) gpioc_base)#define gpiod ((gpio_typedef *) gpiod_base)#define gpioe ((gpio_typedef *) gpioe_base)#define gpioh ((gpio_typedef *) gpioh_base)目前，先不管gpio_typedef这种自定义的结构体中含有哪些成员，但是我们可以清楚地知道，gpiox是一个自定义的gpio_typedef *类型的指针，通过gpiox->member的方式，可以直接访问到各个成员。
进一步在gpioc_base上点击右键，依次得到：
#define gpioa_base (ahb2periph_base + 0x0000ul)#define gpiob_base (ahb2periph_base + 0x0400ul)#define gpioc_base (ahb2periph_base + 0x0800ul)#define gpiod_base (ahb2periph_base + 0x0c00ul)#define gpioe_base (ahb2periph_base + 0x1000ul)#define gpioh_base (ahb2periph_base + 0x1c00ul)#define ahb2periph_base (periph_base + 0x08000000ul)#define periph_base (0x40000000ul)通过换算，gpioa、gpiob、gpioc等实际上等价于：
#define gpioa ((gpio_typedef *) (0x40800000ul))#define gpiob ((gpio_typedef *) (0x40800400ul))#define gpioc ((gpio_typedef *) (0x40800800ul))结合c语言存储结构体变量的特点，我们可以得出推论：以gpioc为例，从地址0x40800800ul开始，是一段连续地址空间，这段连续的空间可以完整存储gpio_typedef类型的数据。但是，这一段连续地址空间到底占用了多少字节？我们还需要深入了解自定义结构体gpio_typedef。
3.3 深入了解gpio_typedef认识gpio_typedef，等于认识了st hal中所有外设的xxx_typedef。在gpio_typedef上点击右键，选择go to definition of 'gpio_typedef'，它是一个结构体，包括moder、otyper等成员，每个成员都是uint32_t类型（无符号32位整型），__io表示volatile。每个成员的作用见下图的注释部分，翻译成中文分别是模式寄存器、输出模式寄存器、输出速度寄存器、上拉-下拉寄存器、输入数据寄存器、输出数据寄存器、置位-复位寄存器、锁定配置寄存器、复用功能寄存器、bit复位寄存器。
在rm0394.pdf的274 ~ 275页，有gpiox的寄存器布局图，其中x表示a ~ e，h：
结合gpiox的地址和寄存器布局图，可以得到推论：
如果要设置gpiox的各个引脚模式，需要向gpiox的moder寄存器中写入相应数值；如果要设置gpiox的各个引脚输出模式，需要向gpiox的otyper寄存器中写入相应数值；gpioa moder的地址是0x40800000ul，gpioa otyper的地址是0x40800004ul；gpiob moder的地址是0x40800400ul，gpiob otyper的地址是0x40800404ul；gpioc moder的地址是0x40800800ul，gpioc otyper的地址是0x40800804ul。显然，对于gpioa ~ gpioh，所有寄存器的布局是相同的，寄存器地址依次偏移4个字节，图示如下：
图中，每个地址都是32位的，每个地址中能容纳的数据也是32位。向地址0x40800000ul中写入一个32位的数据，等价于向gpioa的moder寄存器中写入一个32位的数据，显然，地址编号不如寄存器名称方便。在c语言中，字节对齐的情况下，结构体所占用的内存是连续的，且每个成员也是连续存放的。利用c语言的特性，hal库中声明了一个自定义的结构体gpio_typedef，该结构体的各个成员严格按照stm32l4xx系列的gpiox各寄存器顺序进行排序，且每个成员都能容纳（存储）一个32位的数据。在stm32中，还有诸如usart、iic、spi、can、adc等各种不同的外设，自然也就有对应的xxx_typedef的自定义结构体类型。下图给出了usart_typedef的结构体定义，我们无需查看手册就知道在stm32处理器中，控制usart外设工作需要向cr1、cr2等系列寄存器写入符合芯片rm手册中规定的数据即可。usart_typedef的声明如下图所示：
3.4 进一步了解gpiox#define gpioc ((gpio_typedef *) (0x40800800ul))define是一个宏，表示gpioc等价于((gpio_typedef *) (0x40800800ul))。因此，gpioc本质上是gpio_typedef *类型的指针。
q&a
q1： 如何对gpioa的moder寄存器执行写操作？如何对gpioc的otyper寄存器执行写操作？
a1： ->是c语言中的指向结构体成员运算符，用于使用指向某种结构的指针来访问结构内的成员。使用gpioa->mode = 0x1234; gpioc->otyper= 0x789a;即可完成gpioa和gpioc对应寄存器的数据写入。
q2： (0x40800800ul)是一个整形数据，也能转化为指针吗？
a2： 通过前文，已经知道gpiox的所有寄存器在stm32的内存中，是连续存放的。而c语言的结构体在字节对齐的情况下，内部成员也是连续存放的，且结构体指针指向结构体第一个成员的地址。利用这个特点，将数据0x40800800ul强制转换为(gpio_typedef *)类型的指针，那么，从0x40800800ul到0x40800828ul地址段，每4个字节就对应gpiox中的一个寄存器，完美构建了软件与硬件的沟通桥梁。
q3： 如果不用宏表示gpioc，那么gpioc->otyper = 0x1234应该用什么形式实现？
a3： ( (gpio_typedef *) (0x40800800ul) )->otyper = 0x1234;，意味着，程序将访问0x40800800ul开始的地址空间内的otyper成员，即将32位的十六进制数据0x1234写入地址0x40800804ul。显然，这种写法很难看，不如gpioc->otyper 直观。
3.5 hal api的设计在c语言中，指针是最核心的内容，也是难点。通过前文分析，我们已经知道指针只是变量而已，并不复杂，hal库中所用的指针很简单。
现在对比两种不同方式设计的hal_gpio_togglepin函数，其中，方式1是st hal官方库的正确设计，方式2是不合理方案。
/* 方式1：hal库官方方案*/void hal_gpio_togglepin(gpio_typedef* gpiox, uint16_t gpio_pin)/* 方式2：不合理方案*/ gpio_typedef hal_gpio_togglepin(gpio_typedef gpiox, uint16_t gpio_pin)/* 方式1：hal库官方方案进行函数调用*/hal_gpio_togglepin(gpioc, gpio_pin_13);/* 方式2：不合理方案进行函数调用*/*(gpioc) = hal_gpio_togglepin(*(gpioc), gpio_pin_13);c 语言使用传值调用方法来传递参数，即将形参的值复制给实参。在发生函数调用时，形参的存放地址空间来源于堆栈。
方式1：hal库官方方案进行函数调用：
第一个实参的值，gpioc，即0x40800800ul 被复制给了形参gpiox，占用4个字节；第二个实参的值，gpio_pin_13，被复制给了形参gpio_pin，占用4个字节。堆栈在形参上的开销至少是8个字节。传递指针gpioc的值给了临时变量gpiox，临时变量gpiox存放的具体地址不明，但是，可直接通过gpiox->mode = xx的方式，即( (gpio_typedef *) (0x40800800ul) )->mode = xx，以地址访问的形式直接修改了gpioc mode寄存器所对应的内存，从而成功修改寄存器的值。方式2：不合理方案进行函数调用：
第一个实参的值，*gpioc，即从0x40800800ul到0x40800828ul地址空间内的所有数据，被复制给了形参gpiox，合计占用44字节；第二个实参的值，gpio_pin_13，被复制给了形参gpio_pin，占用4个字节。堆栈在形参上的开销至少是48个字节。由于gpiox是个gpio_typedef类型的临时变量，存放的具体地址不明，即使在程序中使用gpiox.mode修改了gpiox成员mode的数值，也不会真正影响gpioc->mode。gpioc->mode表示地址0x40800800ul，而gpiox.mode肯定不存放在该地址，修改gpiox.mode中存放的数值，自然不可能影响到内存地址0x40800800ul，必须通过函数返回值进行赋值，而这又会带来一系列堆栈开销。
综上，对比两种设计方法，毫无疑问是hal库提供的方式1效果更加，更加高效，占用内存更少。hal库中，都是通过传递指针来进行api函数设计的。
4. 小结hal的精髓在于abstract抽象。stm32的rm、um手册是基础，an手册是进阶。指针到底是什么？指针是变量。指向int指针和指向结构体的指针的相同点在于，在32位环境中占用4个字节；不同点是存储不同类型变量的地址。hal的gpio_typedef之类的xxx_typedef是严格与rm手册中的寄存器分布一一对应的。hal库通过封装xxx_typedef类型的指针，利用c语言的结构体实现了典型的面向对象编程的思路。
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