初學者福利！花兩天時間整理的STM32中的一些C語言知識點
說在前面的話
一位初學微控制器的小夥伴讓我推薦C語言書籍，因為C語言基礎比較差，想把C語言重新學一遍，再去學微控制器，我以前剛學微控制器的時候也有這樣子的想法。
其實C語言是可以邊學微控制器邊學的，學微控制器的一些例程中，遇到不懂的C語言知識，再去查相關的知識點，這樣印象才會深刻些。
下面就列出了一些STM32中重要的C語言知識點，初學的小夥伴可以多讀幾遍，其中大多知識點之前都有寫過，這裡重新整理一下，更詳細地分析解釋可以閱讀附帶的連結。
assert_param
斷言（assert）就是用於在程式碼中捕捉這些假設，可以將斷言看作是異常處理的一種高階形式。
斷言表示為一些布林表示式，程式設計師相信在程式中的某個特定點該表示式值為真。
可以在任何時候啟用和禁用斷言驗證，因此可以在測試時啟用斷言，而在部署時禁用斷言。同樣，程式投入執行後，終端使用者在遇到問題時可以重新啟用斷言。
注意assert()是一個巨集，而不是函式。
在STM32中，常常會看到類似程式碼：
assert_param(IS_ADC_ALL_INSTANCE(hadc->Instance));
assert_param(IS_ADC_SINGLE_DIFFERENTIAL(SingleDiff));
這是用來檢查函式傳入的引數的有效性。STM32中的assert_param預設是不使用的，即：
如果要使用，需要定義USE_FULL_ASSERT巨集，並且需要自己實現assert_failed函式。特別的，使用STM32CubeMX生成程式碼的話，會在main.c生成：
我們在這進行填充就好。
下面分享一下assert的應用例子：
// 公眾號：嵌入式大雜燴
#include <stdio.h>
#include <assert.h>
int main(void)
{
int a, b, c;
printf("請輸入b, c的值：");
scanf("%d %d", &b, &c);
a = b / c;
printf("a = %d", a);
return 0;
}
此處，變數c作為分母是不能等於0，如果我們輸入2 0，結果是什麼呢？結果是程式會蹦：
這個例子中只有幾行程式碼，我們很快就可以找到程式蹦的原因就是變數c的值為0。但是，如果程式碼量很大，我們還能這麼快的找到問題點嗎？
這時候，assert()就派上用場了，以上程式碼中，我們可以在a = b / c;這句程式碼之前加上assert(c);這句程式碼用來判斷變數c的有效性。此時，再編譯執行，得到的結果為：
可見，程式蹦的同時還會在標準錯誤流中列印一條錯誤資訊：
Assertion failed：c, file hello.c, line 12
這條資訊包含了一些對我們查詢bug很有幫助的資訊：問題出在變數c，在hello.c檔案的第12行。這麼一來，我們就可以迅速的定位到問題點了。
這時候細心的朋友會發現，上邊我們對assert()的介紹中，有這麼一句說明：
如果表示式的值為假，assert()巨集就會呼叫_assert函式在標準錯誤流中列印一條錯誤資訊，並呼叫abort()（abort()函式的原型在stdlib.h標頭檔案中）函式終止程式。
所以，針對我們這個例子，我們的assert()巨集我們也可以用以下程式碼來代替：
if (0 == c)
{
puts("c的值不能為0，請重新輸入！");
abort();
}
這樣，也可以給我們起到提示的作用：
但是，使用assert()至少有幾個好處：
1）能自動標識檔案和出問題的行號。
2）無需要更改程式碼就能開啟或關閉assert機制(開不開啟關係到程式大小的問題)。如果認為已經排除了程式的bug，就可以把下面的巨集定義寫在包含assert.h的位置的前面：
#define NDEBUG
並重新編譯程式，這樣編輯器就會禁用工程檔案中所有的assert()語句。如果程式又出現問題，可以移除這條#define指令（或把它註釋掉），然後重新編譯程式，這樣就可以重新啟用了assert()語句。
相關文章：【C語言筆記】assert()怎麼用？
預處理指令
1、#error
#error "Please select first the target STM32L4xx device used in your application (in stm32l4xx.h file)"
#error 指令讓前處理器發出一條錯誤資訊，並且會中斷編譯過程。
#error的例子：
// 公眾號：嵌入式大雜燴
#include <stdio.h>
#define RX_BUF_IDX 100
#if RX_BUF_IDX == 0
static const unsigned int rtl8139_rx_config = 0;
#elif RX_BUF_IDX == 1
static const unsigned int rtl8139_rx_config = 1;
#elif RX_BUF_IDX == 2
static const unsigned int rtl8139_rx_config = 2;
#elif RX_BUF_IDX == 3
static const unsigned int rtl8139_rx_config = 3;
#else
#error "Invalid configuration for 8139_RXBUF_IDX"
#endif
int main(void)
{
printf("hello world\n");
return 0;
}
這段示例程式碼很簡單，當RX_BUF_IDX巨集的值不為0~3時，在預處理階段就會通過#error 指令輸出一條錯誤提示資訊：
"Invalid configuration for 8139_RXBUF_IDX"
下面編譯看一看結果：
2、#if、#elif、#else、#endif、#ifdef、#ifndef
（1）#if
#if (USE_HAL_ADC_REGISTER_CALLBACKS == 1)
void (* ConvCpltCallback)(struct __ADC_HandleTypeDef *hadc);
// ......
#endif /* USE_HAL_ADC_REGISTER_CALLBACKS */
#if的使用一般使用格式如下
#if 整型常量表達式1
程式段1
#elif 整型常量表達式2
程式段2
#else
程式段3
#endif
執行起來就是，如果整形常量表達式為真，則執行程式段1，以此類推，最後#endif是#if的結束標誌。
（2）#ifdef、#ifndef
#ifdef HAL_RTC_MODULE_ENABLED
#include "stm32l4xx_hal_rtc.h"
#endif /* HAL_RTC_MODULE_ENABLED */
#ifdef的作用是判斷某個巨集是否定義，如果該巨集已經定義則執行後面的程式碼，一般使用格式如下：
#ifdef 巨集名
程式段1
#else
程式段2
#endif
它的意思是，如果該巨集已被定義過，則對程式段1進行編譯，否則對程式段2進行編譯，通#if一樣，#endif也是#ifdef的結束標誌。
#ifndef __STM32L4xx_HAL_ADC_EX_H
#define __STM32L4xx_HAL_ADC_EX_H
// ......
#endif
#ifndef的作用與#ifdef的作用相反，用於判斷某個巨集是否沒被定義。
（3）#if defined、#if !defined
defined用於判斷某個巨集是否被定義， !defined與defined的作用相反。這樣一來#if defined可以達到與#ifdef一樣的效果。如例子：
#if defined(STM32L412xx)
#include "stm32l412xx.h"
#elif defined(STM32L422xx)
#include "stm32l422xx.h"
//........
#elif defined(STM32L4S9xx)
#include "stm32l4s9xx.h"
#else
#error "Please select first the target STM32L4xx device used in your application (in stm32l4xx.h file)"
#endif
如果STM32L412xx巨集被定義，則包含標頭檔案stm32l412xx.h，以此類推。
既然已經有#ifdef、#ifndef了，#if defined與#if !defined是否是多餘的？
不是的，#ifdef和#ifndef僅能一次判斷一個巨集名，而defined能做到一次判斷多個巨集名，例如：
#if defined(STM32L4R5xx) || defined(STM32L4R7xx) || defined(STM32L4R9xx) || defined(STM32L4S5xx) || defined(STM32L4S7xx) || defined(STM32L4S9xx)
// ......
#endif /* STM32L4R5xx || STM32L4R7xx || STM32L4R9xx || STM32L4S5xx || STM32L4S7xx || STM32L4S9xx */
更進一步，可以構建一些更密切地因果處理，如：
#if defined(__ARMCC_VERSION) && (__ARMCC_VERSION < 400677)
#error "Please use ARM Compiler Toolchain V4.0.677 or later!"
#endif
#define PI (3.14)
#define R (6)
#if defined(PI) && defined(R)
#define AREA (PI*R*R)
#endif
3、#pragma指令
#pragma指令為我們提供了讓編譯器執行某些特殊操作提供了一種方法。這條指令對非常大的程式或需要使用特定編譯器的特殊功能的程式非常有用。
#pragma指令的一般形式為：#pragma para ，其中，para為引數。如
#if defined ( __GNUC__ )
#pragma GCC diagnostic push
#pragma GCC diagnostic ignored "-Wsign-conversion"
#pragma GCC diagnostic ignored "-Wconversion"
#pragma GCC diagnostic ignored "-Wunused-parameter"
#endif
這一段的作用是忽略一些gcc的警告。#pragma命令中出現的命令集在不同的編譯器上是不一樣的，使用時必須查閱所使用的編譯器的文件來了解有哪些命令、以及這些命令的功能。
下面簡單看一下#pragma命令的常見用法。
（1）、#pragma pack
我們可以利用#pragma pack來改變編譯器的對齊方式：
#pragma pack(n) /* 指定按n位元組對齊 */
#pragma pack() /* 取消自定義位元組對齊 */
我們使用#pragma pack指令來指定對齊的位元組數。例子：
①指定按1位元組對齊
執行結果為：
②指定2位元組對齊
執行結果為：
可見，指定的對齊的位元組數不一樣，得到的結果也不一樣。指定對齊有什麼用呢，大概就是可以避免了移植過程中編譯器的差異帶來的程式碼隱患吧。比如兩個編譯器的預設對齊方式不一樣，那可能會帶來一些bug。
（2）#pragma message
該指令用於在預處理過程中輸出一些有用的提示資訊，如：
執行結果為：
如上，我們平時可以在一些條件編譯塊中加上類似資訊，因為在一些巨集選擇較多的情況下，可能會導致程式碼理解起來會混亂。不過現在一些編譯器、編輯器都會對這些情況進行一些很明顯的區分了，比如哪塊程式碼沒有用到，那塊程式碼的背景色就會是灰色的。
（3）#pragma warning
該指令允許選擇性地修改編譯器警告資訊。
例子：
#pragma warning( disable : 4507 34; once : 4385; error : 164 )
等價於：
#pragma warning(disable:4507 34) // 不顯示4507和34號警告資訊
#pragma warning(once:4385) // 4385號警告資訊僅報告一次
#pragma warning(error:164) // 把164號警告資訊作為一個錯
這個指令暫且瞭解這麼多，知道有這麼一回事就可以。
關於#pragma指令還有很多用法，但比較冷門，這裡暫且不列舉，有興趣的朋友可以自行學習。
相關文章：認識認識#pragma、#error指令
extern "C"
#ifndef __STM32L4S7xx_H
#define __STM32L4S7xx_H
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif /* __cplusplus */
#ifdef __cplusplus
}
#endif /* __cplusplus */
#endif /* __STM32L4S7xx_H */
加上extern "C"後，會指示編譯器這部分程式碼按C語言（而不是C++）的方式進行編譯。因為C、C++編譯器對函式的編譯處理是不完全相同的，尤其對於C++來說，支援函式的過載，編譯後的函式一般是以函式名和形參型別來命名的。
例如函式void fun(int, int)，編譯後的可能是_fun_int_int(不同編譯器可能不同，但都採用了類似的機制，用函式名和引數型別來命名編譯後的函式名)；而C語言沒有類似的過載機制，一般是利用函式名來指明編譯後的函式名的，對應上面的函式可能會是_fun這樣的名字。
相關文章：乾貨 | extern "C"的用法解析
#與##運算子
#define __STM32_PIN(index, gpio, gpio_index) \
{ \
index, GPIO##gpio##_CLK_ENABLE, GPIO##gpio, GPIO_PIN_##gpio_index \
}
1、#運算子
我們平時使用帶參巨集時，字串中的巨集引數是沒有被替換的。例如：
輸出結果為：
然而，我們期望輸出的結果是：
5 + 20 = 25
13 + 14 = 27
這該怎麼做呢？其實，C語言允許在字串中包含巨集引數。在類函式巨集（帶參巨集）中，#號作為一個預處理運算子，可以把記號轉換成字串。
例如，如果A是一個巨集形參，那麼#A就是轉換為字串"A"的形參名。這個過程稱為字串化（stringizing）。以下程式演示這個過程：
輸出結果為：
這就達到我們想要的結果了。所以，#運算子可以完成字串化（stringizing）的過程。
2、##運算子
與#運算子類似，##運算子可用於類函式巨集（帶參巨集）的替換部分。##運算子可以把兩個記號組合成一個記號。例如，可以這樣做：
#define XNAME(n) x##n
然後，巨集XNAME(4)將展開x4。以下程式演示##運算子的用法：
輸出結果為：
注意：
PRINT_XN()巨集用#運算子組合字串，##運算子把記號組合為一個新的識別符號。
其實，##運算子在這裡看來並沒有起到多大的便利，反而會讓我們感覺到不習慣。但是，使用##運算子有時候是可以提高封裝性及程式的可讀性的。
相關文章：這兩個C運算子你可能沒用過，但卻很有用~
_IO、 _I、 _O、volatile
一些底層結構體成員中，常常使用_IO、 _O、 _I這三個巨集來修飾，如：
typedef struct
{
__IO uint32_t TIR; /*!< CAN TX mailbox identifier register */
__IO uint32_t TDTR; /*!< CAN mailbox data length control and time stamp register */
__IO uint32_t TDLR; /*!< CAN mailbox data low register */
__IO uint32_t TDHR; /*!< CAN mailbox data high register */
} CAN_TxMailBox_TypeDef;
而這三個巨集其實是volatile的替換，即：
#define __I volatile /*!< Defines 'read only' permissions */
#define __O volatile /*!< Defines 'write only' permissions */
#define __IO volatile /*!< Defines 'read / write' permissions */
volatile的作用就是不讓編譯器進行優化，即每次讀取或者修改值的時候，都必須重新從記憶體或者暫存器中讀取或者修改。 在我們嵌入式中， volatile 用在如下的幾個地方：
中斷服務程式中修改的供其它程式檢測的變數需要加 volatile；
多工環境下各任務間共享的標誌應該加 volatile；
儲存器對映的硬體暫存器通常也要加 volatile 說明，因為每次對它的讀寫都可能由不 同意義；
例如：
/* 假設REG為暫存器的地址 */
uint32 *REG;
*REG = 0； /* 點燈 */
*REG = 1； /* 滅燈 */
此時若是REG不加volatile進行修飾，則點燈操作將被優化掉，只執行滅燈操作。
位操作
STM32中，使用外設都得先配置其相關暫存器，都是使用一些位操作。比如庫函式的內部實現就是一些位操作：
static void TI4_Config(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_ICPolarity, uint16_t TIM_ICSelection,
uint16_t TIM_ICFilter)
{
uint16_t tmpccmr2 = 0, tmpccer = 0, tmp = 0;
/* Disable the Channel 4: Reset the CC4E Bit */
TIMx->CCER &= (uint16_t)~TIM_CCER_CC4E;
tmpccmr2 = TIMx->CCMR2;
tmpccer = TIMx->CCER;
tmp = (uint16_t)(TIM_ICPolarity << 12);
/* Select the Input and set the filter */
tmpccmr2 &= ((uint16_t)~TIM_CCMR1_CC2S) & ((uint16_t)~TIM_CCMR1_IC2F);
tmpccmr2 |= (uint16_t)(TIM_ICSelection << 8);
tmpccmr2 |= (uint16_t)(TIM_ICFilter << 12);
/* Select the Polarity and set the CC4E Bit */
tmpccer &= (uint16_t)~(TIM_CCER_CC4P | TIM_CCER_CC4NP);
tmpccer |= (uint16_t)(tmp | (uint16_t)TIM_CCER_CC4E);
/* Write to TIMx CCMR2 and CCER registers */
TIMx->CCMR2 = tmpccmr2;
TIMx->CCER = tmpccer ;
}
看似很複雜，其實就是按照規格書來配置就可以。雖然實際應用中，很少會採用直接配置暫存器的方法來使用，但是也需要掌握，一些特殊的地方可以直接操控暫存器，比如中斷中。
位操作簡單例子：
首先，以下是按位運算子：
在嵌入式程式設計中，常常需要對一些暫存器進行配置，有的情況下需要改變一個位元組中的某一位或者幾位，但是又不想改變其它位原有的值，這時就可以使用按位運算子進行操作。下面進行舉例說明，假如有一個8位的TEST暫存器：
當我們要設定第0位bit0的值為1時，可能會這樣進行設定：
TEST = 0x01;
但是，這樣設定是不夠準確的，因為這時候已經同時操作到了高7位：bit1~bit7，如果這高7位沒有用到的話，這麼設定沒有什麼影響；但是，如果這7位正在被使用，結果就不是我們想要的了。
在這種情況下，我們就可以借用按位操作運算子進行配置。
對於二進位制位操作來說，不管該位原來的值是0還是1，它跟0進行&運算，得到的結果都是0，而跟1進行&運算，將保持原來的值不變；不管該位原來的值是0還是1，它跟1進行|運算，得到的結果都是1，而跟0進行|運算，將保持原來的值不變。
所以，此時可以設定為：
TEST = TEST | 0x01;
其意義為：TEST暫存器的高7位均不變，最低位變成1了。在實際程式設計中，常改寫為：
TEST |= 0x01;
這種寫法可以一定程度上簡化程式碼，是 C 語言常用的一種程式設計風格。設定暫存器的某一位還有另一種操作方法，以上的等價方法如：
TEST |= (0x01 << 0);
第幾位要置1就左移幾位。
同樣的，要給TEST的低4位清0，高4位保持不變，可以進行如下配置：
TEST &= 0xF0;
相關文章：C語言、嵌入式位操作精華技巧大彙總
do {}while(0)
這是在巨集定義中用的，STM32的標準庫中沒有使用這種用法，HAL庫中有大量的用法例子，如：
#define __HAL_FLASH_INSTRUCTION_CACHE_RESET() do { SET_BIT(FLASH->ACR, FLASH_ACR_ICRST); \
CLEAR_BIT(FLASH->ACR, FLASH_ACR_ICRST); \
} while (0)
下面以一個例子來分析do {}while(0)的用法：
// 公眾號：嵌入式大雜燴
#define DEBUG 1
#if DEBUG
#define DBG_PRINTF(fmt, args...) \
{\
printf("<<File:%s Line:%d Function:%s>> ", __FILE__, __LINE__, __FUNCTION__);\
printf(fmt, ##args);\
}
#else
#define DBG_PRINTF(fmt, args...)
#endif
這個巨集列印有什麼缺陷？
我們與if、else使用的時候，會有這樣的一種使用情況：
此時會報語法錯誤。為什麼呢？
同樣的，我們可以先來看一下我們的demo程式碼預處理過後，相應的巨集程式碼會被轉換為什麼。如：
這裡我們可以看到，我們的if、else結構程式碼被替換為如下形式：
if(c)
{ /* ....... */ };
else
{ /* ....... */ };
顯然，出現了語法錯誤。if之後的大括號之後不能加分號，這裡的分號其實可以看做一條空語句，這個空語句會把if與else給分隔開來，導致else不能正確匹配到if，導致語法錯誤。
為了解決這個問題，有幾種方法。第一種方法是：把分號去掉。程式碼變成：
第二種方法是：在if之後使用DBG_PRINTF列印除錯時總是加{}。程式碼變成：
以上兩種方法都可以正常編譯、運行了。
但是，我們C語言中，每條語句往往以分號結尾；並且，總有些人習慣在if判斷之後只有一條語句的情況下不加大括號；而且我們建立的DBG_PRINTF巨集函式的目的就是為了對標printf函式，printf函式的使用加分號在任何地方的使用都是沒有問題的。
基於這幾個原因，我們有必要再對我們的DBG_PRINTF巨集函式進行一個改造。
下面引入do{}while(0)來對我們的DBG_PRINTF進行一個簡單的改造。改造後的DBG_PRINTF巨集函式如下：
#define DBG_PRINTF(fmt, args...) \
do\
{\
printf("<<File:%s Line:%d Function:%s>> ", __FILE__, __LINE__, __FUNCTION__);\
printf(fmt, ##args);\
}while(0)
這裡的do...while迴圈的迴圈體只執行一次，與不加迴圈是效果一樣。並且，可以避免了上面的問題。預處理檔案：
我們的巨集函式實體中，while(0)後面不加分號，在實際呼叫時補上分號，既符合了C語言語句分號結尾的習慣，也符合了do...while的語法規則。
使用do{}while(0)來封裝巨集函式可能會讓很多初學者看著不習慣，但必須承認的是，這確確實實是一種很常用的方法。
推薦文章：C語言、嵌入式中幾個非常實用的巨集技巧
static與extern
1、static
static主要有三種用法：在函式內用於修飾變數、用於修飾函式、用於修飾本.c檔案全域性變數。後兩個容易理解，用於修飾函式與全域性變量表明變數與函式在本模組內使用。
下面看看static在函式內用於修飾變數的例子：
// 公眾號：嵌入式大雜燴
#include <stdio.h>
void test(void)
{
int normal_var = 0;
static int static_var = 0;
printf("normal_var:%d static_var:%d\n", normal_var, static_var);
normal_var++;
static_var++;
}
int main(void)
{
int i;
for ( i = 0; i < 3; i++)
{
test();
}
return 0;
}
執行結果：
可以看出，函式每次被呼叫，普通區域性變數都是重新分配，而static修飾的變數保持上次呼叫的值不變，即只被初始化一次。
2、extern
extern的用法簡單，用於宣告多個模組共享的全域性變數、宣告外部函式。
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