面试题：C语言中实现硬件抽象层的结构体设计

Question

假设要为一款简单的微控制器设计硬件抽象层（HAL），该微控制器有GPIO端口、定时器和UART模块。请用C语言设计相应的结构体来抽象这些硬件资源，结构体中应包含初始化函数指针和控制函数指针。简要解释你的设计思路。

Answer 1

GPIO结构体设计

typedef struct {
    // GPIO端口配置寄存器地址等相关硬件信息
    volatile unsigned int *GPIOx_MODER;
    volatile unsigned int *GPIOx_OTYPER;
    volatile unsigned int *GPIOx_OSPEEDR;
    volatile unsigned int *GPIOx_PUPDR;
    volatile unsigned int *GPIOx_IDR;
    volatile unsigned int *GPIOx_ODR;
    // 初始化函数指针
    void (*init)(void);
    // 控制函数指针，例如设置引脚高低电平
    void (*set)(unsigned int pin, unsigned int value);
    unsigned int (*get)(unsigned int pin);
} GPIO_TypeDef;

定时器结构体设计

typedef struct {
    // 定时器相关寄存器地址等硬件信息
    volatile unsigned int *TIMx_CR1;
    volatile unsigned int *TIMx_PSC;
    volatile unsigned int *TIMx_ARR;
    volatile unsigned int *TIMx_CNT;
    // 初始化函数指针
    void (*init)(void);
    // 控制函数指针，例如启动、停止定时器
    void (*start)(void);
    void (*stop)(void);
} TIM_TypeDef;

UART结构体设计

typedef struct {
    // UART相关寄存器地址等硬件信息
    volatile unsigned int *USARTx_SR;
    volatile unsigned int *USARTx_DR;
    volatile unsigned int *USARTx_BRR;
    volatile unsigned int *USARTx_CR1;
    // 初始化函数指针
    void (*init)(void);
    // 控制函数指针，例如发送、接收数据
    void (*send)(unsigned char data);
    unsigned char (*receive)(void);
} UART_TypeDef;

设计思路解释

1. 硬件信息封装：对于每个硬件模块（GPIO、定时器、UART），将与之相关的寄存器地址封装到结构体中，方便在函数中直接通过指针访问硬件寄存器。
2. 函数指针：每个结构体都包含初始化函数指针和控制函数指针。初始化函数用于配置硬件模块的初始状态，如GPIO的引脚模式、定时器的分频器和周期、UART的波特率等。控制函数用于对硬件模块进行具体的操作，如GPIO引脚的电平设置、定时器的启停、UART的数据收发等。这样设计可以通过结构体实例化对象，方便地调用对应的初始化和控制函数，提高代码的可移植性和可读性，将硬件相关的操作抽象化，便于上层应用程序调用。