STM32的HAL库与标准库的区别

发布时间:2023-07-11  

新手在入门 STM32 的时候,一般大多数都会选用标准库和 HAL 库,而极少部分人会通过直接配置寄存器进行开发。


对于刚入门的朋友,可能没法直观了解这些不同开发发方式之间的区别,本文试图以一种非常直白的方式,用自己的理解去将这些东西表述出来。



配置寄存器

不少先学了 51单片机的朋友可能会知道,会有一小部分人或教程是通过汇编语言直接操作寄存器实现功能的,这种方法到了 STM32 就变得不太容易行得通了。


因为 STM32 的寄存器数量是 51单片机的十数倍,如此多的寄存器根本无法全部记忆,开发时需要经常的翻查芯片的数据手册,此时直接操作寄存器就变得非常的费力了。也有人喜欢去直接操作寄存器,因为这样更接近原理,代码更少,知其然也知其所以然。


标准库

上面也提到了,STM32 有非常多的寄存器,而导致了开发困难,所以为此 ST 公司就为每款芯片都编写了一份库文件,也就是工程文件里 stm32F1xx..... 之类的。在这些 .c 与 .h 文件中,包括一些常用量的宏定义,把一些外设也通过结构体变量封装起来,如 GPIO、时钟等。


所以我们只需要配置结构体变量成员就可以修改外设的配置寄存器,从而选择不同的功能。也是目前最多人使用的方式,也是学习 STM32 接触最多的一种开发方式,我也就不多阐述了。


HAL库

HAL 库是 ST 公司目前主推的开发方式,全称就是 Hardware Abstraction Layer(抽象印象层),简单来说就是弱化了开发者对硬件底层知识的依赖。


同样的功能,标准库可能要用几句话,HAL 库只需用一句话就够了。并且 HAL 库也很好地解决了程序移植的问题。不同型号的 STM32 芯片它的标准库是不一样的,例如在F4 上开发的程序移植到 F3 上是不能通用的,而使用 HAL 库,只要使用的是相同的外设,程序基本可以完全复制粘贴。注意是相同外设,意思也就是不能无中生有。例如 F7 比 F3 要多几个定时器,不能明明没有这个定时器却非要配置,但其实这种情况不多,绝大多数都可以直接复制粘贴。


而且使用 ST 公司研发的 STMcube 软件,可以通过图形化的配置功能,直接生成整个适用于HAL库的工程文件,可以说是方便至极。但是方便的同时也造成了它执行效率偏低。


综合上面说的,其实笔者还是强烈推荐 HAL 库的,理由:


ST 公司已经停止更新标准库,公司主打 HAL 库的目的已经非常明显了;

模块化的 HAL 库是趋势,低效的短板会被硬件的增强所弥补。

当然底层的基本原理是必须要懂的,HAL 库也不是万能的,结合对底层的理解相信一定会让你的开发水准大大提高。


HAL库与标准库的区别

1 句柄

在STM32的标准库中,假设我们要初始化一个外设(这里以 USART 为例) 我们首先要初始化他们的各个寄存器。


在标准库中,这些操作都是利用固件库结构体变量+固件库 Init 函数实现的:


USART_InitTypeDef USART_InitStructure;



USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//串口波特率

USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为8位数据格式

USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一个停止位

USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无奇偶校验位

USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件数据流控制

USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; //收发模式



USART_Init(USART3, &USART_InitStructure); //初始化串口1

可以看到,要初始化一个串口,需要对六个位置进行赋值,然后引用 Init 函数,并且USART_InitStructure 并不是一个全局结构体变量,而是只在函数内部的局部变量,初始化完成之后,USART_InitStructure 就失去了作用。


而在HAL库中,同样是 USART 初始化结构体变量,我们要定义为全局变量。


UART_HandleTypeDef UART1_Handler;

结构体成员:


typedef struct

{

  USART_TypeDef                 *Instance;        /*!< UART registers base address        */

  UART_InitTypeDef             Init;             /*!< UART communication parameters      */

  uint8_t                       *pTxBuffPtr;      /*!< Pointer to UART Tx transfer Buffer */

  uint16_t                      TxXferSize;       /*!< UART Tx Transfer size              */

  uint16_t                      TxXferCount;      /*!< UART Tx Transfer Counter           */

  uint8_t                       *pRxBuffPtr;      /*!< Pointer to UART Rx transfer Buffer */

  uint16_t                      RxXferSize;       /*!< UART Rx Transfer size              */

  uint16_t                      RxXferCount;      /*!< UART Rx Transfer Counter           */

  DMA_HandleTypeDef             *hdmatx;          /*!< UART Tx DMA Handle parameters      */

  DMA_HandleTypeDef             *hdmarx;          /*!< UART Rx DMA Handle parameters      */

  HAL_LockTypeDef               Lock;             /*!< Locking object                     */

  __IO HAL_UART_StateTypeDef    State;            /*!< UART communication state           */

  __IO uint32_t                ErrorCode;        /*!< UART Error code                    */

}UART_HandleTypeDef;

我们发现,与标准库不同的是,该成员不仅包含了之前标准库就有的六个成员(波特率,数据格式等),还包含过采样、(发送或接收的)数据缓存、数据指针、串口 DMA 相关的变量、各种标志位等等,要在整个项目流程中都要设置的各个成员。


该UART1_Handler就被称为串口的句柄 它被贯穿整个 USART 收发的流程,比如开启中断:


HAL_UART_Receive_IT(&UART1_Handler, (u8 *)aRxBuffer, RXBUFFERSIZE);

比如后面要讲到的 MSP 与 Callback 回调函数:


void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart);

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);

在这些函数中,只需要调用初始化时定义的句柄 UART1_Handler 就好。


2 MSP函数

MCU Specific Package 单片机的具体方案。


MSP 是指和 MCU 相关的初始化,引用一下正点原子的解释,个人觉得说地很明白:


“我们要初始化一个串口,首先要设置和 MCU 无关的东西,例如波特率,奇偶校验,停止位等,这些参数设置和 MCU 没有任何关系,可以使用 STM32F1,也可以是 STM32F2/F3/F4/F7 上的串口。而一个串口设备它需要一个 MCU 来承载,例如用 STM32F4 来做承载,PA9 做为发送,PA10 做为接收,MSP 就是要初始化 STM32F4 的 PA9,PA10,配置这两个引脚。所以 HAL驱动方式的初始化流程就是:HAL_USART_Init()—>HAL_USART_MspInit(),先初始化与 MCU无关的串口协议,再初始化与 MCU 相关的串口引脚。在 STM32 的 HAL 驱动中HAL_PPP_MspInit()作为回调,被 HAL_PPP_Init() 函数所调用。当我们需要移植程序到 STM32F1 平台的时候,我们只需要修改 HAL_PPP_MspInit 函数内容而不需要修改 HAL_PPP_Init 入口参数内容。



在 HAL 库中,几乎每初始化一个外设就需要设置该外设与单片机之间的联系,比如IO口,是否复用等等。可见,HAL 库相对于标准库多了MSP函数之后,移植性非常强,但与此同时却增加了代码量和代码的嵌套层级。可以说各有利弊。


同样,MSP 函数又可以配合句柄,达到非常强的移植性:


void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart);

3 Callback函数

类似于 MSP 函数,个人认为 Callback 函数主要帮助用户应用层的代码编写。还是以 USART 为例,在标准库中,串口中断了以后,我们要先在中断中判断是否是接收中断,然后读出数据,顺便清除中断标志位,然后再是对数据的处理,这样如果我们在一个中断函数中写这么多代码,就会显得很混乱:


void USART3_IRQHandler(void) //串口1中断服务程序

{

  u8 Res;

  //接收中断(接收到的数据必须是0x0d 0x0a结尾)

  if(USART_GetITStatus(USART3, USART_IT_RXNE) != RESET)

  {

    //读取接收到的数据

    Res =USART_ReceiveData(USART3); 



    /*数据处理区*/

  } 

}

而在HAL库中,进入串口中断后,直接由 HAL 库中断函数进行托管:


void USART1_IRQHandler(void)                 

{

  //调用HAL库中断处理公用函数

  HAL_UART_IRQHandler(&UART1_Handler); 



  /***************省略无关代码****************/ 

}

HAL_UART_IRQHandler 这个函数完成了判断是哪个中断(接收?发送?或者其他?),然后读出数据,保存至缓存区,顺便清除中断标志位等等操作。比如我提前设置了,串口每接收五个字节,我就要对这五个字节进行处理。在一开始我定义了一个串口接收缓存区:


/*HAL库使用的串口接收缓冲,处理逻辑由HAL库控制,

接收完这个数组就会调用HAL_UART_RxCpltCallback进行处理这个数组*/

/*RXBUFFERSIZE=5*/

u8 aRxBuffer[RXBUFFERSIZE];

在初始化中,我在句柄里设置好了缓存区的地址,缓存大小(五个字节)


/* 该代码在HAL_UART_Receive_IT函数中,初始化时会引用 */

huart- >pRxBuffPtr = pData; //aRxBuffer

huart- >RxXferSize = Size; //RXBUFFERSIZE

huart- >RxXferCount = Size; //RXBUFFERSIZE

则在接收数据中,每接收完五个字节,HAL_UART_IRQHandler 才会执行一次Callback 函数:


void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);

在这个Callback回调函数中,我们只需要对这接收到的五个字节(保存在 aRxBuffer[] 中)进行处理就好了,完全不用再去手动清除标志位等操作。


所以说 Callback 函数是一个应用层代码的函数,我们在一开始只设置句柄里面的各个参数,然后就等着 HAL 库把自己安排好的代码送到手中就可以了~


综上 ,就是HAL库的三个与标准库不同的地方之个人见解。


个人觉得从这三个小点就可以看出 HAL 库的可移植性之强大,并且用户可以完全不去理会底层各个寄存器的操作,代码也更有逻辑性。但由此带来的是复杂的代码量,极慢的编译速度,略微低下的效率。看怎么取舍了。


HAL库的结构

说到 STM32 的 HAL库,就不得不提 STM32CubeMX,其作为一个可视化的配置工具,对于开发者来说,确实大大节省了开发时间。另外 STM32CubeIDE 集成了STM32CubeMX 的功能,是一个集配置与编译于一体的软件,可以尝试一下。软件更新频率很高,持续优化某些 bug 及性能问题。


上面两个开发软件是以 HAL 库为基础的,且目前仅支持 HAL 库及LL库!


首先看一下,官方给出的HAL库的文件结构:


下图是STM32库文件结构。

图片

stm32f2xx.h 主要包含 STM32 同系列芯片的不同具体型号的定义,是否使用 HAL 库等的定义,接着,其会根据定义的芯片信号包含具体的芯片型号的头文件:


#if defined(STM32F205xx)

#include "stm32f205xx.h"

#elif defined(STM32F215xx)

#include "stm32f215xx.h"

#elif defined(STM32F207xx)

#include "stm32f207xx.h"

#elif defined(STM32F217xx)

#include "stm32f217xx.h"

#else

#error "Please select first the target STM32F2xx device used in your application (in stm32f2xx.h file)"

#endif

紧接着,其会包含 stm32f2xx_hal.h。


stm32f2xx_hal.h:stm32f2xx_hal.c/h 主要实现 HAL 库的初始化、系统滴答时钟相关的函数、及 CPU 的调试模式配置

stm32f2xx_hal_conf.h :该文件是一个用户级别的配置文件,用来实现对 HAL 库的裁剪,其位于用户文件目录,不要放在库目录中。

接下来对于HAL库的源码文件进行一下说明,HAL 库文件名均以 stm32f2xx_hal 开头,后面加上_外设或者模块名(如:stm32f2xx_hal_adc.c):


库文件:

 stm32f2xx_hal_ppp.c/.h   // 主要的外设或者模块的驱动源文件,包含了该外设的通用API

 stm32f2xx_hal_ppp_ex.c/.h  // 外围设备或模块驱动程序的扩展文件。这组文件中包含特定型号或者系列的芯片的特殊API。以及如果该特定的芯片内部有不同的实现方式,则该文件中的特殊API将覆盖_ppp中的通用API。

 stm32f2xx_hal.c/.h    // 此文件用于HAL初始化,并且包含DBGMCU、重映射和基于systick的时间延迟等相关的API

 其他库文件

用户级别文件:

 stm32f2xx_hal_msp_template.c // 只有.c没有.h。它包含用户应用程序中使用的外设的MSP初始化和反初始化(主程序和回调函数)。使用者复制到自己目录下使用模板。

 stm32f2xx_hal_conf_template.h // 用户级别的库配置文件模板。使用者复制到自己目录下使用

 system_stm32f2xx.c    // 此文件主要包含SystemInit()函数,该函数在刚复位及跳到main之前的启动过程中被调用。**它不在启动时配置系统时钟(与标准库相反)**。时钟的配置在用户文件中使用HAL API来完成。

 startup_stm32f2xx.s    // 芯片启动文件,主要包含堆栈定义,终端向量表等

 stm32f2xx_it.c/.h    // 中断处理函数的相关实现

 main.c/.h

根据 HAL 库的命名规则,其 API 可以分为以下三大类:


初始化/反初始化函数:HAL_PPP_Init(), HAL_PPP_DeInit()

IO 操作函数:HAL_PPP_Read(), HAL_PPP_Write(),HAL_PPP_Transmit(), HAL_PPP_Receive()

控制函数:HAL_PPP_Set (), HAL_PPP_Get ().

状态和错误:HAL_PPP_GetState (), HAL_PPP_GetError ().

“注意:目前 LL 库是和 HAL 库捆绑发布的,所以在 HAL 库源码中,还有一些名为 stm32f2xx_ll_ppp 的源码文件,这些文件就是新增的LL库文件。使用 CubeMX 生产项目时,可以选择LL库。



HAL 库最大的特点就是对底层进行了抽象。在此结构下,用户代码的处理主要分为三部分:


处理外设句柄,实现用户功能

处理MSP

处理各种回调函数,外设句柄定义

HAL 库在结构上,对每个外设抽象成了一个称为 ppp_HandleTypeDef 的结构体,其中 ppp 就是每个外设的名字。所有的函数都是工作在 ppp_HandleTypeDef 指针之下。


每个外设/模块实例都有自己的句柄。因此,实例资源是独立的。


外围进程相互通信:该句柄用于管理进程例程之间的共享数据资源。


下面,以ADC为例,


/** 

 * @brief  ADC handle Structure definition

 */

typedef struct

{

  ADC_TypeDef                   *Instance;                   /*!< Register base address */

  ADC_InitTypeDef               Init;                        /*!< ADC required parameters */

  __IO uint32_t                 NbrOfCurrentConversionRank;  /*!< ADC number of current conversion rank */

  DMA_HandleTypeDef             *DMA_Handle;                 /*!< Pointer DMA Handler */

文章来源于:电子工程世界    原文链接
本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系,我们将立即进行删除处理。

我们与500+贴片厂合作,完美满足客户的定制需求。为品牌提供定制化的推广方案、专属产品特色页,多渠道推广,SEM/SEO精准营销以及与公众号的联合推广...详细>>

利用葫芦芯平台的卓越技术服务和新产品推广能力,原厂代理能轻松打入消费物联网(IOT)、信息与通信(ICT)、汽车及新能源汽车、工业自动化及工业物联网、装备及功率电子...详细>>

充分利用其强大的电子元器件采购流量,创新性地为这些物料提供了一个全新的窗口。我们的高效数字营销技术,不仅可以助你轻松识别与连接到需求方,更能够极大地提高“闲置物料”的处理能力,通过葫芦芯平台...详细>>

我们的目标很明确:构建一个全方位的半导体产业生态系统。成为一家全球领先的半导体互联网生态公司。目前,我们已成功打造了智能汽车、智能家居、大健康医疗、机器人和材料等五大生态领域。更为重要的是...详细>>

我们深知加工与定制类服务商的价值和重要性,因此,我们倾力为您提供最顶尖的营销资源。在我们的平台上,您可以直接接触到100万的研发工程师和采购工程师,以及10万的活跃客户群体...详细>>

凭借我们强大的专业流量和尖端的互联网数字营销技术,我们承诺为原厂提供免费的产品资料推广服务。无论是最新的资讯、技术动态还是创新产品,都可以通过我们的平台迅速传达给目标客户...详细>>

我们不止于将线索转化为潜在客户。葫芦芯平台致力于形成业务闭环,从引流、宣传到最终销售,全程跟进,确保每一个potential lead都得到妥善处理,从而大幅提高转化率。不仅如此...详细>>