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。
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 */