STM32 之一 HAL库、标准外设库、LL库（STM32 Embedded Software）

逃离我推掉我的手 2022-07-11 07:23 359阅读 0赞

*  ***2020.2.4：*** 更新内容

# STM32 Embedded Software #

工作以来一直使用 ST 的 STM32 系列芯片，ST 为开发者提供了非常方便的开发库。到目前为止，有**标准外设库(SPL 库)、HAL 库、LL 库** 三种。前两者都是常用的库，后面的 LL 库是 ST 最近才添加，随 HAL 源码包一起提供，目前支持的芯片也偏少。各库如下所示：  
![库][aHR0cDovL2ltZy5ibG9nLmNzZG4ubmV0LzIwMTcwMTE5MTYyNTIyNTM5]  
  其中，SPL 库 和 HAL 库两者相互独立，互不兼容。几种库的比较如下：  
![库比较][aHR0cDovL2ltZy5ibG9nLmNzZG4ubmV0LzIwMTcwMTE5MTYxOTE5MDcz]  
  目前几种库对不同芯片的支持情况如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9pdGV4cC5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
  ST 中文官网上有一篇《关于ST库函数的代码性能对比》的文章，其中对比了各种库的性能如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9pdGV4cC5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

# STM32 Snippets #

它是代码示例的集合，直接基于 STM32 外设寄存器，可在文档和软件包中使用。由于处在最底层，因此需要开发者直接操作外设寄存器，对开发者要求比较高，通常针对于对汇编程序比较了解的资深嵌入式工程师！  
  这个库使用比较少，目前只在 STM32F0 和 STM32L0 系列中有提供。两个库都有各自的说明文档。主要就是下图所示的这些：  
![在这里插入图片描述][20200204181436552.png]  
严格来说，它不能称为库，仅仅就是将 MCU 中的寄存器进行了结构化的封装，库文件主要就是一些 `.h` 文件。如下是对 ADC 的封装

/** * @brief Analog to Digital Converter */
    
    typedef struct
    { 
      __IO uint32_t ISR;          /*!< ADC Interrupt and Status register, Address offset:0x00 */
      __IO uint32_t IER;          /*!< ADC Interrupt Enable register, Address offset:0x04 */
      __IO uint32_t CR;           /*!< ADC Control register, Address offset:0x08 */
      __IO uint32_t CFGR1;        /*!< ADC Configuration register 1, Address offset:0x0C */
      __IO uint32_t CFGR2;        /*!< ADC Configuration register 2, Address offset:0x10 */
      __IO uint32_t SMPR;         /*!< ADC Sampling time register, Address offset:0x14 */
      uint32_t   RESERVED1;       /*!< Reserved, 0x18 */
      uint32_t   RESERVED2;       /*!< Reserved, 0x1C */
      __IO uint32_t TR;           /*!< ADC watchdog threshold register, Address offset:0x20 */
      uint32_t   RESERVED3;       /*!< Reserved, 0x24 */
      __IO uint32_t CHSELR;       /*!< ADC channel selection register, Address offset:0x28 */
      uint32_t   RESERVED4[5];    /*!< Reserved, 0x2C */
       __IO uint32_t DR;          /*!< ADC data register, Address offset:0x40 */
    }ADC_TypeDef;
    
    typedef struct
    { 
      __IO uint32_t CCR;
    }ADC_Common_TypeDef;

在实际使用时，我们就可以结构化的访问 MCU 的寄存器，如下是配置 ADC 的函数实现：

/** * @brief This function configure the ADC to convert the internal reference voltage (VRefInt) * The conversion frequency is 14MHz * @param None * @retval None */
    __INLINE void ConfigureADC(void)
    { 
        /* (1) Select the clock mode (refer ADC_PRESCALER definition : HSI14 by writing 00 in CKMODE (reset value) DIV2 or DIV 4 */
        /* (2) Select the auto off mode */
        /* (3) Select CHSEL17 for VRefInt */
        /* (4) Select a sampling mode of 111 i.e. 239.5 ADC clk to be greater than 17.1us */
        /* (5) Wake-up the VREFINT (only for VBAT, Temp sensor and VRefInt) */
        ADC1->CFGR2 |= ADC_PRESCALER;                                   /* (1) */
        ADC1->CFGR1 |= ADC_CFGR1_AUTOFF;                                /* (2) */
        ADC1->CHSELR = ADC_CHSELR_CHSEL17;                              /* (3) */
        ADC1->SMPR |= ADC_SMPR_SMP_0 | ADC_SMPR_SMP_1 | ADC_SMPR_SMP_2; /* (4) */
        ADC->CCR |= ADC_CCR_VREFEN;                                     /* (5) */
    }

# 标准外设库（Standard Peripheral Libraries） #

标准外设库（Standard Peripherals Library）是对 STM32 芯片的一个完整的封装，包括所有标准器件外设的器件驱动器。这应该是目前使用最多的 ST 库。几乎全部使用 C 语言实现。但是，标准外设库也是针对某一系列芯片而言的，没有可移植性。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9pdGV4cC5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
  相对于 HAL 库，标准外设库仍然接近于寄存器操作，主要就是将一些基本的寄存器操作封装成了 C 函数。开发者需要关注所使用的外设是在哪个总线之上，具体寄存器的配置等底层信息。  
  相对于 STM32 Snippets，标准外设库对各外设的进行了一次封装，而不是仅仅局限在对寄存器的封装。实现了各外设的基本操作接口。  
  在文档方面，我只发现了针对 F2 系列和 F3 系列的详细说明文档，如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9pdGV4cC5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
标准外设库的文件基本架构并不复杂。下图显示了 STM32F10xx 标准外设库文件的基本架构  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9pdGV4cC5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
其他系列的库文件结构和上图基本都是一致的！  
  ST 为各系列提供的标准外设库稍微有些区别。例如，STM32F1x 的库和 STM32F3x 的库在文件结构上就有些不同，此外，在内部的实现上也稍微有些区别，这个在具体使用（移植）时，需要注意一下！但是，不同系列之间的差别并不是很大，而且在设计上是相同的。STM32 的标准外设库涵盖以下 3 个抽象级别：

*  包含位，位域和寄存器在内的完整的寄存器地址映射
 *  涵盖所有外围功能（具有公共API的驱动器）的例程和数据结构的集合。
 *  一组包含所有可用外设的示例，其中包含最常用的开发工具的模板项目。

关于更详细的信息，可以参考 ST 的官方文档，文档中对于标准外设库函数命名、文件结构等都有详细的说明。

# STM32Cube #

ST 为新的标准库注册了一个新商标：STMCube™。并且，ST专门为其开发了配套的桌面软件 STMCubeMX，开发者可以直接使用该软件进行可视化配置，大大节省开发时间。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9pdGV4cC5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
  这其中就包含了 HAL 库和最近新增的 LL 库。如下图：  
![STM32Cube][]  
  从上图不难看出，LL 库和 HAL 库两者相互独立，只不过 LL 库更底层。***而且，部分 HAL 库会调用LL库（例如：USB驱动）。同样，LL 库也会调用 HAL 库***  
  用户可以使用 STMCubeMX 直接生成对应芯片的整个项目（目前主流开发工具的项目基本全支持），STMCubeMX 负责给整理各种需要的源码文件。

> 注意：  
>   1. 个人感觉STMCubeMX生成的项目并不够简洁，源码的组织结构也并不是很好。  
>   2. STMCubeMX在生产项目时，可以选择使用HAL库或者LL库。但是部分组件的HAL库会调用LL库

## HAL 库 ##

**HAL**是 Hardware Abstraction Layer 的缩写，中文名：**硬件抽象层**。HAL 库是 ST 为 STM32 最新推出的抽象层嵌入式软件，可以更好的确保跨 STM32 产品的最大可移植性。该库提供了一整套一致的中间件组件，如 RTOS，USB，TCP/IP 和 图形 等。  
  HAL 库是基于一个非限制性的 BSD 许可协议（Berkeley Software Distribution）而发布的开源代码。 ST 制作的中间件堆栈（USB 主机和设备库，STemWin）带有允许轻松重用的许可模式， 只要是在 ST 公司的 MCU 芯片上使用，库中的中间件(USB 主机/设备库,STemWin)协议栈即被允许随便修改，并可以反复使用。至于基于其它著名的开源解决方案商的中间件（FreeRTOS，FatFs，LwIP和PolarSSL）也都具有友好的用户许可条款。  
  作为目前 ST 主推的外设库，HAL库相关的文档还是非常详细的。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9pdGV4cC5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
  可以说**HAL 库**就是用来取代之前的标准外设库的。相比标准外设库，STM32Cube HAL 库表现出更高的抽象整合水平，HAL API 集中关注各外设的公共函数功能，这样便于定义一套通用的用户友好的API函数接口，从而可以轻松实现从一个STM32产品移植到另一个不同的STM32系列产品。HAL库是ST未来主推的库，从前年开始ST新出的芯片已经没有STD库了，比如 F7 系列。目前，HAL库已经支持STM32全线产品。

使用HAL库编程，最好尽量符合HAL库编程的整体架构。关于HAL库的详细介绍，可以参考后文[ STM32 HAL库详解 及 手动移植][STM32 HAL_ _]

## LL 库 ##

LL库（Low Layer）是 ST 最近新增的库，与 HAL 库捆绑发布，文档也是和 HAL 库文档在一起的，比如：在STM32F3x 的 HAL 库说明文档中，ST 新增了LL库这一章节，但是在 F2x 的HAL文档中就没有。  
  LL 库更接近硬件层，对需要复杂上层协议栈的外设不适用，直接操作寄存器。其支持所有外设。使用方法：

*  独立使用，该库完全独立实现，可以完全抛开 HAL 库，只用LL库编程完成。在使用STM32CubeMX生成项目时，直接选LL库即可。*如果使用了复杂的外设，例如 USB，则会调用 HAL 库*
 *  混合使用，和 HAL 库结合使用。

> 目前，CubeMX 在生成项目时，可以选择采用 LL 库。

LL 库文件的命名方式和 HAL 库基本相同。个人感觉，LL 库就是原来的标准外设库移植到 Cube下的新的实现，但是其实现方法更加高效、简洁。使用 LL 库编程和使用标准外设库的方式基本一样，但是确会得到比标准外设库更高的效率。

更详细的介绍，请参见博文《[STM32 之十一 LL 库详解 及 移植使用说明][STM32 _ LL _ _]》

# 参考 #

1.  STM32 Embedded Software Overview.pdf
2.  STM32库函数性能对比.pdf
3.  STM32F0xx Snippets firmware package.pdf

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[aHR0cDovL2ltZy5ibG9nLmNzZG4ubmV0LzIwMTcwMTE5MTYxOTE5MDcz]: /images/20220711/899f712a5c5047c6ae5e6a5ad9b3f5b5.png
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[STM32 HAL_ _]: http://blog.csdn.net/zcshoucsdn/article/details/55213616
[STM32 _ LL _ _]: https://itexp.blog.csdn.net/article/details/104174662