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【08】STM32·HAL库开发-HAL库介绍

2023-10-27

目录

1.初识HAL库（了解）

1.1CMSIS简介

  CMSIS (微控制器软件接口标准)：Cortex Microcontroller Software Interface Standard，是由ARM和与其合作的芯片厂商（比如ST、NXP公司等）、软件工具厂商（Keil、IAR公司等），共同制定的标准。如果没有此标准，ARM公司的产品兼容性非常差。
  下图中分为三层，第一层是用户层，主要是用户代码、在线调试；第二层是中间层（CMISIS），具体CMSIS体现到用户手册是CMSIS-Pack，每个公司提供的包可能不太一样，会根据自己的产品制作CMSIS包，其中HAL库（Peripheral HAL）属于其内容；第三层是硬件层。用户想要去开发硬件层，需要经过中间层，中间层的CMSIS包由众多厂商提供。
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1.2HAL库简介

  ST 为了方便用户开发 STM32芯片开发提供了三种库：

  1. 标准外设库 (Standard Peripheral Libraries)，也就是“标准库”。
  2. HAL库(硬件抽象层)：Hardware Abstraction Layer
  3. LL库：Low Layer，也就是“底层库”，更加接近硬件，也就是更加接近寄存器。

  下图是直接操作寄存器、标准库、HAL库（不同系列兼容性好，具体表现是不同外设初始化都是使用一个函数，只是结构体、变量不一样，但是函数接口一样，移植方便。HAL库是抽象层的库，经过很多次的封装，导致效率比较低）、LL库（弥补了HAL库执行效率低的缺点，在HAL库内部一些API函数就会调用LL库中内容，但是LL库也有其缺点，不匹配部分复杂外设，比如USB）的特点：
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2.STM32Cube固件包浅析（了解）

  Cube固件包其实就说CMSIS-Pack，STM32Cube固件包是ST公司根据标准提供的CMSIS-Pack。

2.1如何获取STM32Cube固件包？

  之前文章中已经总结如何获取，具体查看【07】STM32·HAL库开发-新建寄存器版本MDK工程 |下载STM32Cube固件包 | 新建MDK工程步骤中的第1.1小节。

2.2STM32Cube固件包文件夹简介

【_htmresc】文件夹中包含了一些图片之类的，对我们来说没任何作用；
【Documentation】文件夹中为固件包说明文档；
【Drivers】文件夹比较重要是驱动源码，新建工程时需要用到；
【Middlewares】中为中间文件，保存的是ST或者第三方的一些中间文件，后续会用到，新建工程可能暂时用不到；
【Projects】为ST官方开发板例程，参考作用；
【Utilities】为ST关方开发板例程提供公共组件，一般用不到，可以用作参考；
License.md文件包含了软件许可、软件版本信息；
package.xml为固件包版本信息；
Readme.md为自述文件；
Release_Notes.html为补充或更新说明的链接，可用浏览器打开。

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2.3CMSIS文件夹关键文件

  F1系列【Drivers】文件夹中包含了三个文件夹【BSP】、【CMSIS】、HAL库驱动【STM32F1xx_HAL_Driver】。【BSP】中为板级驱动源码，也就是板级支持包，适配ST官方的开发板板级驱动（针对外设、或者板子上面的资源做的驱动），不同开发板板级驱动是不一样的，所以此文件更多是参考意义；【CMSIS】文件夹包含符合CMSIS的组件，包括：DSP库、Cortex-M内核及其设备文件、微控制器专用头文件、启动文件、专用系统文件等，创建工程时会复制其中部分文件；【STM32F1xx_HAL_Driver】为F1系列HAL库外设驱动源码，创建工程时会复制其中部分文件。
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  【Middlewares】中包含了【ST】和【Third_Party】两个文件夹。
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  在【CMSIS】文件夹中主要关注【Device】和【include】两个文件夹，新建工程时也是用到这两个文件夹；【Device】文件夹中包含微控制器专用头文件、启动文件、专用系统文件；【include】文件夹中包含Cortx-M内核及其设备文件、编译器相关头文件。

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2.3.1CMSIS标准规定软件包目录

   CMSIS标准规定软件包目录也就是STM32Cube固件库文件夹所包含的内容。用到的有【Driver】和【Include】文件夹。
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2.3.2Device和Include文件夹的关键文件介绍

   【Device】文件夹中用到的文件包含以下文件，以下文件是简略后的文件。
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   stm32f103后面的xe是根据FLASH容量进行选择，在【include】文件夹中保存3个文件：stm32f1xx.h、stm32f103xe.h、system_stm32f1xx.h。
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   以下目录中保留文件system_stm32f1xx.c，因为编译器是ARM，所以保留【arm】文件夹中的启动文件，并根据型号和容量来选择保留哪个启动文件。
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   【include】文件夹中用到以下文件：cmsis_armcc.h（针对AC5编译器）、cmsis_armclang.h（针对AC6编译器）、cmsis_compiler.h（AC5和AC6编译器共用）、cmsis_version.h（编译器版本，也是共用的）、core_cm3.h （Cortex-M3内核，重点关注此文件）、 mpu_armv7.h（mpu内存保护）。
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3.HAL库框架结构（了解）

3.1HAL库文件夹结构

   F1系列的HAL库被保存到【STM32F1xx_HAL_Driver】文件夹中，Src(Source)：外设驱动源码；Inc(Include)：外设驱动源码头文件。前面提到HAL库和LL库是捆绑发布的，就体现在驱动源码包含在【Inc】和【Src】文件夹中。【Inc】和【Src】文件夹中的【Legacy】文件夹是补充源文件，并不是所有系列都需要。
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3.2HAL库文件介绍

   文件名中有hal的就是hal库文件，有ll的就是LL库文件。stm32f1xx_hal_conf.h文件可用于裁剪HAL库中用不到的功能，减少编译后得文件大小。
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3.3HAL库API函数和变量命名规则

   用户一般不会直接调用LL库，而是通过调用HAL库间接使用LL库，所以不必深入学习LL库。
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  可以将以下初始化函数中的PPP替换成GPIO，反初始化函数很少用到，主要用于失能时钟、恢复默认配置等。

初始化/反初始化函数:HAL_PPP_Init(), HAL_PPP_DeInit()
外设读写函数: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 ()

3.3.1HAL库对寄存器位操作的相关宏定义

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3.3.2HAL库回调函数

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  此类回调函数通常被_weak修饰（弱函数），允许用户重新定义该函数。

4.如何使用HAL库（熟悉）

4.1基于CMSIS应用程序文件描述

  CMSIS核心层文件就是将【CMSIS】文件夹中的【Device】和【Include】文件夹中裁剪后剩的11个文件，这11个文件对于新建MDK工程是必须包含的；设备驱动层就是HAL库及LL库的源码，也就是【STM32F1xx_HAL_Driver】文件夹中的源码；用户程序文件，正点原子例程都将main.h、stm32f1xx_hal_msp.c删除掉了，放到了例如初始化UART就将UART的在stm32f1xx_hal_msp.c中的回调函数放到usart.c中，stm32f1xx_it.c和stm32f1xx_it.h里面本身就定义了一些中断，所以选择保留，如果写串口中断，推荐写到usart.c中。。
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4.1.1STM32开发文件结构分布

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4.2HAL 库的用户配置文件

  如果是F1系列那么就修改stm32f1xx_hal_conf.h。获取此文件可以从STM32官方例程中获取，也可以从HAL库驱动源码中获取，只是名称不同，复制时只需要将template删除即可。
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4.2.1裁剪HAL库外设驱动源码（不进行编译）

  STM32HAL库裁剪就是将stm32f1xx_hal_conf.h中用不到的宏定义注释掉，因为在HAL库驱动源码中都是用的ifdef判断宏是否被定义。以GPIO为例如下所示：
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  通过对工程中用到什么外设就加什么驱动文件，也是起到裁剪作用。如下所示，是部分HAL库驱动文件：
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4.2.2设置外部高速晶振频率（根据开发板实际情况设置）

  以下代码是设置高速外部晶振，宏USE_STM3210C_EVAL判断是否使用ST官方开发板，默认为25MHz，否则为8MHz。要根据开发板实际情况进行设置。如果要省事可以简化以下代码为：#define HSE_VALUE 8000000U

#if !defined  (HSE_VALUE) 
#if defined(USE_STM3210C_EVAL)
  #define HSE_VALUE    25000000U /*!< Value of the External oscillator in Hz */
#else
  #define HSE_VALUE    8000000U /*!< Value of the External oscillator in Hz */
#endif
#endif /* HSE_VALUE */

  高速内部晶振和低速内部晶振可以根据芯片手册进行设置：

#if !defined  (HSI_VALUE)
  #define HSI_VALUE              8000000U  
#endif /* HSI_VALUE */
#if !defined  (LSI_VALUE) 
 #define LSI_VALUE               40000U  
#endif /* LSI_VALUE */

4.2.3设置外部低速晶振频率（根据开发板实际情况设置）

#if !defined  (LSE_VALUE)
 #define LSE_VALUE               32768U    
#endif /* LSE_VALUE */

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4.3stm32f1xx_hal.c 文件

  使用HAL库最关心的就说HAL库初始化函数HAL_Init()，不同系列可能有些小区别，但是核心代码如下：

HAL_StatusTypeDef  HAL_Init(void) 
{ 
	__HAL_FLASH_PREFETCH_BUFFER_ENABLE(); 	                    /* 使能FLASH预取缓冲 */ 

	HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_2); /* 配置中断优先级分组 */ 

	/* 使用滴答定时器作为时钟基准，配置 1ms 滴答（重置后默认的时钟源为 HSI） */ 
	HAL_InitTick(TICK_INT_PRIORITY); 

	HAL_MspInit(); 	/* 初始化其它底层硬件（如果必要） */ 

	return HAL_OK; 	/* 返回函数状态 */ 
}

   第一段程序作用是使能FLASH预取缓冲，STM32是32位的，每次读取的指令也是32位的，FLASH存在预取缓冲区，预取缓冲区由2个64位组成，CPU每次读取指令，将指令放在预取缓冲区，就可以起到程序加快运行的效果。

__HAL_FLASH_PREFETCH_BUFFER_ENABLE(); 	                    /* 使能FLASH预取缓冲 */

   第二段程序是设置中断优先级分组，默认情况下设置位为4，正点原子默认设置成2。

HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_2); /* 配置中断优先级分组 */

  第三段是使能系统滴答定时器，并且配置为1ms。正点原子实际配置滴答定时器在delay.c中的delay_Init()函数中。

/* 使用滴答定时器作为时钟基准，配置 1ms 滴答（重置后默认的时钟源为 HSI） */ 
	HAL_InitTick(TICK_INT_PRIORITY);

  HAL_MspInit()为空函数，不用管它。

HAL_MspInit(); 	/* 初始化其它底层硬件（如果必要） */

5.HAL库使用注意事项（了解）

1，使用HAL库出现问题，还是得通过参考手册检查是否硬件操作是否有问题；
2，尽量不通过修改库源码实现功能，这样不方便库更新；
3，HAL库可能会存在错误，要有质疑精神；
4，有些HAL库API函数执行效率偏低，我们可能会直接通过操作寄存器的方式代替。

6.总结（了解）

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