STM32開(kāi)發(fā)庫(kù)介紹與比較

蘇州大學(xué)工程學(xué)院 鄒霄貝

目前，意法半導(dǎo)體公司就STM32的開(kāi)發(fā)提供了數(shù)種開(kāi)發(fā)工具，它們各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用對(duì)象。本文將從使用方法、便攜性、工具的抽象程度以及它們的局限性等方面對(duì)STM32Snippets，標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)以及基于STM32Cube的HAL APIs和Low-Layer APIs進(jìn)行介紹，同時(shí)對(duì)它們的特點(diǎn)進(jìn)行橫向的比較和分析。

目前，STM32嵌入式的開(kāi)發(fā)和使用主要依靠于STM32嵌入式軟件提供的各種開(kāi)發(fā)庫(kù)及其配套的軟件，選擇合適的軟件會(huì)讓STM32的開(kāi)發(fā)和使用事半功倍。而不同的開(kāi)發(fā)庫(kù)的便攜性、抽象程度和適用的芯片系列等都各不相同，開(kāi)發(fā)的需求與庫(kù)的選擇也息息相關(guān)。

因此，本文對(duì)目前SMT32官方提供的STM32Snippets、標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)、HAL APIs和Low-Layer APIs的內(nèi)容和特點(diǎn)進(jìn)行了整合研究，并對(duì)其適用范圍進(jìn)行了分析對(duì)比，從而獲得對(duì)開(kāi)發(fā)庫(kù)的更全面的認(rèn)識(shí)。

1 STM32Snippets

STM32Snippets是高度兼容的代碼示例的集合，可以直接應(yīng)用于文檔和軟件包，這些示例通過(guò)進(jìn)行直接寄存器訪問(wèn)來(lái)減少代碼量，從而STM32的MCU的性能最大化利用。

由于STM32Snippets是操作于最底層的，因此需要開(kāi)發(fā)者對(duì)寄存器進(jìn)行直接操作，開(kāi)發(fā)者需要對(duì)底層結(jié)構(gòu)和寄存器比較了解，同時(shí)需要對(duì)匯編程序有較深的理解。同時(shí)，因?yàn)镾TM32Snippets具有能進(jìn)行寄存器級(jí)別的訪問(wèn)和調(diào)試的特點(diǎn)，在提供的開(kāi)發(fā)庫(kù)中它的優(yōu)化程度最高。

但是，STM32Snippets僅使用于STM32系列，采取這種方式進(jìn)行項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)很難實(shí)現(xiàn)不同系列之間的移植。同時(shí)，STM32并不涵蓋例如USB之類的外設(shè)的代碼段示例，如果要進(jìn)行一些復(fù)雜的外設(shè)應(yīng)用，可能需要額外耗費(fèi)很多的時(shí)間。此外，STM32Snippets僅可在STM32 L0和F0系列上使用。

2 標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)

標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)（即Standard Peripheral Libraries，簡(jiǎn)稱SPL），是涵蓋STM32外設(shè)的C語(yǔ)言庫(kù)，標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)將一些基本的寄存器操作封裝成庫(kù)函數(shù)使用，較HAL庫(kù)而言，依舊接近于寄存器操作。

標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)目前幾乎是使用者最多的庫(kù)，在STM32Cube發(fā)布前，幾乎所有的STM32用戶均使用標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)。標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)覆蓋了所有的外圍設(shè)備，極大地方便了項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，提高了編程效率。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)固件庫(kù)還涵蓋許多復(fù)雜中間件的擴(kuò)展，例如USB、TCPIP、Graphics等，進(jìn)一步方便了使用者的開(kāi)發(fā)。標(biāo)準(zhǔn)固件庫(kù)的結(jié)構(gòu)清晰，在調(diào)用上比較簡(jiǎn)單，且各系列的標(biāo)準(zhǔn)固件庫(kù)差別不大，在不同固件庫(kù)間進(jìn)行程序移植時(shí)也比較簡(jiǎn)單。

圖1所示為STM32F10xxx系列的文件基本架構(gòu)，其他系列的文件架構(gòu)基本與STM32F10xxx系列一致。

圖1 STM32F10xxx標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)架構(gòu)

但是，標(biāo)準(zhǔn)固件庫(kù)僅適用于特定的STM32系列，并且沒(méi)有通用的硬件抽象層應(yīng)用程序接口，并不是每一個(gè)系列間都有統(tǒng)一的中間件庫(kù)，在系列間的移植性較差。同時(shí)，在選擇標(biāo)準(zhǔn)固件庫(kù)時(shí)也要注意，標(biāo)準(zhǔn)固件庫(kù)不支持從STM32 L0，L4和F7開(kāi)始的STM32系列。

3 基于STM32Cube的開(kāi)發(fā)庫(kù)（圖2）

圖2 STM32Cube功能示意圖

STM32Cube是一個(gè)功能齊全的軟件包，它包含直接基于STM32外設(shè)寄存器的應(yīng)用程序接口（API），因此在整個(gè)STM32內(nèi)部都具有高度可移植性。同樣，STM32Cube中包含和SPL外設(shè)相似的初始化API。

STM32Cube還提供了STM32CubeMX這個(gè)可視化配置軟件，通過(guò)STM32CubeMX，用戶可以通過(guò)圖形向?qū)?shí)現(xiàn)生成初始化C代碼，引腳多路復(fù)用，時(shí)鐘樹(shù)設(shè)置，外圍設(shè)備配置和中間件設(shè)置等。STM32Cube軟件包中包含調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)化的API的可移植性硬件抽象層庫(kù)（即HAL庫(kù)）、輕量高效的底層API（即LL庫(kù)）等內(nèi)容。

3.1 HAL APIs

HAL庫(kù)，即硬件抽象層，它涵蓋一整套中間件，可以實(shí)現(xiàn)系列間的代碼移植，同時(shí)，HAL庫(kù)也支持通過(guò)STM32CubeMX可視化操作生成代碼。

HAL庫(kù)是基于一個(gè)非限制性的BSD許可協(xié)議而發(fā)布的開(kāi)源代碼。ST制作的中間件堆棧帶有允許輕松重用的許可模式，只要是在ST公司的MCU芯片上使用，庫(kù)中的中間件(USB主機(jī)/設(shè)備庫(kù)，STemWin)協(xié)議棧即被允許隨便修改，并可以反復(fù)使用。

相較于標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)，HAL庫(kù)更加抽象化，可移植性更高，目前HAL庫(kù)已經(jīng)支持包括F7在內(nèi)的全部產(chǎn)品。但是，HAL庫(kù)較之其他開(kāi)發(fā)庫(kù)占用了更多的軟件資源，執(zhí)行代碼的所需要的時(shí)間更長(zhǎng)，優(yōu)化程度較低。

3.2 Low-Layer APIs（圖3）

圖3 STM32Cube結(jié)構(gòu)

Low-Layer庫(kù)，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)L庫(kù)，也是包含在STM32Cube中的庫(kù)，就HAL庫(kù)而言，它更加底層，進(jìn)行直接寄存器操作。它可以與STM32CubeMX配合使用以生成STM32L0/F0/F3/L4的初始化代碼。

相較于HAL庫(kù)的低效率，在對(duì)低性能（M0）或者低功耗(L系列)的芯片編程時(shí)，LL庫(kù)可以作為HAL庫(kù)的一個(gè)很好的替代品進(jìn)行使用?；贚L庫(kù)的驅(qū)動(dòng)程序，涵蓋可指定參數(shù)的外圍設(shè)備初始化函數(shù)，重置初始化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的函數(shù)，內(nèi)聯(lián)函數(shù)可實(shí)現(xiàn)直接訪問(wèn)原子寄存器。同時(shí)LL庫(kù)既可以獨(dú)立運(yùn)行，又可以和HAL庫(kù)一起混合運(yùn)行，更為優(yōu)化的同時(shí)也更加適應(yīng)多種情況。

盡管HAL庫(kù)和LL庫(kù)可以同時(shí)使用，但是LL不能與同一外圍設(shè)備實(shí)例的HAL一起使用。不能同時(shí)使用兩個(gè)API在同一IP上運(yùn)行并行進(jìn)程，但允許順序使用。

4 各庫(kù)比較

根據(jù)官方提供的數(shù)據(jù)，獲得如表1的各開(kāi)發(fā)庫(kù)特征比較。

表1 各開(kāi)發(fā)庫(kù)特征比較

由表1可知，每個(gè)開(kāi)發(fā)庫(kù)都各有其長(zhǎng)處和局限性。STM32Snippets作為代碼段示例，MPU和存儲(chǔ)器的使用效率很高，因此它的優(yōu)化程度很高，但是它的可移植性、簡(jiǎn)易度等參數(shù)都很低，對(duì)開(kāi)發(fā)者的總體要求很高。不同的開(kāi)發(fā)庫(kù)的特點(diǎn)要求開(kāi)發(fā)者根據(jù)使用的STM32類型、開(kāi)發(fā)項(xiàng)目對(duì)效率、性能、可移植性的要求來(lái)選擇需要的庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)更高效的開(kāi)發(fā)。

結(jié)論：就目前STM32官方所提供的開(kāi)發(fā)庫(kù)而言，STM32Snippets代碼效率極高但是對(duì)開(kāi)發(fā)者對(duì)底層架構(gòu)和匯編語(yǔ)言的理解程度有較高的要求；標(biāo)準(zhǔn)固件庫(kù)硬件覆蓋完備，提供對(duì)寄存器操作的庫(kù)函數(shù)，但是目前只有部分STM32系列提供了固件庫(kù)，不同系列之間的移植有一定困難；作為STM32公司大力推廣的HAL庫(kù)，覆蓋了全部的硬件外設(shè)，可移植性極高，但是代碼優(yōu)化程度較低，占用軟件資源；LL庫(kù)接近底層，優(yōu)化程度高，但是不能在系列間移植，同時(shí)也需要開(kāi)發(fā)者對(duì)寄存器有一定的了解。