STM32開發(fā)庫介紹與比較

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的開發(fā)提供了數(shù)種開發(fā)工具，它們各有其優(yōu)缺點和適用對象。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STM32Snippets，標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫以及基于STM32Cube的HAL APIs和Low-Layer APIs進行介紹，同時對它們的特點進行橫向的比較和分析。

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

因此，本文對目前SMT32官方提供的STM32Snippets、標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫、HAL APIs和Low-Layer APIs的內(nèi)容和特點進行了整合研究，并對其適用范圍進行了分析對比，從而獲得對開發(fā)庫的更全面的認(rèn)識。

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，這些示例通過進行直接寄存器訪問來減少代碼量，從而STM32的MCU的性能最大化利用。

由于STM32Snippets是操作于最底層的，因此需要開發(fā)者對寄存器進行直接操作，開發(fā)者需要對底層結(jié)構(gòu)和寄存器比較了解，同時需要對匯編程序有較深的理解。同時，因為STM32Snippets具有能進行寄存器級別的訪問和調(diào)試的特點，在提供的開發(fā)庫中它的優(yōu)化程度最高。

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

2 標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫

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

標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫目前幾乎是使用者最多的庫，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。標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫覆蓋了所有的外圍設(shè)備，極大地方便了項目的開發(fā)，提高了編程效率。同時，標(biāo)準(zhǔn)固件庫還涵蓋許多復(fù)雜中間件的擴展，例如USB、TCPIP、Graphics等，進一步方便了使用者的開發(fā)。標(biāo)準(zhǔn)固件庫的結(jié)構(gòu)清晰，在調(diào)用上比較簡單，且各系列的標(biāo)準(zhǔn)固件庫差別不大，在不同固件庫間進行程序移植時也比較簡單。

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)庫架構(gòu)

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

3 基于STM32Cube的開發(fā)庫（圖2）

圖2 STM32Cube功能示意圖

STM32Cube是一個功能齊全的軟件包，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這個可視化配置軟件，通過STM32CubeMX，用戶可以通過圖形向?qū)崿F(xiàn)生成初始化C代碼，引腳多路復(fù)用，時鐘樹設(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（即HAL庫）、輕量高效的底層API（即LL庫）等內(nèi)容。

3.1 HAL APIs

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

HAL庫是基于一個非限制性的BSD許可協(xié)議而發(fā)布的開源代碼。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，庫中的中間件(USB主機/設(shè)備庫，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，HAL庫更加抽象化，可移植性更高，目前HAL庫已經(jīng)支持包括F7在內(nèi)的全部產(chǎn)品。但是，HAL庫較之其他開發(fā)庫占用了更多的軟件資源，執(zhí)行代碼的所需要的時間更長，優(yōu)化程度較低。

3.2 Low-Layer APIs（圖3）

圖3 STM32Cube結(jié)構(gòu)

Low-Layer庫，簡稱為LL庫，也是包含在STM32Cube中的庫，就HAL庫而言，它更加底層，進行直接寄存器操作。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庫的低效率，在對低性能（M0）或者低功耗(L系列)的芯片編程時，LL庫可以作為HAL庫的一個很好的替代品進行使用。基于LL庫的驅(qū)動程序，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)可實現(xiàn)直接訪問原子寄存器。同時LL庫既可以獨立運行，又可以和HAL庫一起混合運行，更為優(yōu)化的同時也更加適應(yīng)多種情況。

盡管HAL庫和LL庫可以同時使用，但是LL不能與同一外圍設(shè)備實例的HAL一起使用。不能同時使用兩個API在同一IP上運行并行進程，但允許順序使用。

4 各庫比較

根據(jù)官方提供的數(shù)據(jù)，獲得如表1的各開發(fā)庫特征比較。

表1 各開發(fā)庫特征比較

由表1可知，每個開發(fā)庫都各有其長處和局限性。STM32Snippets作為代碼段示例，MPU和存儲器的使用效率很高，因此它的優(yōu)化程度很高，但是它的可移植性、簡易度等參數(shù)都很低，對開發(fā)者的總體要求很高。不同的開發(fā)庫的特點要求開發(fā)者根據(jù)使用的STM32類型、開發(fā)項目對效率、性能、可移植性的要求來選擇需要的庫，從而實現(xiàn)更高效的開發(fā)。

結(jié)論：就目前STM32官方所提供的開發(fā)庫而言，STM32Snippets代碼效率極高但是對開發(fā)者對底層架構(gòu)和匯編語言的理解程度有較高的要求；標(biāo)準(zhǔn)固件庫硬件覆蓋完備，提供對寄存器操作的庫函數(shù)，但是目前只有部分STM32系列提供了固件庫，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，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庫接近底層，優(yōu)化程度高，但是不能在系列間移植，同時也需要開發(fā)者對寄存器有一定的了解。