我在高职教STM32(无论怎么封装终究是操作的还是寄存器)06初识STM32固件库

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(无论怎么封装终究是操作的还是寄存器)

大家好，我是老耿，高职青椒一枚，一直从事单片机、嵌入式、物联网等课程的教学。对于高职的学生层次，同行应该都懂的，老师在课堂上教学几乎是没什么成就感的。正是如此，才有了借助头条平台寻求认同感和成就感的想法。在这里，我准备陆续把自己花了很多心思设计的教学设计分享出来，如果您正是一名单片机爱好者或是一名同行，欢迎点赞+关注，各位的支持是本人持续输出的动力，多谢多谢！#我要上微头条# #STM32# #高职高专#

一、STM32神器之库开发——用抽象的分层屏蔽底层

  • 什么是STM32函数库

在正式介绍库之前，先献上一条不知出处的“至理名言”：计算机领域中的所有问题，都可以通过向上一层进行抽象封装来解决。

  1. 库就是函数接口（API）
    开发者可调用这些函数接口来配置STM32的寄存器，使开发人员得以脱离最底层的寄存器操作，有开发快速，易于阅读，维护成本低等优点。
  2. 库是架设在寄存器与用户驱动层之间的代码
    ① 库向下处理与寄存器直接相关的配置，向上为用户提供配置寄存器的接口。
    ② 当我们调用库API的时候不需要挖空心思去了解库底层的寄存器操作，就像当年我们刚开始学习C语言的时候，用prinf()函数时只是学习它的使用格式，并没有去研究它的源码实现。
    ③ 记住一点：无论怎么封装，终究是操作的还是寄存器。

库开发与寄存器开发

  • 为什么采用库开发来学习
  1. 开发速度快
    对于STM32，因为外设资源相当丰富，带来的必然是寄存器的数量和复杂度的增加，直接配置寄存器方式影响了开发效率和维护成本。库开发方式则正好弥补了这个缺陷。
  2. 程序移植性好
    随着ST库的完善与大家对库的了解，更多的开发者选择了库。STM32F1系列和STM32F4系列各有一套自己的函数库，但它们大部分是兼容的，F1和F4之间的程序移植，只需要小改即可。

对于库采用的多层封装导致生成代码量大的问题，其实在STM32充足资源面前并不明显。绝大部分时候，我们愿意牺牲一点CPU资源，选择库开发。

事实上，库函数的底层实现恰恰是直接配置寄存器方式的最佳例子，它代替我们完成了寄存器配置的工作，而想深入了解芯片是如何工作的话，只要直接查看库函数的最底层实现就能理解。

要想修炼C语言，就从ST的库开始吧，相信你会为它严谨、优美的实现方式而陶醉。

二、STM32结构与库层次关系——将神奇而强大的库文件抽丝剥茧

  • CMSIS标准

基于Cortex-M3的某系列芯片采用的内核都是相同的，区别主要为核外的片上外设的差异，这些差异却导致软件在同内核、不同外设的芯片上移植困难。

为了解决不同芯片厂商的微控制器软件的兼容性问题，ARM与芯片厂商建立了CMSIS标准（Cortex Microcontroller Software Interface Standard）

CMSIS层位于硬件层与用户层（或操作系统）之间，提供了与芯片厂商无关的硬件抽象层，可以为接口外设、实时操作系统提供简单的处理器软件接口，这对软件的移植大有好处。

CMSIS层的作用

  • 库目录和文件简介
  1. 标准库里的目录
    STM32标准库可以从官网获得，也可以直接从开发板的配套资料得到。这里有必要说明一下，STM32的库开发有两种：标准库和HAL库。标准库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，我在给学生上课使用的就是标准库。

STM32标准库里的目录解读

  1. 顺便提一下HAL库
    ST官方对标准库更新到3.5.0就到头了，而转向主推HAL库开发。HAL全称就是Hardware Abstraction Layer（抽象印象层）。库如其名，很抽象，一眼看上去不太容易知道他的作用是什么。它的出现比标准库要晚，但其实和标准库一样，都是为了节省程序开发的周期，而且HAL库尤其的有效，如果说标准库把实现功能需要配置的寄存器集成了，那么HAL库的一些函数甚至可以做到某些特定功能的集成。也就是说，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。
    既然这么好，那为什么不用呢？这得分谁用，如果是一个有开发经验的工程师，因为对STM32了如指掌，即使抽象也能知道来龙去脉。但对于零基础的学生来说，建议还是从经典的标准库学起，打好基础，毕竟移植程序这种事儿在学校里几乎是不需要的，过于抽象的东西也会带来不少迷茫。
  • CMSIS文件夹
  1. 展开概览

标准库中CMSIS文件夹展开

  1. 内核相关文件
    core_cm3.c——这个文件实现了一下操作内核外设寄存器的函数，用的比较少。
    core_cm3.h——
    core_cm3.h头文件里面实现了内核的寄存器映射，对应外设头文件stm32f10x.h，区别就是一个针对内核的外设，一个针对片上（内核之外）的外设。
    core_cm3.h还包含了stdint.h这个头文件，这是一个ANSI C文件，是独立于处理器之外的，就像熟知的C语言头文件stdio.h一样，主要作用是提供一些类型定义。这些新类型定义屏蔽了在不同芯片平台时，出现的诸如int的大小是16位，还是32位的差异。所以在以后的程序中，都将使用新类型如uint8_t 、uint16_t等。

core_cm3.h中对类型的定义

  1. 启动文件
    启动文件是任何处理器在上电复位之后最先运行的一段汇编程序，它为C语言的运行建立一个合适的环境。因此，上电之后最先运行的并不是C语言的主函数哦。
    启动文件在startup\arm\这个文件夹下面，有很多个，不同型号的微处理器用的启动文件不一样。我们开发板中用的STM32F103C8T6的FLASH是64K，属于基本型的中容量产品，启动文件统一选择startup_stm32f10x_md.s。

针对不同FLASH容量的启动文件

  1. 外设相关文件
    stm32f10x.h——这是一个非常底层的文件，它包含了STM32中寄存器地址和结构体类型定义，类似51单片机中的reg51.h。因此，在使用到STM32标准库的地方都要包含这个头文件。
    system_stm32f10x.c——这个文件由ST公司提供，功能是设置系统时钟和总线时钟。所有外设都与时钟频率有关，所以这个文件是非常关键的。
  • STM32F10x_StdPeriph_Driver文件夹
  1. 目录结构

外设驱动库目录

  1. 源文件与头文件

外设驱动库目录下的文件

外设文件的命名：每个外设对应一个 .c和 .h的文件，我们把这类外设统称为stm32f10x_ppp.c或stm32f10x_ppp.h文件，ppp表示外设名称。

外设文件的选择：实际的项目并不是所有外设都要用到的，至于哪些用哪些不用，其实是可以通过ST官方工程模板提供的一个stm32f103x_conf.h文件来进行选择。

特别的misc.c文件：这个文件提供了外设对内核中的NVIC（中断向量控制器）的访问函数。因此，在配置中断时，必须把这个文件添加到工程中。

  • 官方库工程模板
  1. 目录结构
    我们在用库建立一个完整的工程时， 还需要添加这个目录下的stm32f10x_it.c、stm32f10x_it.h 和stm32f10x_conf.h 这三个文件。

ST官方提供的标准库工程模板

  1. 文件解读
    stm32f10x_it.c——这个文件是专门用来编写中断服务函数的，在我们修改前，这个文件已经定义了一些系统异常（特殊中断）的接口，其它普通中断服务函数由我们自己添加。至于这些中断服务函数的接口如何写？我们会在学习中断和启动文件的时候详细介绍。
    stm32f10x_conf.h——这是个用于配置的头文件，统一管理所需的stm32f10x_ppp.h外设头文件。需要的，保留对应的配置语句；不需要的，注释掉对应的配置语句即可。最终，这个头文件又会在stm32f10x.h 的被包含，所以最终我们只需要包含stm32f10x.h这个头文件即可，非常方便。

stm32f10x_conf.h中管理的外设驱动库文件

  • 库文件之间的关系

STM32标准库中文件的相互关系

位于用户层的几个文件，就是我们在使用库的时候，针对不同的应用对库文件进行增删（用条件编译的方法增删）和改动的文件。

位于CMSIS层的文件包含进工程，除了特殊系统时钟需要修改system_stm32f10x.c，其它文件丝毫不用修改，也不建议修改。

三、学会使用帮助文档——授人以鱼不如授人以渔

  • 常用官方资料

官方资料是所有关于STM32知识的源头，而官方的帮助手册是最好的教程，几乎包含了所有在开发过程中遇到的问题。老耿坚信，授之以鱼不如授之以渔。

  1. STM32F10x-中文参考手册
    这个文件全方位介绍了STM32芯片的各种片上外设，它把STM32的时钟、存储器架构、以及各种外设、寄存器都描述得清清楚楚。
  2. Cortex-M3内核编程手册
    主要讲解STM32内核寄存器相关的说明，是《STM32F10x-中文参考手册》没涉及到的内核部分的补充，用的不多。
  3. Cortex-M3权威指南
    由ARM公司提供，它详细讲解了Cortex内核的架构和特性，要深入了解Cortex-M内核，这是首选，经典中的经典。
  4. STM32F103x固件函数库用户手册
    这就是前面提到的库帮助文档的中文版，在使用库函数时，我们最好通过查阅此文件来了解标准库提供了哪些外设、函数原型或库函数的调用的方法。
  • 学会查阅库函数
  1. 初识库函数
    所谓库函数，就是STM32的库文件中为我们编写好驱动外设的函数接口，我们只要调用这些库函数，就可以对STM32进行配置，达到控制目的。
    我们可以不知道库函数是如何实现的，但我们调用函数必须要知道函数的功能、可传入的参数及其意义、和函数的返回值。
  2. 优美的STM32库
    每个函数和数据类型都符合见名知义的原则，但名称写起来特别长，而且输入这么长的英文很容易出错。所以在用到库函数的地方，直接把帮助文档中的函数名称复制粘贴到工程文件就可以了。

库函数使用帮助文档

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