深入剖析 STM32：HAL、标准库、LL 库与寄存器操作
深入剖析 STM32：HAL、标准库、LL 库与寄存器操作
引言
在 STM32 微控制器的开发领域，存在着多种开发方式，在入门STM32的时候，首先都要先选择一种要用的开发方式，不同的开发方式会导致你编程的架构是完全不一样的。一般大多数都会选用标准库和HAL库，而极少部分人会通过直接配置寄存器进行开发。开发方式主要包括 HAL（Hardware Abstraction Layer，硬件抽象层）库、标准库、LL（Low Layer，低层）库以及直接进行寄存器操作。每一种方式都有其独特的特点和适用场景，了解它们之间的区别和联系，能够帮助开发者根据具体项目需求选择最合适的开发方法。
寄存器操作
原理
寄存器操作堪称最底层的开发方式。在 STM32 里，每个外设都配备了一系列与之对应的寄存器，这些寄存器宛如微控制器的 “控制中心”，开发者可通过直接读写它们来掌控外设的工作模式与状态等。以配置 GPIO 引脚的输出模式为例，就需要直接对 GPIO 端口的相关寄存器进行操作。
不过，STM32 的寄存器数量繁多，开发者根本无法将它们全部记住。在开发过程中，常常需要频繁翻查芯片的数据手册，这使得直接操作寄存器变得十分费力。然而，仍有一小部分开发者钟情于直接操作寄存器，因为这种方式能让他们更接近硬件原理，真正做到知其然且知其所以然。以下代码是本人通过寄存器模板在STM32F10x系列来编写的，实现让LED灯闪烁和蜂鸣器声响功能。
示例代码
#include "stm32f10x.h"
//延时函数
void delay(unsigned int i){
while(i--);
}
//防止报错
void SystemInit(void){
}
//入口函数
int main(void){
//led的初始化
//1.打开GPIOB控制器的时钟
//RCC_APB2ENR[3] = 1
RCC_APB2ENR |= (1 << 3);
RCC_APB2ENR |= (1 << 6);
//2.配置GPIO5-推挽输出，50MHz
//GPIO_CRL[23:20] = 0011
GPIOB_CRL &= ~(0xf << 20);//[23:20]=0000
GPIOB_CRL |= (3 << 20);//[23:20]=11
GPIOE_CRL &= ~(0xf << 20);//[23:20]=0000
GPIOE_CRL |= (3 << 20);
GPIOB_CRH &= ~(0XF);
GPIOB_CRH |= 3;
//3.配置PB5，输出高电平
//GPIOB_ODR[5] = 1
GPIOB_ODR |= (1 << 5);
GPIOE_ODR |= (1 << 5);
GPIOB_ODR &= ~(1 << 8);
while(1){
//开灯，打开蜂鸣器
GPIOB_ODR &= ~(1 << 5);
GPIOE_ODR |= (1 << 5);
GPIOB_ODR |= (1 << 8);
//延时
delay(0xfffff);
//关灯，关闭蜂鸣器
GPIOB_ODR |= (1 << 5);
GPIOE_ODR &= ~(1 << 5);
GPIOB_ODR &= ~(1 << 8);
//延时
delay(0xfffff);
}
}
#ifndef __STM32F10X_H
#define __STM32F10X_H
//定义宏表示两条总线
#define PERIPH_BASE ((unsigned int)0x40000000)
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE+0x10000)
#define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE+0x20000)
//定义宏表示两个控制器地址
#define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE+0x0C00)
#define GPIOE_BASE (APB2PERIPH_BASE+0x1800)
#define RCC_BASE (AHBPERIPH_BASE+0x1000)
//定义宏表示寄存器
#define GPIOB_CRL (*(unsigned int*)(GPIOB_BASE+0))
#define GPIOB_CRH (*(unsigned int*)(GPIOB_BASE+0x04))
#define GPIOB_ODR (*(unsigned int*)(GPIOB_BASE+0x0C))
#define RCC_APB2ENR (*(unsigned int*)(RCC_BASE+0x18))
#define GPIOE_CRL (*(unsigned int*)(GPIOE_BASE+0))
#define GPIOE_ODR (*(unsigned int*)(GPIOE_BASE+0x0C))
#endif
优缺点
- 优点：代码执行效率高，占用资源少，开发者能够精确控制硬件的每一个细节，对硬件的理解也更加深入。
- 缺点：开发难度大，代码的可读性和可维护性较差，开发周期长，尤其是在处理复杂外设时，需要开发者对硬件手册有深入的了解。
标准库
原理
上面也提到了，STM32有非常多的寄存器，而导致了开发困难，所以ST 公司早期推出的一套用于简化 STM32 开发的库(标准库)。它将寄存器操作进行了封装，提供了一系列的函数和结构体，开发者可以通过调用这些函数来完成对外设的配置和操作，而不需要直接操作寄存器。
示例代码
#include "stm32f10x.h"
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
int main(void)
{
// 使能GPIOA时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
// 配置PA0为推挽输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
while (1)
{
// 点亮LED
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);
for (int i = 0; i < 1000000; i++);
// 熄灭LED
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);
for (int i = 0; i < 1000000; i++);
}
}
优缺点
- 优点：相对于寄存器操作，标准库的代码可读性和可维护性有了很大的提高，开发难度降低，开发周期缩短，适合初学者快速上手。
- 缺点：随着 STM32 产品线的不断丰富，标准库的维护成本越来越高，ST 公司逐渐停止了对标准库的更新，并且标准库的代码效率相对寄存器操作会有所降低。
HAL 库
原理
HAL 库是 ST 公司推出的新一代硬件抽象层库，全称就是Hardware Abstraction Layer（抽象印象层）。旨在提供统一的 API 接口，方便开发者在不同系列的 STM32 微控制器之间进行移植。HAL 库对底层硬件进行了高度抽象，开发者只需要关注应用层的逻辑，而不需要过多地了解硬件细节。
示例代码
#include "stm32f1xx_hal.h"
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
while (1)
{
// 点亮LED
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
HAL_Delay(1000);
// 熄灭LED
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
HAL_Delay(1000);
}
}
void SystemClock_Config(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
/** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
* in the RCC_OscInitTypeDef structure.
*/
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
*/
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}
static void MX_GPIO_Init(void)
{
/* GPIO Ports Clock Enable */
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
/*Configure GPIO pin Output Level */
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
/*Configure GPIO pin : PA0 */
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}
优缺点
- 优点：代码移植性强，开发效率高，提供了丰富的功能函数和中断处理机制，适合快速开发和项目的迭代。
- 缺点：代码体积大，执行效率相对较低，由于对硬件进行了高度抽象，开发者对硬件的控制不够灵活，在一些对性能要求极高的场景下可能不太适用。
LL 库
原理
LL 库是在 HAL 库的基础上推出的低层库，它结合了寄存器操作的高效性和 HAL 库的易用性。LL 库提供了一系列的宏和函数，这些函数直接操作寄存器，代码执行效率高，同时又保持了一定的可读性和可维护性。
示例代码
#include "stm32f1xx_ll_gpio.h"
#include "stm32f1xx_ll_rcc.h"
int main(void)
{
// 使能GPIOA时钟
LL_APB2_GRP1_EnableClock(LL_APB2_GRP1_PERIPH_GPIOA);
// 配置PA0为推挽输出模式
LL_GPIO_SetPinMode(GPIOA, LL_GPIO_PIN_0, LL_GPIO_MODE_OUTPUT);
LL_GPIO_SetPinOutputType(GPIOA, LL_GPIO_PIN_0, LL_GPIO_OUTPUT_PUSHPULL);
LL_GPIO_SetPinSpeed(GPIOA, LL_GPIO_PIN_0, LL_GPIO_SPEED_FREQ_LOW);
while (1)
{
// 点亮LED
LL_GPIO_SetOutputPin(GPIOA, LL_GPIO_PIN_0);
for (int i = 0; i < 1000000; i++);
// 熄灭LED
LL_GPIO_ResetOutputPin(GPIOA, LL_GPIO_PIN_0);
for (int i = 0; i < 1000000; i++);
}
}
优缺点
- 优点：代码执行效率高，占用资源少，同时又具有较好的可读性和可维护性，适合对性能要求较高且需要一定开发效率的项目。
- 缺点：相对于 HAL 库，LL 库的功能函数没有那么丰富，对于一些复杂的外设操作，可能需要开发者进行更多的底层配置。
总结
在 STM32 开发中，寄存器操作、标准库、HAL 库和 LL 库各有优劣。寄存器操作适合对硬件性能要求极高、对硬件细节有深入了解的开发者；标准库适合初学者快速上手，但由于其停止更新，在新项目中使用较少；HAL 库适合快速开发和项目移植，但代码体积和执行效率是其短板；LL 库则在性能和开发效率之间取得了较好的平衡。开发者应根据项目的具体需求和自身的技术水平，选择最合适的开发方式。
说明
网上关于 STM32 标准库、HAL 库的文章多如牛毛，但对于刚入门的小伙伴来说，还是很难直观地搞清楚这些开发方式的区别。作为一个同样在学习路上摸爬滚打的小白，我想用最直白的大白话，结合自己的理解把这些知识分享出来。当然，我也还在学习阶段，如果哪里说得不对，或者大家有不同的看法，非常欢迎在评论区指出！毕竟写博客也是我学习的过程，本人第一次写博客，如果有任何建议，还请各位大佬多多指教～
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