STM32固件库详解
STM32固件库详解
1.1 基于标准外设库的软件开发
1.1.2 使用标准外设库开发的优势
简单的说，使用标准外设库进行开发最大的优势就在于可以使开发者不用深入了解底层硬件细节就可以灵活规范的使用每一个外设。标准外设库覆盖了从GPIO到定时器，再到CAN、I2C、SPI、UART和ADC等等的所有标准外设。对应的C源代码只是用了最基本的C编程的知识，所有代码经过严格测试，易于理解和使用，并且配有完整的文档，非常方便进行二次开发和应用。
1.1.3 STM32F10XXX标准外设库结构与文件描述
1. 标准外设库的文件结构
在上一小节中已经介绍了使用标准外设库的开发的优势，因此对标准外设库的熟悉程度直接影响到程序的编写，下面让我们来认识一下STM32F10XXX的标准外设库。STM32F10XXX的标准外设库经历众多的更新目前已经更新到最新的3.5版本，开发环境中自带的标准外设库为2.0.3版本，本书中以比较稳定而且较新的V3.4版本为基础介绍标准外设库的结构。
可以从ST的官方网站下载到各种版本的标准外设库，首先看一下3.4版本标准外设库的文件结构，如图5-3所示。3.0以上版本的文件结构大致相同，每个版本可能略有调整。
标准外设库的第一部分是CMSIS 和STM32F10x_StdPeriph_Driver，CMSIS 是独立于供应商的Cortex-M 处理器系列硬件抽象层，为芯片厂商和中间件供应商提供了简单的处理器软件接口，简化了软件复用工作，降低了Cortex-M 上操作系统的移植难度，并减少了新入门的微控制器开发者的学习曲线和新产品的上市时间。STM32F10x_StdPeriph_Driver则包括了分别对应包括了所有外设对应驱动函数，这些驱动函数均使用C语言编写，并提供了统一的易于调用的函数接口，供开发者使用。Project文件夹中则包括了ST官方的所有例程和基于不同编译器的项目模板，这些例程是学习和使用STM32的重要参考。Utilities包含了相关评估板的示例程序和驱动函数，供使用官方评估板的开发者使用，很多驱动函数同样可以作为学习
的重要参考。
STM32F10xxx标准外设库体系结构如图5-4所示。图中很好的展示了各层以及具体文件之间的联系，各文件的具体功能说明如表5-5所示。
图5-4 STM32F10xxx标准外设库体系结构
表5-5 文件功能说明
2. 基于CMSIS标准的软件架构
根据调查研究，软件开发已经被嵌入式行业公认为最主要的开发成本。对于ARM公司来说，一个ARM内核往往会授权给多个厂家，生产种类繁多的产品，如果没有一个通用的软件接口标准，那么当开发者在使用不同厂家的芯片时将极大的增加了软件开发成本，因此，ARM 与Atmel、IAR、Keil、hami-nary Micro、Micrium、NXP、SEGGER和ST等诸多芯片和软件厂商合作，将所有Cortex芯片厂商产品的软件接口标准化，制定了CMSIS标准。此举意在降低软件开发成本，尤其针对新设备项目开发，或者将已有软件移植到其他芯片厂商提供的基于Cortex处理器的微控制器的情况。有了该标准，芯片厂商就能够将他们的资源专注于产品外设特性的差异化，并且消除对微控制器进行编程时需要维持的不同的、互相不兼容的标准的需求，从而达到降低开发成本的目的。
如图5-5所示，基于CMSIS标准的软件架构主要分为以下4层：用户应用层、操作系统及中间件接口层、CMSIS层、硬件寄存器层。其中CMSIS层起着承上启下的作用：一方面该层对硬件寄存器层进行统一实现，屏蔽了不同厂商对Cortex-M系列微处理器核内外设寄存器的不同定义；另一方面又向上层的操作系统及中间件接口层和应用层提供接口，简化了应用程序开发难度，使开发人员能够在完全透明的情况下进行应用程序开发。也正是如此，CMSIS 层的实现相对复杂。
层主要分为以下3 个部分：
(1) 核内外设访问层（CPAL，Core Peripheral Access Layer）：该层由ARM 负责实现。包括对寄存器名称、地址的定义，对核寄存器、NVIC、调试子系统的访问接口定义以及对特殊用途寄存器的访问接口（例如：CONTROL，xPSR）定义。由于对特殊寄存器的访问以内联方式定义，所以针对不同的编译器ARM 统一用来屏蔽差异。该层定义的接口函数均是可重入的。
(2) 片上外设访问层（DPAL, Device Peripheral Access Layer）：该层由芯片厂商负责实现。该层的实现与CPAL 类似，负责对硬件寄存器地址以及外设访问接口进行定义。该层可调用CPAL 层提供的接口函数同时根据设备特性对异常向量表进行扩展，以处理相应外设的中断请求。
(3) 外设访问函数（AFP, Access Functions for Peripherals）：该层也由芯片厂商负责实现，主要是提供访问片上外设的访问函数，这一部分是可选的。
对一个Cortex-M 微控制系统而言，CMSIS 通过以上三个部分实现了：
l 定义了访问外设寄存器和异常向量的通用方法；
l 定义了核内外设的寄存器名称和核异常向量的名称；
l 为RTOS 核定义了与设备独立的接口，包括Debug 通道。
这样芯片厂商就能专注于对其产品的外设特性进行差异化，并且消除他们对微控制器进
行编程时需要维持的不同的、互相不兼容的标准需求，以达到低成本开发的目的。CMSIS中的具体文件结构如表5-6所示。
表5-6 CMSIS文件夹结构
在实际开发过程中，根据应用程序的需要，可以采取2种方法使用标准外设库(StdPeriph_Lib)：(1) 使用外设驱动：这时应用程序开发基于外设驱动的API(应用编程接口)。用户只需要配置文件”stm32f10x_conf.h”，并使用相应的文件”stm32f10x_ppp.h/.c”即可。
(2) 不使用外设驱动：这时应用程序开发基于外设的寄存器结构和位定义文件。
这两种方法的优缺点在“使用标准外设库开发的优势”小节中已经有了具体的介绍，这里仍要说明的是，使用使用标准外设库进行开发可以极大的减小软件开发的工作量，也是目前嵌入
式系统开发的一个趋势。
标准外设库(StdPeriph_Lib)支持STM32F10xxx系列全部成员：大容量，中容量和小容量产品。从表5-6中也可以看出，启动文件已经对不同的系列进行了划分，实际开发中根据使用的STM32产品具体型号，用户可以通过文件”stm32f10x.h”中的预处理define或者通过开发环境中的全局设置来配置标准外设库(StdPeriph_Lib)，一个define对应一个产品系列。
下面列出支持的产品系列
STM32F10x_LD：STM32小容量产品
STM32F10x_MD：STM32中容量产品
STM32F10x_HD：STM32大容量产品
在库文件中这些define的具体作用范围是：
l 文件“stm3210f.h”中的中断IRQ定义
l 启动文件中的向量表，小容量，中容量，大容量产品各有一个启动文件
l 外设存储器映像和寄存器物理地址
l 产品设置：外部晶振(HSE)的值等
l 系统配置函数
因此通过宏定义这种方式，可以使标准外设库适用于不同系列的产品，同时也方便与不同产品之间的软件移植，极大的方便了软件的开发。
4. 使用步骤
前面几个小节已经详细介绍了标准外设库的组成结构以及部分主要文件的功能描述，那么如果在开发中使用标准外设库需要哪些描述呢？下面就进行简要的介绍，这儿介绍的使用方法是与开发环境无关的，在不同的开发环境中可能在操作方式上略有不同，但是总体的流程都是一样的，下一小节将介绍在MDK ARM开发环境下使用标准外设库的详细过程。
首先新建一个项目并设置工具链对应的启动文件，可以使用标准外设库中提供的模板，也可以自己根据自己的需求新建。标准外设库中已经提供了不同工具链对应的文件，位于STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.4.0\Libraries\CMSIS\CM3\DeviceSupport\ST\STM32F10x\startup 目录下。
其次按照使用产品的具体型号选择具体的启动文件，加入工程。文件主要按照使用产品的容量进行区分，根据产品容量进行选择即可。每个文件的具体含义可以在“stm32f10x.h”文件中找到对应的说明，摘录如下：
#if !defined (STM32F10X_LD) && !defined (STM32F10X_LD_VL) && !defined (STM32F10X_MD) && !defined (STM32F10X_MD_VL) && !defined (STM32F10X_HD) && !defined (STM32F10X_HD_VL) && !defined (STM32F10X_XL) && !defined (STM32F10X_CL)
/* #define STM32F10X_LD */ /*!< STM32F10X_LD: STM32 Low density devices */
/* #define STM32F10X_LD_VL */ /*!< STM32F10X_LD_VL: STM32 Low density Value Line devices */
/* #define STM32F10X_MD */ /*!< STM32F10X_MD: STM32 Medium density devices */
/* #define STM32F10X_MD_VL */ /*!< STM32F10X_MD_VL: STM32 Medium density Value Line devices */ /* #define STM32F10X_HD */ /*!< STM32F10X_HD: STM32 High density devices */
/* #define STM32F10X_HD_VL */ /*!< STM32F10X_HD_VL: STM32 High density value line devices */
/* #define STM32F10X_XL */ /*!< STM32F10X_XL: STM32 XL-density devices */
/* #define STM32F10X_CL */ /*!< STM32F10X_CL: STM32 Connectivity line devices */
#endif
/* Tip: To avoid modifying this file each time you need to switch between these
devices, you can define the device in your toolchain compiler preprocessor.
- Low-density devices are STM32F101xx, STM32F102xx and STM32F103xx microcontrollers where the Flash memory density ranges between 16 and 32 Kbytes.
- Low-density value line devices are STM32F100xx microcontrollers where the Flash
memory density ranges between 16 and 32 Kbytes.
- Medium-density devices are STM32F101xx, STM32F102xx and STM32F103xx microcontrollers where the Flash memory density ranges between 64 and 128 Kbytes.
- Medium-density value line devices are STM32F100xx microcontrollers where the
Flash memory density ranges between 64 and 128 Kbytes.
- High-density devices are STM32F101xx and STM32F103xx microcontrollers where
the Flash memory density ranges between 256 and 512 Kbytes.
- High-density value line devices are STM32F100xx microcontrollers where the
Flash memory density ranges between 256 and 512 Kbytes.
- XL-density devices are STM32F101xx and STM32F103xx microcontrollers where
the Flash memory density ranges between 512 and 1024 Kbytes.
- Connectivity line devices are STM32F105xx and STM32F107xx microcontrollers.
*/
“stm32f10x.h”是整个标准外设库的入口文件，这个文件包含了STM32F10x全系列所有外设寄存器的定义（寄存器的基地址和布局）、位定义、中断向量表、存储空间的地址映射等。为了是这个文件适用于不同系列的产品，程序中是通过宏定义来实现不同产品的匹配的，上面这段程序的注释中已经详细给出了每个启动文件所对应的产品系列，与之对应，也要相应的修改这个入口文件，需要根据所使用的产品系列正确的注释/去掉相应的注释define。在这段程序的下方同样有这样的一个注释程序/*#define USE_STDPERIPH_DRIVER*/ 用于选择是否使用标准外设库，如果保留这个注释，则用户开发程序可以基于直接访问“stm32f10x.h”中定义的外设寄存器，所有的操作均基于寄存器完成，目前不使用固件库的单片机开发，如51、AVR、MSP430等其实都是采用此种方式，通过在对应型号的头文件中进行外设寄存器等方面的定义，从而在程序中对相应的寄存器操作完成相应的功能设计。
如果去掉/*#define USE_STDPERIPH_DRIVER*/的注释，则是使用标准外设库进行开发，用户需要使用在文件“stm32f10x_conf.h”中，选择要用的外设，外设同样是通过注释/去掉注释的方式来选择。示例程序如下：
/* Uncomment the line below to enable peripheral header file inclusion */
#include "stm32f10x_adc.h"
/* #include "stm32f10x_bkp.h" */
/* #include "stm32f10x_can.h" */
/* #include "stm32f10x_cec.h" */
/* #include "stm32f10x_crc.h" */
/* #include "stm32f10x_dac.h" */
/* #include "stm32f10x_dbgmcu.h" */
#include "stm32f10x_dma.h"
/* #include "stm32f10x_exti.h" */
/* #include "stm32f10x_flash.h" */
/* #include "stm32f10x_fsmc.h" */
#include "stm32f10x_gpio.h"
/* #include "stm32f10x_i2c.h" */
/* #include "stm32f10x_iwdg.h" */
/* #include "stm32f10x_pwr.h" */
#include "stm32f10x_rcc.h"
/* #include "stm32f10x_rtc.h" */
/* #include "stm32f10x_sdio.h" */
/* #include "stm32f10x_spi.h" */
/* #include "stm32f10x_tim.h" */
/* #include "stm32f10x_usart.h" */
/* #include "stm32f10x_wwdg.h" */
#include "misc.h" /* High level functions for NVIC and SysTick (add-on to CMSIS functions) */
上面一段程序来自于例程中的AD采集程序，程序使用了AD和DMA，因此去掉相应的注释，同时几乎所有的应用都需要使用复位与时钟以及通用I/O，因此这两项是必须的，
而多数程序同样要使用NVIC中断IRQ设置和SysTick时钟源设置，那么“misc.h”这一项也是必须的。
上面已经针对具体的产品信号和程序功能进行了针对性的配置，接下来需要配置系统所使用的时钟，系统时钟在“system_stm32f10x.c”同样通过注释的方式来配置，程序如下：
#if defined (STM32F10X_LD_VL) || (defined STM32F10X_MD_VL) || (defined STM32F10X_HD_VL)
/* #define SYSCLK_FREQ_HSE HSE_VALUE */
#define SYSCLK_FREQ_24MHz 24000000
#else
/* #define SYSCLK_FREQ_HSE HSE_VALUE */
/* #define SYSCLK_FREQ_24MHz 24000000 */
/* #define SYSCLK_FREQ_36MHz 36000000 */
/* #define SYSCLK_FREQ_48MHz 48000000 */
/* #define SYSCLK_FREQ_56MHz 56000000 */
#define SYSCLK_FREQ_72MHz 72000000
#endif
如果这儿没有明确的定义那么HSI时钟将会作为系统时钟。
至此，已经配置了系统的主要外部参数，这些参数主要是通过更改相关的宏定义来实现的，有些开发环境，例如Keil支持在软件设置中加入全局宏定义，因此像芯片系列定义，是否使用固件库定义等也可以通过软件添加来实现。
完成了主要参数配置以后就可以进行程序的开发了，标准外设库开发就可以使用标准外设库中提供的方便的API函数进行相应的功能设计了。在4.2.2小节中已经介绍了基于标准外设库开发的优势，配置完成后，程序中仍然可以直接更改相应寄存器的配置，通过对寄存器的操作可以提高程序的效率，因此可以使用标准外设库和寄存器操作两种相结合的方式。
分类: STM32设计相关, 嵌入