新手在入門 STM32 的時候，一般大多數都會選用標準庫和 HAL 庫，而極少部分人會通過直接配置寄存器進行開發。

對于剛入門的朋友，可能沒法直觀了解這些不同開發發方式之間的區別，本文試圖以一種非常直白的方式，用自己的理解去將這些東西表述出來。

配置寄存器

不少先學了 51單片機的朋友可能會知道，會有一小部分人或教程是通過匯編語言直接操作寄存器實現功能的，這種方法到了 STM32 就變得不太容易行得通了。

因為 STM32 的寄存器數量是 51單片機的十數倍，如此多的寄存器根本無法全部記憶，開發時需要經常的翻查芯片的數據手冊，此時直接操作寄存器就變得非常的費力了。也有人喜歡去直接操作寄存器，因為這樣更接近原理，代碼更少，知其然也知其所以然。

標準庫

上面也提到了，STM32 有非常多的寄存器，而導致了開發困難，所以為此 ST 公司就為每款芯片都編寫了一份庫文件，也就是工程文件里 stm32F1xx..... 之類的。在這些 .c 與 .h 文件中，包括一些常用量的宏定義，把一些外設也通過結構體變量封裝起來，如 GPIO、時鐘等。

所以我們只需要配置結構體變量成員就可以修改外設的配置寄存器，從而選擇不同的功能。也是目前最多人使用的方式，也是學習 STM32 接觸最多的一種開發方式，我也就不多闡述了。

HAL庫

HAL 庫是 ST 公司目前主推的開發方式，全稱就是 Hardware Abstraction Layer（抽象印象層），簡單來說就是弱化了開發者對硬件底層知識的依賴。

同樣的功能，標準庫可能要用幾句話，HAL 庫只需用一句話就夠了。并且 HAL 庫也很好地解決了程序移植的問題。不同型號的 STM32 芯片它的標準庫是不一樣的，例如在F4 上開發的程序移植到 F3 上是不能通用的，而使用 HAL 庫，只要使用的是相同的外設，程序基本可以完全復制粘貼。注意是相同外設，意思也就是不能無中生有。例如 F7 比 F3 要多幾個定時器，不能明明沒有這個定時器卻非要配置，但其實這種情況不多，絕大多數都可以直接復制粘貼。

而且使用 ST 公司研發的 STMcube 軟件，可以通過圖形化的配置功能，直接生成整個適用于HAL庫的工程文件，可以說是方便至極。但是方便的同時也造成了它執行效率偏低。

綜合上面說的，其實筆者還是強烈推薦 HAL 庫的，理由：

• ST 公司已經停止更新標準庫，公司主打 HAL 庫的目的已經非常明顯了；
• 模塊化的 HAL 庫是趨勢，低效的短板會被硬件的增強所彌補。

當然底層的基本原理是必須要懂的，HAL 庫也不是萬能的，結合對底層的理解相信一定會讓你的開發水準大大提高。

HAL庫與標準庫的區別

1 句柄

在STM32的標準庫中，假設我們要初始化一個外設（這里以 USART 為例） 我們首先要初始化他們的各個寄存器。

在標準庫中，這些操作都是利用固件庫結構體變量+固件庫 Init 函數實現的：

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;


USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//串口波特率
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字長為8位數據格式
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一個停止位
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//無奇偶校驗位
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//無硬件數據流控制
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; //收發模式


USART_Init(USART3, &USART_InitStructure); //初始化串口1

可以看到，要初始化一個串口，需要對六個位置進行賦值，然后引用 Init 函數，并且USART_InitStructure 并不是一個全局結構體變量，而是只在函數內部的局部變量，初始化完成之后，USART_InitStructure 就失去了作用。

而在HAL庫中，同樣是 USART 初始化結構體變量，我們要定義為全局變量。

UART_HandleTypeDef UART1_Handler;

結構體成員：

typedef struct
{
  USART_TypeDef                 *Instance;        /*!< UART registers base address        */
  UART_InitTypeDef             Init;             /*!< UART communication parameters      */
  uint8_t                       *pTxBuffPtr;      /*!< Pointer to UART Tx transfer Buffer */
  uint16_t                      TxXferSize;       /*!< UART Tx Transfer size              */
  uint16_t                      TxXferCount;      /*!< UART Tx Transfer Counter           */
  uint8_t                       *pRxBuffPtr;      /*!< Pointer to UART Rx transfer Buffer */
  uint16_t                      RxXferSize;       /*!< UART Rx Transfer size              */
  uint16_t                      RxXferCount;      /*!< UART Rx Transfer Counter           */
  DMA_HandleTypeDef             *hdmatx;          /*!< UART Tx DMA Handle parameters      */
  DMA_HandleTypeDef             *hdmarx;          /*!< UART Rx DMA Handle parameters      */
  HAL_LockTypeDef               Lock;             /*!< Locking object                     */
  __IO HAL_UART_StateTypeDef    State;            /*!< UART communication state           */
  __IO uint32_t                ErrorCode;        /*!< UART Error code                    */
}UART_HandleTypeDef;

我們發現，與標準庫不同的是，該成員不僅包含了之前標準庫就有的六個成員（波特率，數據格式等），還包含過采樣、（發送或接收的）數據緩存、數據指針、串口 DMA 相關的變量、各種標志位等等，要在整個項目流程中都要設置的各個成員。

該UART1_Handler就被稱為串口的句柄 它被貫穿整個 USART 收發的流程，比如開啟中斷：

HAL_UART_Receive_IT(&UART1_Handler, (u8 *)aRxBuffer, RXBUFFERSIZE);

比如后面要講到的 MSP 與 Callback 回調函數：

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart);
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);

在這些函數中，只需要調用初始化時定義的句柄 UART1_Handler 就好。

2 MSP函數

MCU Specific Package 單片機的具體方案。

MSP 是指和 MCU 相關的初始化，引用一下正點原子的解釋，個人覺得說地很明白：

“我們要初始化一個串口，首先要設置和 MCU 無關的東西，例如波特率，奇偶校驗，停止位等，這些參數設置和 MCU 沒有任何關系，可以使用 STM32F1，也可以是 STM32F2/F3/F4/F7 上的串口。而一個串口設備它需要一個 MCU 來承載，例如用 STM32F4 來做承載，PA9 做為發送，PA10 做為接收，MSP 就是要初始化 STM32F4 的 PA9,PA10，配置這兩個引腳。所以 HAL驅動方式的初始化流程就是：HAL_USART_Init()—>HAL_USART_MspInit()，先初始化與 MCU無關的串口協議，再初始化與 MCU 相關的串口引腳。在 STM32 的 HAL 驅動中HAL_PPP_MspInit()作為回調，被 HAL_PPP_Init() 函數所調用。當我們需要移植程序到 STM32F1 平臺的時候，我們只需要修改 HAL_PPP_MspInit 函數內容而不需要修改 HAL_PPP_Init 入口參數內容。

”

在 HAL 庫中，幾乎每初始化一個外設就需要設置該外設與單片機之間的聯系，比如IO口，是否復用等等。可見，HAL 庫相對于標準庫多了MSP函數之后，移植性非常強，但與此同時卻增加了代碼量和代碼的嵌套層級。可以說各有利弊。

同樣，MSP 函數又可以配合句柄，達到非常強的移植性：

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart);

3 Callback函數

類似于 MSP 函數，個人認為 Callback 函數主要幫助用戶應用層的代碼編寫。還是以 USART 為例，在標準庫中，串口中斷了以后，我們要先在中斷中判斷是否是接收中斷，然后讀出數據，順便清除中斷標志位，然后再是對數據的處理，這樣如果我們在一個中斷函數中寫這么多代碼，就會顯得很混亂：

void USART3_IRQHandler(void) //串口1中斷服務程序
{
  u8 Res;
  //接收中斷(接收到的數據必須是0x0d 0x0a結尾)
  if(USART_GetITStatus(USART3, USART_IT_RXNE) != RESET)
  {
    //讀取接收到的數據
    Res =USART_ReceiveData(USART3); 


    /*數據處理區*/
  } 
}

而在HAL庫中，進入串口中斷后，直接由 HAL 庫中斷函數進行托管：

void USART1_IRQHandler(void)                 
{
  //調用HAL庫中斷處理公用函數
  HAL_UART_IRQHandler(&UART1_Handler); 


  /***************省略無關代碼****************/ 
}

HAL_UART_IRQHandler 這個函數完成了判斷是哪個中斷（接收？發送？或者其他？），然后讀出數據，保存至緩存區，順便清除中斷標志位等等操作。比如我提前設置了，串口每接收五個字節，我就要對這五個字節進行處理。在一開始我定義了一個串口接收緩存區：

/*HAL庫使用的串口接收緩沖,處理邏輯由HAL庫控制，
接收完這個數組就會調用HAL_UART_RxCpltCallback進行處理這個數組*/
/*RXBUFFERSIZE=5*/
u8 aRxBuffer[RXBUFFERSIZE];

在初始化中，我在句柄里設置好了緩存區的地址，緩存大小（五個字節）

/* 該代碼在HAL_UART_Receive_IT函數中，初始化時會引用 */
huart- >pRxBuffPtr = pData; //aRxBuffer
huart- >RxXferSize = Size; //RXBUFFERSIZE
huart- >RxXferCount = Size; //RXBUFFERSIZE

則在接收數據中，每接收完五個字節，HAL_UART_IRQHandler 才會執行一次Callback 函數：

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);

在這個Callback回調函數中，我們只需要對這接收到的五個字節（保存在 aRxBuffer[] 中）進行處理就好了，完全不用再去手動清除標志位等操作。

所以說 Callback 函數是一個應用層代碼的函數，我們在一開始只設置句柄里面的各個參數，然后就等著 HAL 庫把自己安排好的代碼送到手中就可以了~

綜上 ，就是HAL庫的三個與標準庫不同的地方之個人見解。

個人覺得從這三個小點就可以看出 HAL 庫的可移植性之強大，并且用戶可以完全不去理會底層各個寄存器的操作，代碼也更有邏輯性。但由此帶來的是復雜的代碼量，極慢的編譯速度，略微低下的效率。看怎么取舍了。

HAL庫的結構

說到 STM32 的 HAL庫，就不得不提 STM32CubeMX，其作為一個可視化的配置工具，對于開發者來說，確實大大節省了開發時間。另外 STM32CubeIDE 集成了STM32CubeMX 的功能，是一個集配置與編譯于一體的軟件，可以嘗試一下。軟件更新頻率很高，持續優化某些 bug 及性能問題。

上面兩個開發軟件是以 HAL 庫為基礎的，且目前僅支持 HAL 庫及LL庫！

首先看一下，官方給出的HAL庫的文件結構：

下圖是STM32庫文件結構。

stm32f2xx.h 主要包含 STM32 同系列芯片的不同具體型號的定義，是否使用 HAL 庫等的定義，接著，其會根據定義的芯片信號包含具體的芯片型號的頭文件：

#if defined(STM32F205xx)
#include "stm32f205xx.h"
#elif defined(STM32F215xx)
#include "stm32f215xx.h"
#elif defined(STM32F207xx)
#include "stm32f207xx.h"
#elif defined(STM32F217xx)
#include "stm32f217xx.h"
#else
#error "Please select first the target STM32F2xx device used in your application (in stm32f2xx.h file)"
#endif

緊接著，其會包含 stm32f2xx_hal.h。

• stm32f2xx_hal.h：stm32f2xx_hal.c/h 主要實現 HAL 庫的初始化、系統滴答時鐘相關的函數、及 CPU 的調試模式配置
• stm32f2xx_hal_conf.h ：該文件是一個用戶級別的配置文件，用來實現對 HAL 庫的裁剪，其位于用戶文件目錄，不要放在庫目錄中。

接下來對于HAL庫的源碼文件進行一下說明，HAL 庫文件名均以 stm32f2xx_hal 開頭，后面加上_外設或者模塊名（如：stm32f2xx_hal_adc.c）：

庫文件：
 stm32f2xx_hal_ppp.c/.h   // 主要的外設或者模塊的驅動源文件，包含了該外設的通用API
 stm32f2xx_hal_ppp_ex.c/.h  // 外圍設備或模塊驅動程序的擴展文件。這組文件中包含特定型號或者系列的芯片的特殊API。以及如果該特定的芯片內部有不同的實現方式，則該文件中的特殊API將覆蓋_ppp中的通用API。
 stm32f2xx_hal.c/.h    // 此文件用于HAL初始化，并且包含DBGMCU、重映射和基于systick的時間延遲等相關的API
 其他庫文件
用戶級別文件：
 stm32f2xx_hal_msp_template.c // 只有.c沒有.h。它包含用戶應用程序中使用的外設的MSP初始化和反初始化（主程序和回調函數）。使用者復制到自己目錄下使用模板。
 stm32f2xx_hal_conf_template.h // 用戶級別的庫配置文件模板。使用者復制到自己目錄下使用
 system_stm32f2xx.c    // 此文件主要包含SystemInit()函數，該函數在剛復位及跳到main之前的啟動過程中被調用。**它不在啟動時配置系統時鐘（與標準庫相反）**。時鐘的配置在用戶文件中使用HAL API來完成。
 startup_stm32f2xx.s    // 芯片啟動文件，主要包含堆棧定義，終端向量表等
 stm32f2xx_it.c/.h    // 中斷處理函數的相關實現
 main.c/.h

根據 HAL 庫的命名規則，其 API 可以分為以下三大類：

• 初始化/反初始化函數：HAL_PPP_Init(), HAL_PPP_DeInit()
• IO 操作函數：HAL_PPP_Read(), HAL_PPP_Write(),HAL_PPP_Transmit(), HAL_PPP_Receive()
• 控制函數：HAL_PPP_Set (), HAL_PPP_Get ().
• 狀態和錯誤：HAL_PPP_GetState (), HAL_PPP_GetError ().

“注意：目前 LL 庫是和 HAL 庫捆綁發布的，所以在 HAL 庫源碼中，還有一些名為 stm32f2xx_ll_ppp 的源碼文件，這些文件就是新增的LL庫文件。使用 CubeMX 生產項目時，可以選擇LL庫。

”

HAL 庫最大的特點就是對底層進行了抽象。在此結構下，用戶代碼的處理主要分為三部分：

• 處理外設句柄，實現用戶功能
• 處理MSP
• 處理各種回調函數，外設句柄定義

HAL 庫在結構上，對每個外設抽象成了一個稱為 ppp_HandleTypeDef 的結構體，其中 ppp 就是每個外設的名字。所有的函數都是工作在 ppp_HandleTypeDef 指針之下。

每個外設/模塊實例都有自己的句柄。因此，實例資源是獨立的。

外圍進程相互通信：該句柄用于管理進程例程之間的共享數據資源。

下面，以ADC為例，

/** 
 * @brief  ADC handle Structure definition
 */
typedef struct
{
  ADC_TypeDef                   *Instance;                   /*!< Register base address */
  ADC_InitTypeDef               Init;                        /*!< ADC required parameters */
  __IO uint32_t                 NbrOfCurrentConversionRank;  /*!< ADC number of current conversion rank */
  DMA_HandleTypeDef             *DMA_Handle;                 /*!< Pointer DMA Handler */
  HAL_LockTypeDef               Lock;                        /*!< ADC locking object */
  __IO uint32_t                 State;                       /*!< ADC communication state */
  __IO uint32_t                ErrorCode;                   /*!< ADC Error code */
}ADC_HandleTypeDef;

從上面的定義可以看出，ADC_HandleTypeDef 中包含了 ADC 可能出現的所有定義，對于用戶想要使用 ADC 只要定義一個 ADC_HandleTypeDef 的變量，給每個變量賦好值，對應的外設就抽象完了。接下來就是具體使用了。

當然，對于那些共享型外設或者說系統外設來說，他們不需要進行以上這樣的抽象，這些部分與原來的標準外設庫函數基本一樣。例如以下外設：

• GPIO
• SYSTICK
• NVIC
• RCC
• FLASH

以 GPIO 為例，對于 HAL_GPIO_Init() 函數，其只需要 GPIO 地址以及其初始化參數即可。

1 三種編程方式

HAL 庫對所有的函數模型也進行了統一。在HAL 庫中，支持三種編程模式：輪詢模式、中斷模式、DMA模式（如果外設支持）。其分別對應如下三種類型的函數（以ADC為例）：

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Start(ADC_HandleTypeDef* hadc);
HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Stop(ADC_HandleTypeDef* hadc);


HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Start_IT(ADC_HandleTypeDef* hadc);
HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Stop_IT(ADC_HandleTypeDef* hadc);


HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Start_DMA(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t* pData, uint32_t Length);
HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Stop_DMA(ADC_HandleTypeDef* hadc);

其中，帶 _IT 的表示工作在中斷模式下；帶 _DMA 的工作在 DMA 模式下（注意：DMA 模式下也是可以開啟中斷的）；什么都沒帶的就是輪詢模式（沒有開啟中斷的）。至于使用者使用何種方式，就看自己的選擇了。

此外，新的HAL庫架構下統一采用宏的形式對各種中斷等進行配置（原來標準外設庫一般都是各種函數）。針對每種外設主要由以下宏：

• __HAL_PPP_ENABLE_IT(HANDLE, INTERRUPT)：使能一個指定的外設中斷
• __HAL_PPP_DISABLE_IT(HANDLE, INTERRUPT)：失能一個指定的外設中斷
• __HAL_PPP_GET_IT (HANDLE, __ INTERRUPT __)：獲得一個指定的外設中斷狀態
• __HAL_PPP_CLEAR_IT (HANDLE, __ INTERRUPT __)：清除一個指定的外設的中斷狀態
• __HAL_PPP_GET_FLAG (HANDLE, FLAG)：獲取一個指定的外設的標志狀態
• __HAL_PPP_CLEAR_FLAG (HANDLE, FLAG)：清除一個指定的外設的標志狀態
• __HAL_PPP_ENABLE(HANDLE) ：使能外設
• __HAL_PPP_DISABLE(HANDLE) ：失能外設
• __HAL_PPP_XXXX (HANDLE, PARAM) ：指定外設的宏定義
• _HAL_PPP_GET IT_SOURCE (HANDLE, __ INTERRUPT __) 檢查中斷源

2 三大回調函數

在 HAL 庫的源碼中，到處可見一些以__weak開頭的函數，而且這些函數，有些已經被實現了，比如：

有些則沒有被實現，例如：

__weak void HAL_SPI_TxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
/* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(hspi);
/* NOTE : This function should not be modified, when the callback is needed,the HAL_SPI_TxCpltCallback should be implemented in the user file
  */
}

所有帶有 __weak 關鍵字的函數表示，就可以由用戶自己來實現。如果出現了同名函數，且不帶 __weak 關鍵字，那么連接器就會采用外部實現的同名函數。通常來說，HAL 庫負責整個處理和 MCU 外設的處理邏輯，并將必要部分以回調函數的形式給出到用戶，用戶只需要在對應的回調函數中做修改即可。

HAL 庫包含如下三種用戶級別回調函數（PPP為外設名）：

1. 外設系統級初始化/解除初始化回調函數（用戶代碼的第二大部分：對于 MSP 的處理）：HAL_PPP_MspInit()和HAL_PPP_MspDeInit 例如：__weak void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi)。在 HAL_PPP_Init() 函數中被調用，用來初始化底層相關的設備（GPIOs, clock, DMA, interrupt）。
2. 處理完成回調函數：HAL_PPP_ProcessCpltCallback（Process指具體某種處理，如UART的Tx），例如：__weak void HAL_SPI_RxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)。當外設或者DMA工作完成后時，觸發中斷，該回調函數會在外設中斷處理函數或者 DMA 的中斷處理函數中被調用。
3. 錯誤處理回調函數：HAL_PPP_ErrorCallback例如：__weak void HAL_SPI_ErrorCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)。當外設或者 DMA 出現錯誤時，觸發終端，該回調函數會在外設中斷處理函數或者DMA的中斷處理函數中被調用。