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分类: 嵌入式

2018-06-22 10:28:07

本章参考资料:《STM32F76xxx参考手册》、《STM32F7xx规格书》、《Cortex-M3权威指南》, STM32 HAL库帮助文档:《STM32F779xx_User_Manual.chm》。

在上一章中,我们构建了几个控制GPIO外设的函数,算是实现了函数库的雏形,但GPIO还有很多功能函数我们没有实现,而且STM32芯片不仅仅只有GPIO这一个外设。如果我们想要亲自完成这个函数库,工作量是非常巨大的。ST公司提供的HAL软件库,包含了STM32芯片所有寄存器的控制操作,我们直接学习如何使用STHAL库,会极大地方便控制STM32芯片。

9.1  CMSIS标准及库层次关系

因为基于Cortex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。为了解决不同的芯片厂商生产的Cortex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)

所谓CMSIS标准,实际是新建了一个软件抽象层。见 9-1

 

9-1 CMSIS架构

CMSIS标准中最主要的为CMSIS核心层,它包括了:

 内核函数层:其中包含用于访问内核寄存器的名称、地址定义,主要由ARM公司提供。

设备外设访问层:提供了片上的核外外设的地址和中断定义,主要由芯片生产商提供。

可见CMSIS层位于硬件层与操作系统或用户层之间,提供了与芯片生产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,屏蔽了硬件差异,这对软件的移植是有极大的好处的。STM32的库,就是按照CMSIS标准建立的。 

9.1.1  库目录、文件简介

STM32 HAL库可以从官网获得,也可以直接从本书的配套资料得到。本书讲解的例程全部采用1.5.1库文件。以下内容请大家打开STM32 HAL库文件配合阅读。

解压库文件后进入其目录:

“STM32Cube_FW_F7_V1.6.0\

软件库各文件夹的内容说明见 9-2

 

9-2 ST HAL 目录STM32Cube_FW_F7_V1.6.0\

Documentation:文件夹下是HAL库帮助文档,主要讲述如何使用驱动库来编写自己的应用程序。说得形象一点就是告诉我们:ST公司已经为你写好了每个外设的驱动了,想知道如何运用这些例子就来向我求救吧。不幸的是,这个帮助文档是英文的,这对很多英文不好的朋友来说是一个很大的障碍。但这里要告诉大家,英文仅仅是一种工具,绝对不能让它成为我们学习的障碍。其实这些英文还是很简单的,我们需要的是拿下它的勇气。

Drivers:文件夹下是官方的CMSISI库,HAL库,板载外设驱动。

Middlewares:中间件,包含ST官方的STemWin STM32_AudioSTM32_USB_Device_LibrarySTM32_USB_Host_Library;也有第三方的fatfs文件系统等等。

Project 文件夹下是用驱动库写的针对官方发行demo板的例子和工程模板。

Utilities:实用的公用组件比如LCD_LOG实用液晶打印调试信息。

 Release_Note.html::库的版本更新说明。

在使用库开发时,我们需要把Drivers目录下的CMSISSTM32F7xx_HAL_Driver内核与外设的库文件添加到工程中,并查阅库帮助文档来了解ST提供的库函数,这个文档说明了每一个库函数的使用方法。

先看看CMSIS文件夹。

STM32Cube_FW_F7_V1.6.0\Drivers\CMSIS\文件夹下内容见 9-3

 

9-3 CMSIS文件夹内容  目录:Drivers \CMSIS\

其中DeviceInclude中的文件是我们使用得最多的,先讲解这两个文件夹中的内容。

1. Include文件夹

Include文件夹中包含了 的是位于CMSIS标准的核内设备函数层Cortex-M核通用的头文件,它们的作用是为那些采用Cortex-M核设计SOC的芯片商设计的芯片外设提供一个进入内核的接口,定义了一些内核相关的寄存器(类似我们前面写的stm32f767xx.h文件,但定义的是内核部分的寄存器)。这些文件在其它公司的Cortex-M系列芯片也是相同的。至于这些功能是怎样用源码实现的,可以不用管它,只需把这些文件加进我们的工程文件即可,有兴趣的朋友可以深究,关于内核的寄存器说明,需要查阅《cortex_m7_Technical Reference Manual》及《Cortex?-M7内核编程手册》文档,《STM32F76xxx参考手册》只包含片上外设说明,不包含内核寄存器。

我们写STM32F7的工程,必须用到其中的四个文件:core_cm7.hcore_cmFunc.hcorecmInstr.hcore_cmSimd.h,其它的文件是属于其它内核的,还有几个文件是DSP函数库使用的头文件。

core_cm7.c文件有一些与编译器相关条件编译语句,用于屏蔽不同编译器的差异。里面包含了一些跟编译器相关的信息,如:“__CC_ARM ”(本书采用的RVMDKKEIL),“__GNUC__ ”(GNU编译器)、“ICC Compiler” (IAR编译器)。这些不同的编译器对于C嵌入汇编或内联函数关键字的语法不一样,这段代码统一使用“__ASM__INLINE”宏来定义,而在不同的编译器下,宏自动更改到相应的值,实现了差异屏蔽,见代码清单9-1

代码清单9-1core_cm3.c文件中对编译器差异的屏蔽


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  1. 1 #if defined ( __CC_ARM )
  2.  2 #define __ASM __asm /*!< asm keyword for ARM Compiler */
  3.  3 #define __INLINE __inline /*!< inline keyword for ARM Compiler*/
  4.  4 #define __STATIC_INLINE static __inline
  5.  5
  6.  6 #elif defined ( __GNUC__ )
  7.  7 #define __ASM __asm /*!< asm keyword for GNU Compiler */
  8.  8 #define __INLINE inline /*!< inline keyword for GNU Compiler */
  9.  9 #define __STATIC_INLINE static inline
  10. 10
  11. 11 #elif defined ( __ICCARM__ )
  12. 12 #define __ASM __asm /*!< asm keyword for IAR Compiler */
  13. 13 /*!< inline keyword for IAR Compiler. */
  14. 14 #define __STATIC_INLINE static inline
  15. 15 #define __INLINE inline
  16. 16
  17. 17 #elif defined ( __TMS470__ )
  18. 18 #define __ASM __asm /*!< asm keyword for TI CCS Compiler */
  19. 19 #define __STATIC_INLINE static inline
  20. 20
  21. 21 #elif defined ( __TASKING__ )
  22. 22 #define __ASM __asm /*!< asm keyword for TASKING Compiler */
  23. 23 #define __INLINE inline /*!< inline keyword for TASKING Compiler */
  24. 24 #define __STATIC_INLINE static inline
  25. 25
  26. 26 #elif defined ( __CSMC__ )
  27. 27 #define __packed
  28. 28 #define __ASM _asm /*!< asm keyword for COSMIC Compiler */
  29. 29 /*use -pc99 on compile line !< inline keyword for COSMIC Compiler */
  30. 30 #define __INLINE inline
  31. 31 #define __STATIC_INLINE static inline
  32. 32
  33. 33 #endif


较重要的是在core_cm7.c文件中包含了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,就像我们熟知的C语言头文件 “stdio.h” 文件一样。位于RVMDK这个软件的安装目录下,主要作用是提供一些类型定义。见代码清单9-2

代码清单9-2stdint.c文件中的类型定义


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  1. 1. /* exact-width signed integer types */
  2. 2. typedef signed char int8_t;
  3. 3. typedef signed short int int16_t;
  4. 4. typedef signed int int32_t;
  5. 5. typedef signed __int64 int64_t;
  6. 6.
  7. 7. /* exact-width unsigned integer types */
  8. 8. typedef unsigned char uint8_t;
  9. 9. typedef unsigned short int uint16_t;
  10. 10. typedef unsigned int uint32_t;
  11. 11. typedef unsigned __int64 uint64_t


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。所以在我们以后的程序中,都将使用新类型如uint8_t uint16_t等。

在稍旧版的程序中还经常会出现如u8u16u32这样的类型,分别表示的无符号的8位、16位、32位整型。初学者碰到这样的旧类型感觉一头雾水,它们定义的位置在Stm32f767xx.h文件中。建议在以后的新程序中尽量使用uint8_t uint16_t类型的定义。

core_cm7.c跟启动文件一样都是底层文件,都是由ARM公司提供的,遵守CMSIS标准,即所有CM7芯片的库都带有这个文件,这样软件在不同的CM7芯片的移植工作就得以简化。

2. Device文件夹

Device文件夹下的是具体芯片直接相关的文件,包含启动文件、芯片外设寄存器定义、系统时钟初始化功能的一些文件,这是由ST公司提供的。

 system_stm32f7xx.c文件

文件目录:\ Drivers \CMSIS\Device\ST\STM32F7xx\Source\Templates

这个文件包含了STM32芯片上电后初始化系统时钟、扩展外部存储器用的函数,例如我们前两章提到供启动文件调用的“SystemInit”函数,用于上电后初始化时钟,该函数的定义就存储在system_stm32f7xx.c文件。STM32F767系列的芯片,调用库的这个SystemInit函数后,系统时钟被初始化为216MHz,如有需要可以修改这个文件的内容,设置成自己所需的时钟频率。

 启动文件

文件目录:Drivers \CMSIS\Device\ST\STM32F7xx\Source\Templates

在这个目录下,还有很多文件夹,如ARM”、“gcc”、“iar”等,这些文件夹下包含了对应编译平台的汇编启动文件,在实际使用时要根据编译平台来选择。我们使用的MDK启动文件在“ARM”文件夹中。其中的“strartup_STM32F767xx.s”即为STM32F767芯片的启动文件,前面两章工程中使用的启动文件就是从这里复制过去的。如果使用其它型号的芯片,要在此处选择对应的启动文件,如STM32F779型号使用“startup_stm32f779xx.s”文件。

 stm32f767xx.h文件

文件目录:Drivers \CMSIS\Device\ST\STM32F7xx\Include

stm32f767xx.h 这个文件非常重要,是一个STM32芯片底层相关的文件。它是我们前两章自己定义的“stm32f767xx.h”文件的完整版,包含了STM32中所有的外设寄存器地址和结构体类型定义,在使用到STM32 HAL库的地方都要包含这个头文件。

CMSIS文件夹中的主要内容就是这样,接下来我们看看STM32F7xx_HAL_Driver文件夹。

3. STM32F10x_StdPeriph_Driver文件夹

文件目录:Drivers\STM32F7xx_HAL_Driver

进入Drivers目录下的STM32F7xx_HAL_Driver文件夹,见 9-4

 

9-4 外设驱动

STM32F7xx_HAL_Driver文件夹下有incinclude的缩写)跟srcsource的简写)这两个文件夹,这里的文件属于CMSIS之外的的、芯片片上外设部分。src里面是每个设备外设的驱动源程序,inc则是相对应的外设头文件。srcinc文件夹是STHAL库的主要内容,甚至不少人直接认为STHAL库就是指这些文件,可见其重要性。

src inc文件夹里的就是ST公司针对每个STM32外设而编写的库函数文件,每个外设对应一个 .c  .h 后缀的文件。我们把这类外设文件统称为:stm32f7xx_hal_ppp.c stm32f7xx_hal_ppp.h文件,PPP表示外设名称。如在上一章中我们自建的stm32f7xx_hal_gpio.cstm32f7xx_hal_gpio.h文件,就属于这一类。

如针对模数转换(ADC)外设,在src文件夹下有一个stm32f7xx_hal_adc.c源文件,在inc文件夹下有一个stm32f7xx_hal_adc.h头文件,若我们开发的工程中用到了STM32内部的ADC,则至少要把这两个文件包含到工程里。见 9-5

 

9-5 驱动的源文件及头文件

4. stm32f7xx_it.c stm32f7xx_hal_conf.h文件

文件目录:STM32Cube_FW_F7_V1.6.0\Projects\STM32F767ZI-Nucleo\Templates

在这个文件目录下,存放了官方的一个库工程模板,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src文件夹中stm32f7xx_it.cinc文件夹中和stm32f7xx_it.hstm32f7xx_hal_conf.h这三个文件。

stm32f7xx_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。但是我们怎么知道这些中断服务函数的接口如何写?是不是可以自定义呢?答案当然不是的,这些都有可以在汇编启动文件中找到,在学习中断和启动文件的时候我们会详细介绍

stm32f7xx_hal_conf.h:这个文件被包含进stm32f767xx.h 文件。ST标准库支持所有STM32F7型号的芯片,但有的型号芯片外设功能比较多,所以使用这个配置文件根据芯片型号增减ST库的外设文件。见代码清单9-3

代码清单9-3 stm32f7xx_hal_conf.h文件配置软件库


  1. 1 /* Includes ---------------------------------*/
  2.  2 /**
  3.  3 * @brief Include module's header file
  4.  4 */
  5.  5
  6.  6 #ifdef HAL_RCC_MODULE_ENABLED
  7.  7 #include "stm32f7xx_hal_rcc.h"
  8.  8 #endif /* HAL_RCC_MODULE_ENABLED */
  9.  9
  10. 10 #ifdef HAL_GPIO_MODULE_ENABLED
  11. 11 #include "stm32f7xx_hal_gpio.h"
  12. 12 #endif /* HAL_GPIO_MODULE_ENABLED */
  13. 13
  14. 14 #ifdef HAL_DMA_MODULE_ENABLED
  15. 15 #include "stm32f7xx_hal_dma.h"
  16. 16 #endif /* HAL_DMA_MODULE_ENABLED */
  17. 17
  18. 18 #ifdef HAL_CORTEX_MODULE_ENABLED
  19. 19 #include "stm32f7xx_hal_cortex.h"
  20. 20 #endif /* HAL_CORTEX_MODULE_ENABLED */
  21. 21
  22. 22 #ifdef HAL_ADC_MODULE_ENABLED
  23. 23 #include "stm32f7xx_hal_adc.h"
  24. 24 #endif /* HAL_ADC_MODULE_ENABLED */
  25. 25
  26. 26 #ifdef HAL_CAN_MODULE_ENABLED
  27. 27 #include "stm32f7xx_hal_can.h"
  28. 28 #endif /* HAL_CAN_MODULE_ENABLED */
  29. 29

stm32f7xx_hal_conf.h这个文件还可配置是否使用“断言”编译选项,见代码清单 9-4

代码清单 9-4 断言配置


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  1. 1 #ifdef USE_FULL_ASSERT
  2.  2
  3.  3 /**
  4.  4 * @brief The assert_param macro is used for parameters check.
  5.  5 * @param expr: If expr is false, it calls assert_failed function
  6.  6 * which reports the name of the source file and the source
  7.  7 * line number of the call that failed.
  8.  8 * If expr is true, it returns no value.
  9.  9 * @retval None
  10. 10 */
  11. 11 #define assert_param(expr) ((expr) ? (void)0 : assert_failed((uint8_t *)__FILE__, __LINE__))
  12. 12 /* Exported functions ---------------------------------- */
  13. 13 void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line);
  14. 14 #else
  15. 15 #define assert_param(expr) ((void)0)
  16. 16 #endif /* USE_FULL_ASSERT */

STHAL库函数中,一般会包含输入参数检查,即上述代码中的“assert_param”宏,当参数不符合要求时,会调用“assert_failed”函数,这个函数默认是空的。

实际开发中使用断言时,先通过定义USE_FULL_ASSERT宏来使能断言,然后定义assert_failed”函数,通常我们会让它调用printf函数输出错误说明。使能断言后,程序运行时会检查函数的输入参数,当软件经过测试,可发布时,会取消USE_FULL_ASSERT宏来去掉断言功能,使程序全速运行。

9.1.2  库各文件间的关系

前面向大家简单介绍了各个库文件的作用,库文件是直接包含进工程即可,丝毫不用修改,而有的文件就要我们在使用的时候根据具体的需要进行配置。接下来从整体上把握一下各个文件在库工程中的层次或关系,这些文件对应到CMSIS标准架构上。见 9-6

 

9-6 库各文件关系

96描述了STM32库各文件之间的调用关系,这个图省略了DSP核和实时系统层部分的文件关系。在实际的使用库开发工程的过程中,我们把位于CMSIS层的文件包含进工程,除了特殊系统时钟需要修改system_stm32f7xx.c,其它文件丝毫不用修改,也不建议修改。

对于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。

9.2  使帮助文档

我坚信,授之以鱼不如授之以渔。官方资料是所有关于STM32知识的源头,所以在本小节介绍如何使用官方资料。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。这些资料已整理到了本书附录资料中。

9.2.1  常用官方资料

 STM32F76xxx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、及各种外设、寄存器都描述得清清楚楚。当我们对STM32的外设感到困惑时,可查阅这个文档。以直接配置寄存器方式开发的话,查阅这个文档寄存器部分的频率会相当高,但这样效率太低了。

 STM32F7xx规格书》

本文档相当于STM32datasheet,包含了STM32芯片所有的引脚功能说明及存储器架构、芯片外设架构说明。后面我们使用STM32其它外设时,常常需要查找这个手册,了解外设对应到STM32的哪个GPIO引脚。

 Cortex?-M7内核编程手册》

本文档由ST公司提供,主要讲解STM32内核寄存器相关的说明,例如系统定时器、中断等寄存器。这部分的内容是《STM32F76xxx参考手册》没涉及到的内核部分的补充。相对来说,本文档虽然介绍了内核寄存器,但不如以下两个文档详细,要了解内核时,可作为以下两个手册的配合资料使用。

 Cortex-M3权威指南》、《cortex_m7_Technical Reference Manual》。

这两个手册是由ARM公司提供的,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,其中Cortex-M3版本有中文版,方便学习。因为Cortex-M7内核与Cortex-M3内核大部分相同,可用它来学习,而Cortex-M7新增的特性,则必须参考《cortex_m7_Technical Reference Manual》文档了,目前只有英文版。

 STM32F779xx_User_Manual.chm

这个就是本章提到的库的帮助文档,在使用库函数时,我们最好通过查阅此文件来了解HAL库提供了哪些外设、函数原型或库函数的调用的方法。也可以直接阅读源码里面的函数的函数说明。

9.2.2  初识库函数

所谓库函数,就是STM32的库文件中为我们编写好的函数接口,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

于是,有读者就问那么多函数我怎么记呀?我的回答是:会查就行了,哪个人记得了那么多。所以我们学会查阅库帮助文档 是很有必要的。

打开库帮助文档STM32F779xx_User_Manual.chm 9-7

 

9-7 库帮助文档

层层打开文档的目录标签:

标签目录:Modules\STM32F7xx_HAL_Driver

可看到STM32F7xx_HAL_Driver标签下有很多外设驱动文件的名字HALADCBKPCAN等标签。

我们试着查看GPIO的“位设置函数GPIO_SetBits”看看,打开标签:

标签目录:Modules\STM32F4xx_StdPeriph_Driver\GPIO\Functions\GPIO_SetBits     9-8

 

9-8 库帮助文档的函数说明

利用这个文档,我们即使没有去看它的具体源代码,也知道要怎么利用它了。

HAL_GPIO_WritePin,函数的原型为void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState)。它的功能是:输入一个类型为GPIO_TypeDef的指针GPIOx参数,选定要控制的GPIO端口;输入GPIO_PIN_x宏,其中x指端口的引脚号,指定要控制的引脚;输入GPIO_PIN_RESET或者GPIO_PIN_SET设置IO口的电平高低。

其中输入的参数  GPIOxSTHAL库中定义的自定义数据类型,这两个传入参数均为结构体指针。初学时,我们并不知道如GPIO_TypeDef这样的类型是什么意思,可以点击函数原型中带下划线的  GPIO_TypeDef  就可以查看这个类型的声明了。

就这样初步了解了一下库函数,读者就可以发现STM32的库是写得很优美的。每个函数和数据类型都符合见名知义的原则,当然,这样的名称写起来特别长,而且对于我们来说要输入这么长的英文,很容易出错,所以在开发软件的时候,在用到库函数的地方,直接把库帮助文档中的函数名称复制粘贴到工程文件就可以了。而且,配合MDK软件的代码自动补全功能,可以减少输入量。

有的用户觉得使用库文档麻烦,也可以直接查阅STM32 HAL库的源码,库帮助文档的说明都是根据源码生成的,所以直接看源码也可以了解函数功能。



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