STM32固件庫概述課程目標：理解固件庫概念及優勢1掌握固件庫的核心概念理解固件庫的定義、作用及其在STM32開發中的地位。了解固件庫如何簡化硬件操作，提高開發效率。2認識固件庫的優勢深入了解固件庫在抽象性、可移植性、易用性等方面的優勢，以及這些優勢如何幫助開發者快速構建可靠的嵌入式系統。區分固件庫與寄存器編程STM32產品家族簡介廣泛的產品線STM32產品家族擁有豐富的產品線，覆蓋從低功耗到高性能的各種應用需求。了解不同系列的特點，有助于選擇最適合項目的微控制器。強大的性能STM32微控制器基于ARMCortex-M內核，具有出色的計算能力和實時性，能夠滿足各種復雜應用的需求，如工業控制、物聯網、消費電子等。豐富的外設STM32微控制器集成了豐富的外設接口，包括GPIO、UART、SPI、I2C、ADC、DAC等，方便開發者進行硬件擴展和功能實現。ARMCortex-M內核架構回顧Cortex-M內核概述ARMCortex-M內核是低功耗、高性能的32位RISC內核，廣泛應用于嵌入式系統。理解其架構是進行STM32開發的基礎。存儲器映射了解Cortex-M內核的存儲器映射，包括代碼區、數據區、外設寄存器區等，有助于理解固件庫如何訪問和控制硬件資源。中斷機制Cortex-M內核擁有高效的中斷處理機制，支持多種中斷優先級和向量表。掌握中斷配置是實現實時響應的關鍵。什么是固件庫？定義固件庫是由芯片廠商提供的，封裝了底層硬件操作的函數集合。它提供了一組易于使用的API，方便開發者進行硬件配置和控制。作用固件庫的主要作用是簡化硬件操作，提高開發效率，降低開發難度。開發者無需深入了解底層寄存器，即可完成復雜的硬件功能。組成固件庫通常包括驅動函數、例程、文檔等組成部分。驅動函數用于控制硬件，例程提供示例代碼，文檔提供詳細的使用說明。固件庫與寄存器編程對比寄存器編程寄存器編程需要直接操作芯片的底層寄存器，對硬件細節有深入的了解。優點是靈活性高，效率高，缺點是開發難度大，代碼可移植性差。固件庫編程固件庫編程通過調用固件庫提供的API，間接操作硬件。優點是開發效率高，代碼可移植性好，缺點是靈活性稍差，效率稍低。固件庫的優勢：抽象性、可移植性抽象性固件庫對底層硬件進行了抽象，開發者無需關心寄存器細節，只需調用API即可完成硬件操作，降低了開發難度。可移植性固件庫具有良好的可移植性，同一系列的STM32微控制器可以使用相同的固件庫，方便代碼遷移和重用。高效性固件庫經過優化，能夠高效地控制硬件資源，保證系統的性能。同時，固件庫提供了豐富的例程，方便開發者快速上手。固件庫的層次結構1應用層開發者編寫的應用代碼，調用HAL或LL驅動完成具體的功能。2HAL硬件抽象層提供統一的硬件接口，屏蔽底層硬件差異，方便應用層調用。3LL底層驅動直接操作硬件寄存器，提供更底層的控制能力，但可移植性較差。4CMSIS接口標準定義了內核和外設的訪問方式，方便不同廠商的固件庫進行集成。HAL(HardwareAbstractionLayer)硬件抽象層1定義HAL是一層抽象的硬件接口，提供了一組通用的API，用于訪問和控制STM32的各種外設，如GPIO、UART、SPI、I2C等。2優勢HAL簡化了硬件操作，提高了開發效率，降低了開發難度。同時，HAL具有良好的可移植性，方便代碼在不同STM32器件之間遷移。3使用開發者可以通過調用HAL提供的API，配置和控制STM32的外設，實現各種功能。HAL屏蔽了底層硬件的差異，使得開發者無需關心寄存器細節。LL(Low-Layer)底層驅動定義LL是一層更底層的驅動，直接操作硬件寄存器，提供更精細的控制能力。LL驅動通常用于對性能要求較高的場合。優勢LL驅動能夠最大限度地發揮硬件的性能，但開發難度較大，需要深入了解底層寄存器。LL驅動的可移植性較差，不同STM32器件的LL驅動可能不同。使用開發者可以通過直接操作LL驅動提供的API，配置和控制STM32的外設，實現各種功能。LL驅動需要開發者深入了解硬件細節。CMSIS(CortexMicrocontrollerSoftwareInterfaceStandard)接口標準1定義CMSIS是ARM公司推出的Cortex微控制器軟件接口標準，旨在規范Cortex-M內核的軟件開發。2作用CMSIS定義了內核和外設的訪問方式，方便不同廠商的固件庫進行集成，提高了代碼的可移植性和可重用性。3組成CMSIS包括內核函數、外設訪問層、DSP庫等組成部分。開發者可以通過CMSIS提供的API，訪問和控制Cortex-M內核和外設。固件庫的組成部分：驅動、例程、文檔驅動提供訪問和控制硬件的函數，包括HAL驅動和LL驅動。1例程提供示例代碼，展示如何使用固件庫實現各種功能。2文檔提供詳細的用戶手冊、參考手冊等，方便開發者了解固件庫的使用方法。3如何獲取STM32固件庫？ST官方網站STM32固件庫可以從ST官方網站免費下載。在ST官方網站搜索"STM32Cube"或"STM32StandardPeripheralLibrary"即可找到相應的固件庫。STM32CubeMXSTM32CubeMX是ST公司提供的圖形化配置工具，可以自動生成基于HAL庫的工程代碼。通過STM32CubeMX，可以方便地獲取和配置STM32固件庫。GitHub一些開發者將STM32固件庫上傳到GitHub，可以從GitHub下載。但需要注意，GitHub上的固件庫可能不是最新的，也可能存在一些問題。ST官方網站資源1STM32Cube固件庫STM32Cube固件庫是ST公司推出的新一代固件庫，基于HAL架構，具有更好的可移植性和可擴展性。2STM32StandardPeripheralLibrarySTM32StandardPeripheralLibrary是ST公司推出的傳統固件庫，基于標準外設驅動架構，具有較高的性能。3應用筆記ST官方網站提供了豐富的應用筆記，介紹如何使用STM32固件庫實現各種功能，如電機控制、通信協議等。固件庫安裝與配置下載固件庫從ST官方網站下載STM32固件庫，通常是一個壓縮包。解壓固件庫將下載的壓縮包解壓到本地目錄，例如"C:\STM32_FWLib"。需要注意，解壓后的目錄結構要完整。配置工程在IDE中創建一個新的STM32工程，并將固件庫的頭文件包含路徑添加到工程的配置中。固件庫的目錄結構分析目錄名描述Drivers包含HAL驅動和LL驅動。Middlewares包含USB、TCP/IP協議棧等中間件。Utilities包含評估板示例代碼。Projects包含示例工程，展示如何使用固件庫實現各種功能。Documentation包含用戶手冊、參考手冊等文檔。Drivers目錄：HAL驅動、LL驅動HAL驅動HAL驅動位于"Drivers\STM32Fxxx_HAL_Driver"目錄下，包含了STM32各個外設的HAL驅動代碼，如GPIO、UART、SPI、I2C等。LL驅動LL驅動位于"Drivers\STM32Fxxx_LL_Driver"目錄下，包含了STM32各個外設的LL驅動代碼，提供更底層的控制能力。Middlewares目錄：USB,TCP/IP協議棧USB協議棧Middlewares目錄包含了USB協議棧，支持USBHost、USBDevice等模式，方便開發者進行USB設備開發。TCP/IP協議棧Middlewares目錄包含了TCP/IP協議棧，支持TCP、UDP、IP等協議，方便開發者進行網絡應用開發。Utilities目錄：評估板示例1評估板示例Utilities目錄包含了各種STM32評估板的示例代碼，方便開發者快速上手。這些示例代碼展示了如何使用固件庫實現各種功能。2參考設計Utilities目錄還包含了一些參考設計，可以作為開發者進行硬件設計的參考。這些參考設計包括原理圖、PCB圖等。Projects目錄：示例工程示例工程Projects目錄包含了各種示例工程，展示了如何使用固件庫實現各種功能，如GPIO控制、UART通信、ADC轉換等。這些示例工程可以作為開發者學習和參考的起點。學習資源通過分析示例工程的代碼，開發者可以深入了解固件庫的使用方法，掌握STM32開發的技巧。同時，開發者也可以將示例工程作為自己的工程模板進行修改和擴展。文檔目錄：用戶手冊、參考手冊用戶手冊用戶手冊提供了固件庫的詳細使用說明，包括API接口、參數說明、注意事項等。開發者可以通過閱讀用戶手冊，了解固件庫的功能和使用方法。參考手冊參考手冊提供了STM32微控制器的詳細硬件信息，包括寄存器描述、時鐘配置、中斷控制等。開發者可以通過閱讀參考手冊，深入了解STM32的硬件特性。創建一個基于固件庫的工程創建工程在IDE中創建一個新的STM32工程，選擇合適的STM32器件型號。添加固件庫將固件庫的源文件和頭文件添加到工程中，并配置頭文件包含路徑。編寫代碼編寫應用代碼，調用固件庫的API實現各種功能。編譯調試編譯工程，并進行調試，確保代碼能夠正確運行。工程模板的建立創建目錄創建工程目錄，包括src、inc、lib等子目錄，用于存放源文件、頭文件和庫文件。添加文件添加startup文件、system文件和main文件，startup文件用于初始化堆棧和中斷向量表，system文件用于配置系統時鐘，main文件用于編寫應用代碼。配置選項配置IDE的編譯選項，包括頭文件包含路徑、庫文件路徑、鏈接選項等。添加固件庫文件1選擇HAL驅動根據STM32器件型號，選擇相應的HAL驅動文件，例如"stm32f4xx_hal.c"、"stm32f4xx_hal_gpio.c"等。2添加源文件將HAL驅動的源文件添加到工程的src目錄下，并將相應的頭文件添加到inc目錄下。3配置包含路徑配置IDE的頭文件包含路徑，指向HAL驅動的頭文件所在的目錄。配置頭文件包含路徑打開工程配置在IDE中打開工程配置，找到"C/C++Build"->"Settings"->"ToolSettings"->"GCCARMCompiler"->"Includes"選項。添加包含路徑在"Includepaths"中添加固件庫的頭文件所在的目錄，例如"C:\STM32_FWLib\Drivers\STM32F4xx_HAL_Driver\Inc"。確認配置點擊"Apply"和"OK"按鈕，保存配置。設置編譯選項優化選項設置編譯優化選項，例如"-O3"表示最高級別的優化，可以提高代碼的執行效率。調試選項設置調試選項，例如"-g"表示生成調試信息，方便進行代碼調試。警告選項設置警告選項，例如"-Wall"表示顯示所有警告信息，可以幫助開發者發現潛在的代碼問題。編譯和調試1編譯工程點擊IDE的"Build"按鈕，編譯工程。如果編譯過程中出現錯誤，需要根據錯誤提示進行修改。2連接調試器將STM32開發板連接到調試器，例如ST-Link。3啟動調試點擊IDE的"Debug"按鈕，啟動調試。可以在IDE中設置斷點、單步執行、查看變量等。GPIO(通用輸入輸出)的使用GPIO初始化使用HAL_GPIO_Init函數初始化GPIO，配置GPIO的模式、速度、上下拉電阻等。GPIO輸出使用HAL_GPIO_WritePin函數控制GPIO的輸出電平，可以輸出高電平或低電平。GPIO輸入使用HAL_GPIO_ReadPin函數讀取GPIO的輸入電平，可以獲取外部信號的狀態。GPIO初始化結構體成員名描述PinGPIO引腳，例如GPIO_PIN_0、GPIO_PIN_1等。ModeGPIO模式，例如GPIO_MODE_INPUT、GPIO_MODE_OUTPUT_PP等。Pull上下拉電阻，例如GPIO_PULLUP、GPIO_PULLDOWN等。SpeedGPIO速度，例如GPIO_SPEED_FREQ_LOW、GPIO_SPEED_FREQ_HIGH等。GPIO模式配置：輸入、輸出、復用、模擬輸入模式GPIO配置為輸入模式，用于讀取外部信號的狀態，例如按鍵輸入、傳感器信號等。輸出模式GPIO配置為輸出模式，用于控制外部設備，例如LED燈、繼電器等。復用模式GPIO配置為復用模式，用于連接到STM32的其他外設，例如UART、SPI、I2C等。模擬模式GPIO配置為模擬模式，用于連接到ADC或DAC，進行模擬信號的采集或輸出。GPIO電平控制：輸出高、低電平輸出高電平使用HAL_GPIO_WritePin函數將GPIO引腳輸出高電平，表示邏輯1。1輸出低電平使用HAL_GPIO_WritePin函數將GPIO引腳輸出低電平，表示邏輯0。2GPIO讀取輸入狀態讀取輸入電平使用HAL_GPIO_ReadPin函數讀取GPIO引腳的輸入電平，可以獲取外部信號的狀態。判斷輸入狀態根據讀取的輸入電平，判斷外部信號的狀態，例如判斷按鍵是否按下。時鐘系統(RCC)的配置使能時鐘使用__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE()函數使能GPIO的時鐘，確保GPIO能夠正常工作。配置時鐘源根據應用需求，選擇合適的時鐘源，例如HSI、HSE、LSI、LSE等。配置時鐘分頻配置時鐘分頻，調整AHB、APB1、APB2的時鐘頻率，滿足各個外設的時鐘需求。系統時鐘來源選擇HSI(高速內部時鐘)HSI是STM32內部RC振蕩器產生的時鐘，頻率為16MHz。HSI啟動速度快，但精度較低，適用于對時鐘精度要求不高的場合。HSE(高速外部時鐘)HSE是外部晶振產生的時鐘，頻率通常為8MHz或25MHz。HSE精度高，但啟動速度較慢，適用于對時鐘精度要求較高的場合。PLL(鎖相環)倍頻設置1PLL倍頻使用PLL可以將HSI或HSE的時鐘頻率倍頻到更高的頻率，以提高STM32的性能。PLL的倍頻系數可以配置。2PLL分頻使用PLL可以將PLL的輸出頻率分頻到更低的頻率，以滿足各個外設的時鐘需求。PLL的分頻系數可以配置。時鐘分頻設置：AHB,APB1,APB2AHB分頻AHB(AdvancedHigh-performanceBus)用于連接高速外設，例如Flash、SRAM、DMA等。AHB的時鐘頻率可以配置。APB1分頻APB1(AdvancedPeripheralBus1)用于連接低速外設，例如UART、SPI、I2C等。APB1的時鐘頻率可以配置。APB2分頻APB2(AdvancedPeripheralBus2)用于連接高速外設，例如ADC、TIM1等。APB2的時鐘頻率可以配置。中斷系統(NVIC)的配置使能中斷使用HAL_NVIC_EnableIRQ函數使能中斷，允許中斷請求被NVIC接受。設置優先級使用HAL_NVIC_SetPriority函數設置中斷優先級，包括搶占優先級和子優先級。優先級高的中斷可以搶占優先級低的中斷。編寫ISR編寫中斷服務函數(ISR)，處理中斷請求。ISR需要快速執行，避免長時間占用CPU資源。中斷優先級設置：搶占優先級、子優先級優先級類型描述搶占優先級用于判斷中斷是否可以搶占正在執行的中斷。搶占優先級高的中斷可以搶占搶占優先級低的中斷。子優先級用于判斷相同搶占優先級的多個中斷的執行順序。子優先級高的中斷先執行。使能中斷向量查找中斷向量在STM32的參考手冊中查找中斷向量表，找到需要使能的中斷的向量號。使能中斷向量使用HAL_NVIC_EnableIRQ函數使能中斷向量，允許中斷請求被NVIC接受。編寫中斷服務函數(ISR)1函數命名中斷服務函數的命名需要符合CMSIS標準，通常以"IRQn_Handler"結尾，例如"USART1_IRQn_Handler"。2函數內容中斷服務函數需要快速執行，避免長時間占用CPU資源。中斷服務函數通常包括清除中斷標志、處理中斷事件等操作。定時器(TIM)的使用初始化定時器使用HAL_TIM_Base_Init函數初始化定時器，配置定時器的模式、預分頻器、計數周期等。啟動定時器使用HAL_TIM_Base_Start函數啟動定時器，開始計數。停止定時器使用HAL_TIM_Base_Stop函數停止定時器，停止計數。定時器模式：定時、計數、PWM定時模式定時器按照設定的時間間隔產生中斷，可以用于實現定時任務、延時等功能。計數模式定時器對外部事件進行計數，可以用于測量脈沖寬度、頻率等參數。PWM模式定時器產生PWM(脈沖寬度調制)信號，可以用于控制電機、LED燈的亮度等。定時器參數配置：預分頻器、計數周期參數名描述Prescaler預分頻器，用于降低定時器的時鐘頻率。預分頻器的值越大，定時器的時鐘頻率越低。Period計數周期，用于設定定時器的計數范圍。計數周期越大，定時器溢出的時間越長。PWM(脈沖寬度調制)輸出配置PWM通道使用HAL_TIM_PWM_ConfigChannel函數配置PWM通道，包括極性、占空比等。啟動PWM輸出使用HAL_TIM_PWM_Start函數啟動PWM輸出，開始產生PWM信號。調整占空比使用__HAL_TIM_SET_COMPARE函數調整PWM的占空比，可以控制輸出電壓或電流的大小。串口(USART)的使用串口初始化使用HAL_UART_Init函數初始化串口，配置串口的波特率、數據位、校驗位等。串口發送使用HAL_UART_Transmit函數發送數據，將數據通過串口發送到外部設備。串口接收使用HAL_UART_Receive函數接收數據，從串口接收外部設備發送的數據。串口初始化結構體成員名描述BaudRate波特率，用于設定串口的通信速率。常見的波特率有9600、115200等。WordLength數據位，用于設定串口發送和接收的數據位數。常見的數據位有8位、9位等。Parity校驗位，用于進行數據校驗。常見的校驗位有無校驗、奇校驗、偶校驗等。StopBits停止位，用于表示一個數據幀的結束。常見的停止位有1位、2位等。串口參數配置：波特率、數據位、校驗位波特率波特率越高，數據傳輸速度越快，但通信距離越短。需要根據實際應用選擇合適的波特率。數據位數據位用于設定串口發送和接收的數據位數。常見的數據位有8位、9位等。校驗位校驗位用于進行數據校驗，提高數據傳輸的可靠性。常見的校驗位有無校驗、奇校驗、偶校驗等。串口發送和接收數據發送數據使用HAL_UART_Transmit函數發送數據，將數據通過串口發送到外部設備。發送數據時需要指定數據緩沖區和數據長度。1接收數據使用HAL_UART_Receive函數接收數據，從串口接收外部設備發送的數據。接收數據時需要指定數據緩沖區和數據長度。2DMA(直接存儲器訪問)的使用DMA初始化使用HAL_DMA_Init函數初始化DMA，配置DMA的通道、方向、模式等。啟動DMA傳輸使用HAL_DMA_Start函數啟動DMA傳輸，將數據從源地址傳輸到目標地址。停止DMA傳輸使用HAL_DMA_Stop函數停止DMA傳輸，停止數據傳輸。DMA通道配置成員名描述ChannelDMA通道，用于選擇DMA控制器中的一個通道。不同的通道對應不同的外設。DirectionDMA傳輸方向，可以是內存到外設，也可以是外設到內存。MemInc內存地址自增使能，用于設定內存地址是否自動增加。如果使能，則每次傳輸后內存地址自動增加。PeriphInc外設地址自增使能，用于設定外設地址是否自動增加。如果使能，則每次傳輸后外設地址自動增加。DMA傳輸模式普通模式DMA傳輸一次后停止，適用于傳輸少量數據的場合。循環模式DMA傳輸完成后自動重新開始，適用于循環傳輸數據的場合。雙緩沖模式DMA使用兩個緩沖區進行傳輸，可以實現無縫數據傳輸，提高系統的性能。DMA傳輸數據配置源地址設定DMA傳輸的源地址，指向要傳輸的數據所在的內存地址。配置目標地址設定DMA傳輸的目標地址，指向要將數據傳輸到的內存或外設地址。配置傳輸長度設定DMA傳輸的長度，表示要傳輸的數據的字節數。ADC(模數轉換器)的使用ADC初始化使用HAL_ADC_Init函數初始化ADC，配置ADC的分辨率、采樣時間、觸發方式等。啟動ADC轉換使用HAL_ADC_Start函數啟動ADC轉換，開始采集模擬信號。讀取ADC結果使用HAL_ADC_GetValue函數讀取ADC轉換的結果，獲取模擬信號的數字值。ADC初始化