《STM32固件库概述》课件

STM32固件库概述课程目标：理解固件库概念及优势1掌握固件库的核心概念理解固件库的定义、作用及其在STM32开发中的地位。了解固件库如何简化硬件操作，提高开发效率。2认识固件库的优势深入了解固件库在抽象性、可移植性、易用性等方面的优势，以及这些优势如何帮助开发者快速构建可靠的嵌入式系统。区分固件库与寄存器编程STM32产品家族简介广泛的产品线STM32产品家族拥有丰富的产品线，覆盖从低功耗到高性能的各种应用需求。了解不同系列的特点，有助于选择最适合项目的微控制器。强大的性能STM32微控制器基于ARMCortex-M内核，具有出色的计算能力和实时性，能够满足各种复杂应用的需求，如工业控制、物联网、消费电子等。丰富的外设STM32微控制器集成了丰富的外设接口，包括GPIO、UART、SPI、I2C、ADC、DAC等，方便开发者进行硬件扩展和功能实现。ARMCortex-M内核架构回顾Cortex-M内核概述ARMCortex-M内核是低功耗、高性能的32位RISC内核，广泛应用于嵌入式系统。理解其架构是进行STM32开发的基础。存储器映射了解Cortex-M内核的存储器映射，包括代码区、数据区、外设寄存器区等，有助于理解固件库如何访问和控制硬件资源。中断机制Cortex-M内核拥有高效的中断处理机制，支持多种中断优先级和向量表。掌握中断配置是实现实时响应的关键。什么是固件库？定义固件库是由芯片厂商提供的，封装了底层硬件操作的函数集合。它提供了一组易于使用的API，方便开发者进行硬件配置和控制。作用固件库的主要作用是简化硬件操作，提高开发效率，降低开发难度。开发者无需深入了解底层寄存器，即可完成复杂的硬件功能。组成固件库通常包括驱动函数、例程、文档等组成部分。驱动函数用于控制硬件，例程提供示例代码，文档提供详细的使用说明。固件库与寄存器编程对比寄存器编程寄存器编程需要直接操作芯片的底层寄存器，对硬件细节有深入的了解。优点是灵活性高，效率高，缺点是开发难度大，代码可移植性差。固件库编程固件库编程通过调用固件库提供的API，间接操作硬件。优点是开发效率高，代码可移植性好，缺点是灵活性稍差，效率稍低。固件库的优势：抽象性、可移植性抽象性固件库对底层硬件进行了抽象，开发者无需关心寄存器细节，只需调用API即可完成硬件操作，降低了开发难度。可移植性固件库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库，方便代码迁移和重用。高效性固件库经过优化，能够高效地控制硬件资源，保证系统的性能。同时，固件库提供了丰富的例程，方便开发者快速上手。固件库的层次结构1应用层开发者编写的应用代码，调用HAL或LL驱动完成具体的功能。2HAL硬件抽象层提供统一的硬件接口，屏蔽底层硬件差异，方便应用层调用。3LL底层驱动直接操作硬件寄存器，提供更底层的控制能力，但可移植性较差。4CMSIS接口标准定义了内核和外设的访问方式，方便不同厂商的固件库进行集成。HAL(HardwareAbstractionLayer)硬件抽象层1定义HAL是一层抽象的硬件接口，提供了一组通用的API，用于访问和控制STM32的各种外设，如GPIO、UART、SPI、I2C等。2优势HAL简化了硬件操作，提高了开发效率，降低了开发难度。同时，HAL具有良好的可移植性，方便代码在不同STM32器件之间迁移。3使用开发者可以通过调用HAL提供的API，配置和控制STM32的外设，实现各种功能。HAL屏蔽了底层硬件的差异，使得开发者无需关心寄存器细节。LL(Low-Layer)底层驱动定义LL是一层更底层的驱动，直接操作硬件寄存器，提供更精细的控制能力。LL驱动通常用于对性能要求较高的场合。优势LL驱动能够最大限度地发挥硬件的性能，但开发难度较大，需要深入了解底层寄存器。LL驱动的可移植性较差，不同STM32器件的LL驱动可能不同。使用开发者可以通过直接操作LL驱动提供的API，配置和控制STM32的外设，实现各种功能。LL驱动需要开发者深入了解硬件细节。CMSIS(CortexMicrocontrollerSoftwareInterfaceStandard)接口标准1定义CMSIS是ARM公司推出的Cortex微控制器软件接口标准，旨在规范Cortex-M内核的软件开发。2作用CMSIS定义了内核和外设的访问方式，方便不同厂商的固件库进行集成，提高了代码的可移植性和可重用性。3组成CMSIS包括内核函数、外设访问层、DSP库等组成部分。开发者可以通过CMSIS提供的API，访问和控制Cortex-M内核和外设。固件库的组成部分：驱动、例程、文档驱动提供访问和控制硬件的函数，包括HAL驱动和LL驱动。1例程提供示例代码，展示如何使用固件库实现各种功能。2文档提供详细的用户手册、参考手册等，方便开发者了解固件库的使用方法。3如何获取STM32固件库？ST官方网站STM32固件库可以从ST官方网站免费下载。在ST官方网站搜索"STM32Cube"或"STM32StandardPeripheralLibrary"即可找到相应的固件库。STM32CubeMXSTM32CubeMX是ST公司提供的图形化配置工具，可以自动生成基于HAL库的工程代码。通过STM32CubeMX，可以方便地获取和配置STM32固件库。GitHub一些开发者将STM32固件库上传到GitHub，可以从GitHub下载。但需要注意，GitHub上的固件库可能不是最新的，也可能存在一些问题。ST官方网站资源1STM32Cube固件库STM32Cube固件库是ST公司推出的新一代固件库，基于HAL架构，具有更好的可移植性和可扩展性。2STM32StandardPeripheralLibrarySTM32StandardPeripheralLibrary是ST公司推出的传统固件库，基于标准外设驱动架构，具有较高的性能。3应用笔记ST官方网站提供了丰富的应用笔记，介绍如何使用STM32固件库实现各种功能，如电机控制、通信协议等。固件库安装与配置下载固件库从ST官方网站下载STM32固件库，通常是一个压缩包。解压固件库将下载的压缩包解压到本地目录，例如"C:\STM32_FWLib"。需要注意，解压后的目录结构要完整。配置工程在IDE中创建一个新的STM32工程，并将固件库的头文件包含路径添加到工程的配置中。固件库的目录结构分析目录名描述Drivers包含HAL驱动和LL驱动。Middlewares包含USB、TCP/IP协议栈等中间件。Utilities包含评估板示例代码。Projects包含示例工程，展示如何使用固件库实现各种功能。Documentation包含用户手册、参考手册等文档。Drivers目录：HAL驱动、LL驱动HAL驱动HAL驱动位于"Drivers\STM32Fxxx_HAL_Driver"目录下，包含了STM32各个外设的HAL驱动代码，如GPIO、UART、SPI、I2C等。LL驱动LL驱动位于"Drivers\STM32Fxxx_LL_Driver"目录下，包含了STM32各个外设的LL驱动代码，提供更底层的控制能力。Middlewares目录：USB,TCP/IP协议栈USB协议栈Middlewares目录包含了USB协议栈，支持USBHost、USBDevice等模式，方便开发者进行USB设备开发。TCP/IP协议栈Middlewares目录包含了TCP/IP协议栈，支持TCP、UDP、IP等协议，方便开发者进行网络应用开发。Utilities目录：评估板示例1评估板示例Utilities目录包含了各种STM32评估板的示例代码，方便开发者快速上手。这些示例代码展示了如何使用固件库实现各种功能。2参考设计Utilities目录还包含了一些参考设计，可以作为开发者进行硬件设计的参考。这些参考设计包括原理图、PCB图等。Projects目录：示例工程示例工程Projects目录包含了各种示例工程，展示了如何使用固件库实现各种功能，如GPIO控制、UART通信、ADC转换等。这些示例工程可以作为开发者学习和参考的起点。学习资源通过分析示例工程的代码，开发者可以深入了解固件库的使用方法，掌握STM32开发的技巧。同时，开发者也可以将示例工程作为自己的工程模板进行修改和扩展。文档目录：用户手册、参考手册用户手册用户手册提供了固件库的详细使用说明，包括API接口、参数说明、注意事项等。开发者可以通过阅读用户手册，了解固件库的功能和使用方法。参考手册参考手册提供了STM32微控制器的详细硬件信息，包括寄存器描述、时钟配置、中断控制等。开发者可以通过阅读参考手册，深入了解STM32的硬件特性。创建一个基于固件库的工程创建工程在IDE中创建一个新的STM32工程，选择合适的STM32器件型号。添加固件库将固件库的源文件和头文件添加到工程中，并配置头文件包含路径。编写代码编写应用代码，调用固件库的API实现各种功能。编译调试编译工程，并进行调试，确保代码能够正确运行。工程模板的建立创建目录创建工程目录，包括src、inc、lib等子目录，用于存放源文件、头文件和库文件。添加文件添加startup文件、system文件和main文件，startup文件用于初始化堆栈和中断向量表，system文件用于配置系统时钟，main文件用于编写应用代码。配置选项配置IDE的编译选项，包括头文件包含路径、库文件路径、链接选项等。添加固件库文件1选择HAL驱动根据STM32器件型号，选择相应的HAL驱动文件，例如"stm32f4xx_hal.c"、"stm32f4xx_hal_gpio.c"等。2添加源文件将HAL驱动的源文件添加到工程的src目录下，并将相应的头文件添加到inc目录下。3配置包含路径配置IDE的头文件包含路径，指向HAL驱动的头文件所在的目录。配置头文件包含路径打开工程配置在IDE中打开工程配置，找到"C/C++Build"->"Settings"->"ToolSettings"->"GCCARMCompiler"->"Includes"选项。添加包含路径在"Includepaths"中添加固件库的头文件所在的目录，例如"C:\STM32_FWLib\Drivers\STM32F4xx_HAL_Driver\Inc"。确认配置点击"Apply"和"OK"按钮，保存配置。设置编译选项优化选项设置编译优化选项，例如"-O3"表示最高级别的优化，可以提高代码的执行效率。调试选项设置调试选项，例如"-g"表示生成调试信息，方便进行代码调试。警告选项设置警告选项，例如"-Wall"表示显示所有警告信息，可以帮助开发者发现潜在的代码问题。编译和调试1编译工程点击IDE的"Build"按钮，编译工程。如果编译过程中出现错误，需要根据错误提示进行修改。2连接调试器将STM32开发板连接到调试器，例如ST-Link。3启动调试点击IDE的"Debug"按钮，启动调试。可以在IDE中设置断点、单步执行、查看变量等。GPIO(通用输入输出)的使用GPIO初始化使用HAL_GPIO_Init函数初始化GPIO，配置GPIO的模式、速度、上下拉电阻等。GPIO输出使用HAL_GPIO_WritePin函数控制GPIO的输出电平，可以输出高电平或低电平。GPIO输入使用HAL_GPIO_ReadPin函数读取GPIO的输入电平，可以获取外部信号的状态。GPIO初始化结构体成员名描述PinGPIO引脚，例如GPIO_PIN_0、GPIO_PIN_1等。ModeGPIO模式，例如GPIO_MODE_INPUT、GPIO_MODE_OUTPUT_PP等。Pull上下拉电阻，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：输入、输出、复用、模拟输入模式GPIO配置为输入模式，用于读取外部信号的状态，例如按键输入、传感器信号等。输出模式GPIO配置为输出模式，用于控制外部设备，例如LED灯、继电器等。复用模式GPIO配置为复用模式，用于连接到STM32的其他外设，例如UART、SPI、I2C等。模拟模式GPIO配置为模拟模式，用于连接到ADC或DAC，进行模拟信号的采集或输出。GPIO电平控制：输出高、低电平输出高电平使用HAL_GPIO_WritePin函数将GPIO引脚输出高电平，表示逻辑1。1输出低电平使用HAL_GPIO_WritePin函数将GPIO引脚输出低电平，表示逻辑0。2GPIO读取输入状态读取输入电平使用HAL_GPIO_ReadPin函数读取GPIO引脚的输入电平，可以获取外部信号的状态。判断输入状态根据读取的输入电平，判断外部信号的状态，例如判断按键是否按下。时钟系统(RCC)的配置使能时钟使用__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE()函数使能GPIO的时钟，确保GPIO能够正常工作。配置时钟源根据应用需求，选择合适的时钟源，例如HSI、HSE、LSI、LSE等。配置时钟分频配置时钟分频，调整AHB、APB1、APB2的时钟频率，满足各个外设的时钟需求。系统时钟来源选择HSI(高速内部时钟)HSI是STM32内部RC振荡器产生的时钟，频率为16MHz。HSI启动速度快，但精度较低，适用于对时钟精度要求不高的场合。HSE(高速外部时钟)HSE是外部晶振产生的时钟，频率通常为8MHz或25MHz。HSE精度高，但启动速度较慢，适用于对时钟精度要求较高的场合。PLL(锁相环)倍频设置1PLL倍频使用PLL可以将HSI或HSE的时钟频率倍频到更高的频率，以提高STM32的性能。PLL的倍频系数可以配置。2PLL分频使用PLL可以将PLL的输出频率分频到更低的频率，以满足各个外设的时钟需求。PLL的分频系数可以配置。时钟分频设置：AHB,APB1,APB2AHB分频AHB(AdvancedHigh-performanceBus)用于连接高速外设，例如Flash、SRAM、DMA等。AHB的时钟频率可以配置。APB1分频APB1(AdvancedPeripheralBus1)用于连接低速外设，例如UART、SPI、I2C等。APB1的时钟频率可以配置。APB2分频APB2(AdvancedPeripheralBus2)用于连接高速外设，例如ADC、TIM1等。APB2的时钟频率可以配置。中断系统(NVIC)的配置使能中断使用HAL_NVIC_EnableIRQ函数使能中断，允许中断请求被NVIC接受。设置优先级使用HAL_NVIC_SetPriority函数设置中断优先级，包括抢占优先级和子优先级。优先级高的中断可以抢占优先级低的中断。编写ISR编写中断服务函数(ISR)，处理中断请求。ISR需要快速执行，避免长时间占用CPU资源。中断优先级设置：抢占优先级、子优先级优先级类型描述抢占优先级用于判断中断是否可以抢占正在执行的中断。抢占优先级高的中断可以抢占抢占优先级低的中断。子优先级用于判断相同抢占优先级的多个中断的执行顺序。子优先级高的中断先执行。使能中断向量查找中断向量在STM32的参考手册中查找中断向量表，找到需要使能的中断的向量号。使能中断向量使用HAL_NVIC_EnableIRQ函数使能中断向量，允许中断请求被NVIC接受。编写中断服务函数(ISR)1函数命名中断服务函数的命名需要符合CMSIS标准，通常以"IRQn_Handler"结尾，例如"USART1_IRQn_Handler"。2函数内容中断服务函数需要快速执行，避免长时间占用CPU资源。中断服务函数通常包括清除中断标志、处理中断事件等操作。定时器(TIM)的使用初始化定时器使用HAL_TIM_Base_Init函数初始化定时器，配置定时器的模式、预分频器、计数周期等。启动定时器使用HAL_TIM_Base_Start函数启动定时器，开始计数。停止定时器使用HAL_TIM_Base_Stop函数停止定时器，停止计数。定时器模式：定时、计数、PWM定时模式定时器按照设定的时间间隔产生中断，可以用于实现定时任务、延时等功能。计数模式定时器对外部事件进行计数，可以用于测量脉冲宽度、频率等参数。PWM模式定时器产生PWM(脉冲宽度调制)信号，可以用于控制电机、LED灯的亮度等。定时器参数配置：预分频器、计数周期参数名描述Prescaler预分频器，用于降低定时器的时钟频率。预分频器的值越大，定时器的时钟频率越低。Period计数周期，用于设定定时器的计数范围。计数周期越大，定时器溢出的时间越长。PWM(脉冲宽度调制)输出配置PWM通道使用HAL_TIM_PWM_ConfigChannel函数配置PWM通道，包括极性、占空比等。启动PWM输出使用HAL_TIM_PWM_Start函数启动PWM输出，开始产生PWM信号。调整占空比使用__HAL_TIM_SET_COMPARE函数调整PWM的占空比，可以控制输出电压或电流的大小。串口(USART)的使用串口初始化使用HAL_UART_Init函数初始化串口，配置串口的波特率、数据位、校验位等。串口发送使用HAL_UART_Transmit函数发送数据，将数据通过串口发送到外部设备。串口接收使用HAL_UART_Receive函数接收数据，从串口接收外部设备发送的数据。串口初始化结构体成员名描述BaudRate波特率，用于设定串口的通信速率。常见的波特率有9600、115200等。WordLength数据位，用于设定串口发送和接收的数据位数。常见的数据位有8位、9位等。Parity校验位，用于进行数据校验。常见的校验位有无校验、奇校验、偶校验等。StopBits停止位，用于表示一个数据帧的结束。常见的停止位有1位、2位等。串口参数配置：波特率、数据位、校验位波特率波特率越高，数据传输速度越快，但通信距离越短。需要根据实际应用选择合适的波特率。数据位数据位用于设定串口发送和接收的数据位数。常见的数据位有8位、9位等。校验位校验位用于进行数据校验，提高数据传输的可靠性。常见的校验位有无校验、奇校验、偶校验等。串口发送和接收数据发送数据使用HAL_UART_Transmit函数发送数据，将数据通过串口发送到外部设备。发送数据时需要指定数据缓冲区和数据长度。1接收数据使用HAL_UART_Receive函数接收数据，从串口接收外部设备发送的数据。接收数据时需要指定数据缓冲区和数据长度。2DMA(直接存储器访问)的使用DMA初始化使用HAL_DMA_Init函数初始化DMA，配置DMA的通道、方向、模式等。启动DMA传输使用HAL_DMA_Start函数启动DMA传输，将数据从源地址传输到目标地址。停止DMA传输使用HAL_DMA_Stop函数停止DMA传输，停止数据传输。DMA通道配置成员名描述ChannelDMA通道，用于选择DMA控制器中的一个通道。不同的通道对应不同的外设。DirectionDMA传输方向，可以是内存到外设，也可以是外设到内存。MemInc内存地址自增使能，用于设定内存地址是否自动增加。如果使能，则每次传输后内存地址自动增加。PeriphInc外设地址自增使能，用于设定外设地址是否自动增加。如果使能，则每次传输后外设地址自动增加。DMA传输模式普通模式DMA传输一次后停止，适用于传输少量数据的场合。循环模式DMA传输完成后自动重新开始，适用于循环传输数据的场合。双缓冲模式DMA使用两个缓冲区进行传输，可以实现无缝数据传输，提高系统的性能。DMA传输数据配置源地址设定DMA传输的源地址，指向要传输的数据所在的内存地址。配置目标地址设定DMA传输的目标地址，指向要将数据传输到的内存或外设地址。配置传输长度设定DMA传输的长度，表示要传输的数据的字节数。ADC(模数转换器)的使用ADC初始化使用HAL_ADC_Init函数初始化ADC，配置ADC的分辨率、采样时间、触发方式等。启动ADC转换使用HAL_ADC_Start函数启动ADC转换，开始采集模拟信号。读取ADC结果使用HAL_ADC_GetValue函数读取ADC转换的结果，获取模拟信号的数字值。ADC初始化