STM32的HAL库与标准库的区别

新手在入门 STM32 的时候，一般大多数都会选用标准库和 HAL 库，而极少部分人会通过直接配置寄存器进行开发。

对于刚入门的朋友，可能没法直观了解这些不同开发发方式之间的区别，本文试图以一种非常直白的方式，用自己的理解去将这些东西表述出来。

配置寄存器

不少先学了 51单片机的朋友可能会知道，会有一小部分人或教程是通过汇编语言直接操作寄存器实现功能的，这种方法到了 STM32 就变得不太容易行得通了。

因为 STM32 的寄存器数量是 51单片机的十数倍，如此多的寄存器根本无法全部记忆，开发时需要经常的翻查芯片的数据手册，此时直接操作寄存器就变得非常的费力了。也有人喜欢去直接操作寄存器，因为这样更接近原理，代码更少，知其然也知其所以然。

标准库

上面也提到了，STM32 有非常多的寄存器，而导致了开发困难，所以为此 ST 公司就为每款芯片都编写了一份库文件，也就是工程文件里 stm32F1xx..... 之类的。在这些 .c 与 .h 文件中，包括一些常用量的宏定义，把一些外设也通过结构体变量封装起来，如 GPIO、时钟等。

所以我们只需要配置结构体变量成员就可以修改外设的配置寄存器，从而选择不同的功能。也是目前最多人使用的方式，也是学习 STM32 接触最多的一种开发方式，我也就不多阐述了。

HAL库

HAL 库是 ST 公司目前主推的开发方式，全称就是 Hardware Abstraction Layer（抽象印象层），简单来说就是弱化了开发者对硬件底层知识的依赖。

同样的功能，标准库可能要用几句话，HAL 库只需用一句话就够了。并且 HAL 库也很好地解决了程序移植的问题。不同型号的 STM32 芯片它的标准库是不一样的，例如在F4 上开发的程序移植到 F3 上是不能通用的，而使用 HAL 库，只要使用的是相同的外设，程序基本可以完全复制粘贴。注意是相同外设，意思也就是不能无中生有。例如 F7 比 F3 要多几个定时器，不能明明没有这个定时器却非要配置，但其实这种情况不多，绝大多数都可以直接复制粘贴。

而且使用 ST 公司研发的 STMcube 软件，可以通过图形化的配置功能，直接生成整个适用于HAL库的工程文件，可以说是方便至极。但是方便的同时也造成了它执行效率偏低。

综合上面说的，其实笔者还是强烈推荐 HAL 库的，理由：

• ST 公司已经停止更新标准库，公司主打 HAL 库的目的已经非常明显了；
• 模块化的 HAL 库是趋势，低效的短板会被硬件的增强所弥补。

当然底层的基本原理是必须要懂的，HAL 库也不是万能的，结合对底层的理解相信一定会让你的开发水准大大提高。

HAL库与标准库的区别

1 句柄

在STM32的标准库中，假设我们要初始化一个外设（这里以 USART 为例） 我们首先要初始化他们的各个寄存器。

在标准库中，这些操作都是利用固件库结构体变量+固件库 Init 函数实现的：

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;


USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//串口波特率
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为8位数据格式
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一个停止位
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无奇偶校验位
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件数据流控制
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; //收发模式


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

可以看到，要初始化一个串口，需要对六个位置进行赋值，然后引用 Init 函数，并且USART_InitStructure 并不是一个全局结构体变量，而是只在函数内部的局部变量，初始化完成之后，USART_InitStructure 就失去了作用。

而在HAL库中，同样是 USART 初始化结构体变量，我们要定义为全局变量。

UART_HandleTypeDef UART1_Handler;

结构体成员：

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;

我们发现，与标准库不同的是，该成员不仅包含了之前标准库就有的六个成员（波特率，数据格式等），还包含过采样、（发送或接收的）数据缓存、数据指针、串口 DMA 相关的变量、各种标志位等等，要在整个项目流程中都要设置的各个成员。

该UART1_Handler就被称为串口的句柄 它被贯穿整个 USART 收发的流程，比如开启中断：

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

比如后面要讲到的 MSP 与 Callback 回调函数：

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

在这些函数中，只需要调用初始化时定义的句柄 UART1_Handler 就好。

2 MSP函数

MCU Specific Package 单片机的具体方案。

MSP 是指和 MCU 相关的初始化，引用一下正点原子的解释，个人觉得说地很明白：

“我们要初始化一个串口，首先要设置和 MCU 无关的东西，例如波特率，奇偶校验，停止位等，这些参数设置和 MCU 没有任何关系，可以使用 STM32F1，也可以是 STM32F2/F3/F4/F7 上的串口。而一个串口设备它需要一个 MCU 来承载，例如用 STM32F4 来做承载，PA9 做为发送，PA10 做为接收，MSP 就是要初始化 STM32F4 的 PA9,PA10，配置这两个引脚。所以 HAL驱动方式的初始化流程就是：HAL_USART_Init()—>HAL_USART_MspInit()，先初始化与 MCU无关的串口协议，再初始化与 MCU 相关的串口引脚。在 STM32 的 HAL 驱动中HAL_PPP_MspInit()作为回调，被 HAL_PPP_Init() 函数所调用。当我们需要移植程序到 STM32F1 平台的时候，我们只需要修改 HAL_PPP_MspInit 函数内容而不需要修改 HAL_PPP_Init 入口参数内容。

”

在 HAL 库中，几乎每初始化一个外设就需要设置该外设与单片机之间的联系，比如IO口，是否复用等等。可见，HAL 库相对于标准库多了MSP函数之后，移植性非常强，但与此同时却增加了代码量和代码的嵌套层级。可以说各有利弊。

同样，MSP 函数又可以配合句柄，达到非常强的移植性：

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart);

3 Callback函数

类似于 MSP 函数，个人认为 Callback 函数主要帮助用户应用层的代码编写。还是以 USART 为例，在标准库中，串口中断了以后，我们要先在中断中判断是否是接收中断，然后读出数据，顺便清除中断标志位，然后再是对数据的处理，这样如果我们在一个中断函数中写这么多代码，就会显得很混乱：

void USART3_IRQHandler(void) //串口1中断服务程序
{
  u8 Res;
  //接收中断(接收到的数据必须是0x0d 0x0a结尾)
  if(USART_GetITStatus(USART3, USART_IT_RXNE) != RESET)
  {
    //读取接收到的数据
    Res =USART_ReceiveData(USART3); 


    /*数据处理区*/
  } 
}

而在HAL库中，进入串口中断后，直接由 HAL 库中断函数进行托管：

void USART1_IRQHandler(void)                 
{
  //调用HAL库中断处理公用函数
  HAL_UART_IRQHandler(&UART1_Handler); 


  /***************省略无关代码****************/ 
}

HAL_UART_IRQHandler 这个函数完成了判断是哪个中断（接收？发送？或者其他？），然后读出数据，保存至缓存区，顺便清除中断标志位等等操作。比如我提前设置了，串口每接收五个字节，我就要对这五个字节进行处理。在一开始我定义了一个串口接收缓存区：

/*HAL库使用的串口接收缓冲,处理逻辑由HAL库控制，
接收完这个数组就会调用HAL_UART_RxCpltCallback进行处理这个数组*/
/*RXBUFFERSIZE=5*/
u8 aRxBuffer[RXBUFFERSIZE];

在初始化中，我在句柄里设置好了缓存区的地址，缓存大小（五个字节）

/* 该代码在HAL_UART_Receive_IT函数中，初始化时会引用 */
huart- >pRxBuffPtr = pData; //aRxBuffer
huart- >RxXferSize = Size; //RXBUFFERSIZE
huart- >RxXferCount = Size; //RXBUFFERSIZE

则在接收数据中，每接收完五个字节，HAL_UART_IRQHandler 才会执行一次Callback 函数：

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);

在这个Callback回调函数中，我们只需要对这接收到的五个字节（保存在 aRxBuffer[] 中）进行处理就好了，完全不用再去手动清除标志位等操作。

所以说 Callback 函数是一个应用层代码的函数，我们在一开始只设置句柄里面的各个参数，然后就等着 HAL 库把自己安排好的代码送到手中就可以了~

综上 ，就是HAL库的三个与标准库不同的地方之个人见解。

个人觉得从这三个小点就可以看出 HAL 库的可移植性之强大，并且用户可以完全不去理会底层各个寄存器的操作，代码也更有逻辑性。但由此带来的是复杂的代码量，极慢的编译速度，略微低下的效率。看怎么取舍了。

HAL库的结构

说到 STM32 的 HAL库，就不得不提 STM32CubeMX，其作为一个可视化的配置工具，对于开发者来说，确实大大节省了开发时间。另外 STM32CubeIDE 集成了STM32CubeMX 的功能，是一个集配置与编译于一体的软件，可以尝试一下。软件更新频率很高，持续优化某些 bug 及性能问题。

上面两个开发软件是以 HAL 库为基础的，且目前仅支持 HAL 库及LL库！

首先看一下，官方给出的HAL库的文件结构：

下图是STM32库文件结构。

stm32f2xx.h 主要包含 STM32 同系列芯片的不同具体型号的定义，是否使用 HAL 库等的定义，接着，其会根据定义的芯片信号包含具体的芯片型号的头文件：

#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

紧接着，其会包含 stm32f2xx_hal.h。

• stm32f2xx_hal.h：stm32f2xx_hal.c/h 主要实现 HAL 库的初始化、系统滴答时钟相关的函数、及 CPU 的调试模式配置
• stm32f2xx_hal_conf.h ：该文件是一个用户级别的配置文件，用来实现对 HAL 库的裁剪，其位于用户文件目录，不要放在库目录中。

接下来对于HAL库的源码文件进行一下说明，HAL 库文件名均以 stm32f2xx_hal 开头，后面加上_外设或者模块名（如：stm32f2xx_hal_adc.c）：

库文件：
 stm32f2xx_hal_ppp.c/.h   // 主要的外设或者模块的驱动源文件，包含了该外设的通用API
 stm32f2xx_hal_ppp_ex.c/.h  // 外围设备或模块驱动程序的扩展文件。这组文件中包含特定型号或者系列的芯片的特殊API。以及如果该特定的芯片内部有不同的实现方式，则该文件中的特殊API将覆盖_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的时间延迟等相关的API
 其他库文件
用户级别文件：
 stm32f2xx_hal_msp_template.c // 只有.c没有.h。它包含用户应用程序中使用的外设的MSP初始化和反初始化（主程序和回调函数）。使用者复制到自己目录下使用模板。
 stm32f2xx_hal_conf_template.h // 用户级别的库配置文件模板。使用者复制到自己目录下使用
 system_stm32f2xx.c    // 此文件主要包含SystemInit()函数，该函数在刚复位及跳到main之前的启动过程中被调用。**它不在启动时配置系统时钟（与标准库相反）**。时钟的配置在用户文件中使用HAL API来完成。
 startup_stm32f2xx.s    // 芯片启动文件，主要包含堆栈定义，终端向量表等
 stm32f2xx_it.c/.h    // 中断处理函数的相关实现
 main.c/.h

根据 HAL 库的命名规则，其 API 可以分为以下三大类：

• 初始化/反初始化函数：HAL_PPP_Init(), HAL_PPP_DeInit()
• IO 操作函数：HAL_PPP_Read(), HAL_PPP_Write(),HAL_PPP_Transmit(), HAL_PPP_Receive()
• 控制函数：HAL_PPP_Set (), HAL_PPP_Get ().
• 状态和错误：HAL_PPP_GetState (), HAL_PPP_GetError ().

“注意：目前 LL 库是和 HAL 库捆绑发布的，所以在 HAL 库源码中，还有一些名为 stm32f2xx_ll_ppp 的源码文件，这些文件就是新增的LL库文件。使用 CubeMX 生产项目时，可以选择LL库。

”

HAL 库最大的特点就是对底层进行了抽象。在此结构下，用户代码的处理主要分为三部分：

• 处理外设句柄，实现用户功能
• 处理MSP
• 处理各种回调函数，外设句柄定义

HAL 库在结构上，对每个外设抽象成了一个称为 ppp_HandleTypeDef 的结构体，其中 ppp 就是每个外设的名字。所有的函数都是工作在 ppp_HandleTypeDef 指针之下。

每个外设/模块实例都有自己的句柄。因此，实例资源是独立的。

外围进程相互通信：该句柄用于管理进程例程之间的共享数据资源。

下面，以ADC为例，

/** 
 * @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;

从上面的定义可以看出，ADC_HandleTypeDef 中包含了 ADC 可能出现的所有定义，对于用户想要使用 ADC 只要定义一个 ADC_HandleTypeDef 的变量，给每个变量赋好值，对应的外设就抽象完了。接下来就是具体使用了。

当然，对于那些共享型外设或者说系统外设来说，他们不需要进行以上这样的抽象，这些部分与原来的标准外设库函数基本一样。例如以下外设：

• GPIO
• SYSTICK
• NVIC
• RCC
• FLASH

以 GPIO 为例，对于 HAL_GPIO_Init() 函数，其只需要 GPIO 地址以及其初始化参数即可。

1 三种编程方式

HAL 库对所有的函数模型也进行了统一。在HAL 库中，支持三种编程模式：轮询模式、中断模式、DMA模式（如果外设支持）。其分别对应如下三种类型的函数（以ADC为例）：

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，带 _IT 的表示工作在中断模式下；带 _DMA 的工作在 DMA 模式下（注意：DMA 模式下也是可以开启中断的）；什么都没带的就是轮询模式（没有开启中断的）。至于使用者使用何种方式，就看自己的选择了。

此外，新的HAL库架构下统一采用宏的形式对各种中断等进行配置（原来标准外设库一般都是各种函数）。针对每种外设主要由以下宏：

• __HAL_PPP_ENABLE_IT(HANDLE, INTERRUPT)：使能一个指定的外设中断
• __HAL_PPP_DISABLE_IT(HANDLE, INTERRUPT)：失能一个指定的外设中断
• __HAL_PPP_GET_IT (HANDLE, __ INTERRUPT __)：获得一个指定的外设中断状态
• __HAL_PPP_CLEAR_IT (HANDLE, __ INTERRUPT __)：清除一个指定的外设的中断状态
• __HAL_PPP_GET_FLAG (HANDLE, FLAG)：获取一个指定的外设的标志状态
• __HAL_PPP_CLEAR_FLAG (HANDLE, FLAG)：清除一个指定的外设的标志状态
• __HAL_PPP_ENABLE(HANDLE) ：使能外设
• __HAL_PPP_DISABLE(HANDLE) ：失能外设
• __HAL_PPP_XXXX (HANDLE, PARAM) ：指定外设的宏定义
• _HAL_PPP_GET IT_SOURCE (HANDLE, __ INTERRUPT __) 检查中断源

2 三大回调函数

在 HAL 库的源码中，到处可见一些以__weak开头的函数，而且这些函数，有些已经被实现了，比如：

有些则没有被实现，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
  */
}

所有带有 __weak 关键字的函数表示，就可以由用户自己来实现。如果出现了同名函数，且不带 __weak 关键字，那么连接器就会采用外部实现的同名函数。通常来说，HAL 库负责整个处理和 MCU 外设的处理逻辑，并将必要部分以回调函数的形式给出到用户，用户只需要在对应的回调函数中做修改即可。

HAL 库包含如下三种用户级别回调函数（PPP为外设名）：

1. 外设系统级初始化/解除初始化回调函数（用户代码的第二大部分：对于 MSP 的处理）：HAL_PPP_MspInit()和HAL_PPP_MspDeInit 例如：__weak void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi)。在 HAL_PPP_Init() 函数中被调用，用来初始化底层相关的设备（GPIOs, clock, DMA, interrupt）。
2. 处理完成回调函数：HAL_PPP_ProcessCpltCallback（Process指具体某种处理，如UART的Tx），例如：__weak void HAL_SPI_RxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)。当外设或者DMA工作完成后时，触发中断，该回调函数会在外设中断处理函数或者 DMA 的中断处理函数中被调用。
3. 错误处理回调函数：HAL_PPP_ErrorCallback例如：__weak void HAL_SPI_ErrorCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)。当外设或者 DMA 出现错误时，触发终端，该回调函数会在外设中断处理函数或者DMA的中断处理函数中被调用。