第9章 初识STM32固件库
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本章参考资料：《STM32F4xx参考手册》、《STM32F4xx规格书》、《Cortex-M3权威指南》, STM32标准库帮助文档：《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.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公司提供的标准软件库，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ST标准库，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。见图 91。
图 91 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标准库可以从官网获得，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标准库文件配合阅读。
解压库文件后进入其目录：
"STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.5.1\"
软件库各文件夹的内容说明见图 92。
图 92 ST标准库 目录：STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.5.1\
Libraries：文件夹下是驱动库的源代码及启动文件。
Project ：文件夹下是用驱动库写的例子和工程模板。
Utilities：包含了基于ST官方实验板的例程，以及第三方软件库，如emwin图形软件库、fatfs文件系统。
MCD-ST Liberty…：库文件的License说明。
Release_Note.html:：库的版本更新说明。
stm32f4xx_dsp_stdperiph…： 库帮助文档，这是一个已经编译好的HTML文件，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，这个HTML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。
在使用库开发时，我们需要把libraries目录下的库函数文件添加到工程中，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。
进入Libraries文件夹看到，关于内核与外设的库文件分别存放在CMSIS和STM32F4xx_StdPeriph_Driver文件夹中。
先看看CMSIS文件夹。
STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.5.1\Libraries\CMSIS\文件夹下内容见图 93。
图 93 CMSIS文件夹内容目录：Libraries\CMSIS\
其中Device与Include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
在Include文件夹中包含了的是位于CMSIS标准的核内设备函数层的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stm32f4xx.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_m4_Technical Reference Manual》及《Cortex™-M4内核参考手册》文档，《STM32参考手册》只包含片上外设说明，不包含内核寄存器。
我们写STM32F4的工程，必须用到其中的四个文件：core_cm4.h、core_cmFunc.h、corecmInstr.h、core_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_cm4.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RVMDK、KEIL)，"__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91。
代码清单91：core_cm3.c文件中对编译器差异的屏蔽
1 #if defined ( __CC_ARM )
2 #define __ASM __asm /*!< asm keyword for ARM Compiler */
3 #define __INLINE __inline /*!< inline keyword for ARM Compiler*/
4 #define __STATIC_INLINE static __inline
5
6 #elif defined ( __GNUC__ )
7 #define __ASM __asm /*!< asm keyword for GNU Compiler */
8 #define __INLINE inline /*!< inline keyword for GNU Compiler */
9 #define __STATIC_INLINE static inline
10
11 #elif defined ( __ICCARM__ )
12 #define __ASM __asm /*!< asm keyword for IAR Compiler */
13 /*!< inline keyword for IAR Compiler. */
14 #define __STATIC_INLINE static inline
15 #define __INLINE inline
16
17 #elif defined ( __TMS470__ )
18 #define __ASM __asm /*!< asm keyword for TI CCS Compiler */
19 #define __STATIC_INLINE static inline
20
21 #elif defined ( __TASKING__ )
22 #define __ASM __asm /*!< asm keyword for TASKING Compiler */
23 #define __INLINE inline /*!< inline keyword for TASKING Compiler */
24 #define __STATIC_INLINE static inline
25
26 #elif defined ( __CSMC__ )
27 #define __packed
28 #define __ASM _asm /*!< asm keyword for COSMIC Compiler */
29 /*use -pc99 on compile line !< inline keyword for COSMIC Compiler */
30 #define __INLINE inline
31 #define __STATIC_INLINE static inline
32
33 #endif
较重要的是在core_cm4.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92。
代码清单92：stdint.c文件中的类型定义
1. /* exact-width signed integer types */
2. typedef signed char int8_t;
3. typedef signed short int int16_t;
4. typedef signed int int32_t;
5. typedef signed __int64 int64_t;
6.
7. /* exact-width unsigned integer types */
8. typedef unsigned char uint8_t;
9. typedef unsigned short int uint16_t;
10. typedef unsigned int uint32_t;
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u8、u16、u32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STM32f4xx.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_cm4.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CM4芯片的库都带有这个文件，这样软件在不同的CM4芯片的移植工作就得以简化。
2. Device文件夹
在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_stm32f4xx.c文件
文件目录：\Libraries\CMSIS\Device\ST\STM32F4xx\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_stm32f4xx.c文件。STM32F429系列的芯片，调用库的这个SystemInit函数后，系统时钟被初始化为180MHz，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：Libraries\CMSIS\Device\ST\STM32F4xx\Source\Templates
在这个目录下，还有很多文件夹，如"ARM"、"gcc_ride7"、"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_stm32f429_439xx.s"即为STM32F429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STM32F446型号使用"startup_stm32f446xx.s"文件。
stm32f4xx.h文件
文件目录： Libraries\CMSIS\Device\ST\STM32F4xx\Include
stm32f4xx.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"stm32f4xx.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标准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STM32F4xx_StdPeriph_Driver文件夹。
3. STM32F10x_StdPeriph_Driver文件夹
文件目录：Libraries\STM32F4xx_StdPeriph_Driver
进入libraries目录下的STM32F4xx_StdPeriph_Driver文件夹，见图 94。
图 94 外设驱动
STM32F4xx_StdPeriph_Driver文件夹下有inc（include的缩写）跟src（source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。src及inc文件夹是ST标准库的主要内容，甚至不少人直接认为ST标准库就是指这些文件，可见其重要性。
在src 和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 和 .h 后缀的文件。我们把这类外设文件统称为：stm32f4xx_ppp.c 或stm32f4xx_ppp.h文件，PPP表示外设名称。如在上一章中我们自建的stm32f4xx_gpio.c及stm32f4xx_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stm32f4xx_adc.c源文件，在inc文件夹下有一个stm32f4xx_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。见图 95。
图 95 驱动的源文件及头文件
这两个文件夹中，还有一个很特别的misc.c文件，这个文件提供了外设对内核中的NVIC(中断向量控制器)的访问函数，在配置中断时，我们必须把这个文件添加到工程中。
4. stm32f4xx_it.c、 stm32f4xx_conf.h文件
文件目录：STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.5.1\Project\STM32F4xx_StdPeriph_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的stm32f4xx_it.c、stm32f4xx_it.h、stm32f4xx_conf.h这三个文件。
stm32f4xx_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
stm32f4xx_conf.h：这个文件被包含进stm32f4xx.h 文件。ST标准库支持所有STM32F4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93，针对STM32F429和STM32F427型号芯片的差异，它们实际包含不一样的头文件，我们通过宏来指定芯片的型号。
代码清单93 stm32f4xx_conf.h文件配置软件库
1
2 #if defined (STM32F429_439xx) || defined(STM32F446xx)
3 #include "stm32f4xx_cryp.h"
4 #include "stm32f4xx_hash.h"
5 #include "stm32f4xx_rng.h"
6 #include "stm32f4xx_can.h"
7 #include "stm32f4xx_dac.h"
8 #include "stm32f4xx_dcmi.h"
9 #include "stm32f4xx_dma2d.h"
10 #include "stm32f4xx_fmc.h"
11 #include "stm32f4xx_ltdc.h"
12 #include "stm32f4xx_sai.h"
13 #endif /* STM32F429_439xx || STM32F446xx */
14
15 #if defined (STM32F427_437xx)
16 #include "stm32f4xx_cryp.h"
17 #include "stm32f4xx_hash.h"
18 #include "stm32f4xx_rng.h"
19 #include "stm32f4xx_can.h"
20 #include "stm32f4xx_dac.h"
21 #include "stm32f4xx_dcmi.h"
22 #include "stm32f4xx_dma2d.h"
23 #include "stm32f4xx_fmc.h"
24 #include "stm32f4xx_sai.h"
25 #endif /* STM32F427_437xx */
26
27 #if defined (STM32F40_41xxx)
stm32f4xx_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 94。
代码清单 94 断言配置
1 #ifdef USE_FULL_ASSERT
2
3 /**
4 * @brief The assert_param macro is used for parameters check.
5 * @param expr: If expr is false, it calls assert_failed function
6 * which reports the name of the source file and the source
7 * line number of the call that failed.
8 * If expr is true, it returns no value.
9 * @retval None
10 */
11 #define assert_param(expr) ((expr) ? (void)0 : assert_failed((uint8_t *)__FILE__, __LINE__))
12 /* Exported functions ---------------------------------- */
13 void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line);
14 #else
15 #define assert_param(expr) ((void)0)
16 #endif /* USE_FULL_ASSERT */
在ST标准库的函数中，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。见图 96。
图 96 库各文件关系
图 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_stm32f4xx.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
《STM32F4xx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。
《STM32F4xx规格书》
本文档相当于STM32的datasheet，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™-M4内核参考手册》
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《STM32F4xx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_m4_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-M4内核与Cortex-M3内核大部分相同，可用它来学习，而Cortex-M4新增的特性，则必须参考《cortex_m4_Technical Reference Manual》文档了，目前只有英文版。
《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.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标准库提供了哪些外设、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《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》见图 97
图 97 库帮助文档
层层打开文档的目录标签：
标签目录：Modules\STM32F4xx_StdPeriph_Driver\
可看到STM32F4xx _StdPeriph_Driver标签下有很多外设驱动文件的名字MISC、ADC、BKP、CAN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 见图 98。
图 98 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。
如GPIO_SetBits，函数的原型为void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef * GPIOx , uint16_t GPIO_Pin)。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。
其中输入的参数 GPIOx为ST标准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标准库的源码，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。
9.3 每课一问
1. 打开ST标准库，查看它的各个文件，对比一下ST标准库与我们上一章中工程里的同名文件，查看有何差异。