【STM32】驱动库的选择：CMSIS Driver、SPL、HAL、LL | 在ARM MDK、STM32Cube中如何选择？

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一、开发库选择

1.1 概述

STM32开发相关的库有很多，它们都是为了方便开发者使用STM32微控制器而提供的软件工具。根据不同的功能和层次，可以将它们分为以下几类：

1. CMSIS库（准确来说是CMSIS pack）（Cortex Microcontroller Software Interface Standard）是ARM公司推出的一种标准化的微控制器软件接口，它定义了一些通用的数据类型、寄存器访问、中断处理、内核功能等，方便开发者使用Cortex-M内核的各种功能。CMSIS库还包括了一些中间件组件，如RTOS、DSP、Driver、Pack、SVD、DAP和NN等，提供了丰富的软件功能。CMSIS库不是HAL库，也不是标准库，它是一种与厂商（比如ST公司）无关的软件层，可以在不同的微控制器上使用。

2. HAL库（Hardware Abstraction Layer，硬件抽象层）是ST公司推出的一种硬件抽象层库，它提供了一套统一、简洁、易用的API函数接口，方便开发者使用STM32的各种外设功能。HAL库支持STM32全系列产品，具有可移植性、易用性和可靠性等优点。HAL库还提供了一些中间件组件，如RTOS，USB，TCP/IP和图形等，可以快速实现复杂的功能。

3. 标准库（Standard Peripheral Libraries）是ST公司为STM32微控制器提供的一种固件函数包，它封装了STM32所有外设的寄存器操作和中断处理，提供了一套统一、简洁、易用的API函数接口，方便开发者使用STM32的各种外设功能。标准库支持STM32全系列产品，具有可移植性、易用性和可靠性等优点。不过，ST官方已经不再更新STM32标准固件库，而是力推新的固件库:HAL库。

4. LL库（Low-Layer，底层）是ST公司最近（也不是最近，六七年了）新增的一种底层库，它与HAL库捆绑发布，文档也是和HAL文档在一起的。 LL库更接近硬件层，对需要复杂上层协议栈的外设不适用，直接操作寄存器。LL库可以独立使用，也可以和HAL库结合使用。

5. 其他第三方或开源库：除了ST公司提供的官方库外，还有许多第三方或开源的软件库可以用于STM32开发，如FreeRTOS、uCOS、FatFs、LwIP等。这些软件库通常提供了一些特定领域或功能的解决方案，如实时操作系统、文件系统、网络协议等。

很显然，CMSISI库（主要是CORE）是最基本的，HAL、SPL、LL（STM32）都是基于CMSIS CORE进一步进行设计和开发的，旨在降低开发难度。

我们通常的、简单的开发形式有：HAL库开发、LL库开发、SPL库开发、第三方库开发。

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插一嘴：

一般，如果你使用正点原子的开发板进行学习或开发，就会看到他们的相关资料。你会看到：《xxx开发指南HAL库版本Vx.x》、《xxx开发指南固件库版本Vx.x》、《xxx开发指南寄存器版本Vx.x》。

这里说明一下：正点原子一些资料里面的“固件库”、“标准库”、“库函数”，这些名词一般都指的是：STM32 的 Standard Peripheral Library (SPL)：标准外设库（或SPL库中的函数）。

（具体的看资料内部描述即可）

实际上，固件库不单单指的是SPL库，固件库是指由芯片厂商提供的针对特定芯片或系列芯片的软件包，它包含了对芯片外设的驱动函数、示例代码、中间件和实用工具等。固件库的目的是为了简化开发者对底层硬件的访问和操作，提供一个统一的、易于使用的编程接口。所以：LL库、HAL库、SPL库都是固件库。所以，当您看到HAL固件库这样类似的名词时应当理解其就是HAL库。

总之，注意一下，正点原子的一些资料可能把SPL库叫做固件库或标准库。

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1.2 CMSIS pack

CMSIS (Cortex Microcontroller Software Interface Standard) 是 ARM 公司为其 Cortex-M 系列微控制器定义的一套软件接口标准。这套标准旨在简化微控制器的软件开发，使得开发者可以更容易地开发跨不同 Cortex-M 处理器系列和供应商的嵌入式应用程序。

提示： 阅读本专栏其他文章，学习相关知识点。

CMSIS pack主要由以下几部分组成：

• CMSIS-CORE：提供了Cortex-M处理器的核心功能接口，包括NVIC、SysTick等。它还定义了处理器的寄存器访问、中断向量和中断函数名称。

• CMSIS-DSP：一个为Cortex-M处理器优化的数字信号处理库，提供了丰富的DSP函数，如FFT、滤波器、矩阵运算等。

• CMSIS-RTOS：为实时操作系统提供了一个标准的API接口，使得开发者可以轻松地在不同的RTOS之间切换。

• CMSIS-Driver：定义了一套标准的外设驱动接口，如UART、SPI、I2C等。

• CMSIS-SVD：系统查看描述，提供了一个描述微控制器外设的XML格式。

• CMSIS-Pack：定义了一个用于软件组件、设备和板卡的描述、交付和安装的标准。
  

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这里的Standard Middleware（标准中间件），提供了一组更高级别的软件组件，用于实现常见的嵌入式系统功能。比如RTOS、USB、文件系统等等。

CMSIS是ARM为Cortex-M系列MCU提供的标准API，而各个使用该内核的芯片厂商（比如NXP、ST、intel），通常会在这些接口的基础上进一步开发适用于自家芯片的 开发库，比如ST的HAL、LL、SPL库。

CMSIS的优势

• 跨平台：由于CMSIS是为Cortex-M系列微控制器定义的标准，因此开发者可以轻松地将代码从一个Cortex-M处理器迁移到另一个处理器，而无需进行大量的代码修改。

• 高效性：CMSIS库中的许多函数都经过了优化，以充分利用Cortex-M处理器的特性，如SIMD指令。

• 易于使用：CMSIS提供了清晰、一致的API，使得开发者可以快速上手并开始开发。

• 强大的生态系统：许多第三方供应商和RTOS提供了对CMSIS的支持，这使得开发者可以轻松地集成各种软件组件和工具。

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通常在进行STM32开发时，不会直接使用CMSIS 的API，而是使用基于CMSISI的HAL库或者SPL库，它们提供了更高级的抽象、更易用的API、更丰富的文档、更好的IDE支持等等。

使用CMSIS库可以获得更精细粒度的控制、更强大额性能，在以下场景中，可能会直接使用CMISIS库：

1. DSP开发，CMSIS-DSP已经为Cortex-M系列微控制器进行了优化。对于需要高性能计算的应用，直接使用这些函数可能会更有效。
2. 如果开发者希望他们的代码能够在不同的Cortex-M微控制器之间移植，那么直接使用CMSIS库会更有意义，因为它提供了一个标准化的接口。
3. 使用RTOS。

1.3 SPL库

STM32的SPL（Standard Peripheral Libraries），即标准外设库，是STMicroelectronics为其STM32系列Cortex-M微控制器提供的软件开发库。它为STM32微控制器上的各种外设提供了C语言的函数API，帮助开发者简化硬件配置和使用。

STM32的SPL主要由以下几部分组成：

• 外设驱动：为STM32微控制器上的各种外设（如GPIO、UART、SPI、I2C、ADC、TIM等）提供了驱动函数。

• CMSIS支持：SPL包括对CMSIS库的支持，特别是CMSIS-CORE部分，为开发者提供了对Cortex-M核心功能的访问。

• 系统配置：包括系统时钟、中断和其他基础配置的函数。

• 工具链文件：如启动文件、链接脚本等，这些文件为特定的工具链（如GCC、Keil、IAR等）提供了支持。

• 示例代码：STMicroelectronics通常会提供一些示例代码，展示如何使用SPL来开发应用程序。

STM32 SPL 应用程序的文件描述:

²

SPL的优势：

• 简化开发：STM32的SPL为微控制器的外设提供了高级的抽象，使得开发者不需要深入了解硬件细节就可以配置和使用外设。

• 跨设备兼容性：由于SPL为STM32系列的微控制器提供了统一的API，因此开发者可以更容易地在同一系列的不同微控制器之间移植代码。

• 供应商支持：使用SPL意味着可以获得STMicroelectronics的支持，包括文档、示例代码和可能的固件更新。

SPL的局限性：

• 性能：由于SPL提供了高级的抽象，某些操作可能不如直接访问硬件寄存器那么快。

• 灵活性：虽然SPL为大多数常见的用例提供了支持，但对于一些特定的、非标准的需求，直接使用CMSIS或其他方法可能会更合适。

• 更新和维护：STMicroelectronics已经开始推广其HAL（硬件抽象层）库，并逐渐减少对SPL的支持。因此，新的STM32产品可能不再支持SPL，或者SPL可能不再获得更新。

1.4 HAL 库

HAL（Hardware Abstraction Layer），即硬件抽象层，是STMicroelectronics为其STM32系列微控制器提供的一个新的软件开发框架。与SPL（标准外设库）相比，HAL提供了更高级的抽象和更多的功能，旨在简化和加速STM32微控制器的开发过程。

STM32的HAL库主要由以下几部分组成：

• 外设驱动：为STM32微控制器上的各种外设（如GPIO、UART、SPI、I2C、ADC、TIM等）提供了驱动函数。

• 中间件支持：HAL库包括对各种中间件的支持，如USB、TCP/IP、文件系统等。

• 系统配置：提供了系统时钟、电源模式、中断和其他基础配置的函数。

• 回调机制：HAL库使用了回调函数的机制，允许开发者在特定的事件（如数据接收完成）发生时执行自定义的代码。

• 错误处理：HAL库提供了错误处理和检查机制，帮助开发者识别和处理可能的错误。

HAL库的优势：

• 模块化和可重用性：HAL库的设计使得开发者可以轻松地重用代码，特别是在不同的STM32微控制器之间。

• 跨设备兼容性：由于HAL为STM32系列的微控制器提供了统一的API，因此开发者可以更容易地在同一系列的不同微控制器之间移植代码。

• 集成开发环境（IDE）支持：STMicroelectronics提供了STM32CubeMX工具，该工具可以自动生成HAL库的初始化代码，进一步简化了开发过程。

• 持续更新和维护：与SPL相比，HAL库获得了更多的更新和维护，以支持新的STM32产品和功能。

HAL库的局限性：

• 学习曲线：对于习惯于使用SPL或直接访问硬件寄存器的开发者来说，HAL库可能需要一些时间来熟悉。

• 性能考虑：虽然HAL库为开发者提供了很多便利，但它的高级抽象可能会导致某些操作的性能略有下降。

1.5 LL库

STM32的LL库（（Low Layer））是STM32Cube库的一部分，旨在为STM32外设提供一个简化的API集，同时保持最大的灵活性。LL库是一个更接近硬件的编程接口，与HAL（硬件抽象层）库相比，它提供了更低的抽象级别。

主要特点：

1. 性能：由于LL库提供了更接近硬件的API，因此它通常比HAL库更快，尤其是在中断处理程序中。

2. 简单性：LL库的API设计得更简单，更直接，使得代码更容易阅读和维护。

3. 灵活性：LL库提供了对STM32外设的完全控制，允许开发人员更好地优化其应用程序。

4. 与HAL的互操作性：LL库可以与HAL库一起使用，这意味着开发人员可以在同一个项目中混合使用两者，根据需要选择最佳的库。

LL库的组成：

• 外设初始化：LL库提供了初始化外设的功能，这些功能通常比HAL库提供的功能更简单，更直接。

• 外设控制：LL库提供了一组函数，允许开发人员直接控制STM32外设，而无需经过任何中间抽象。

• 中断处理：与HAL库相比，LL库提供了更简单、更直接的中断处理函数。

使用LL库的优点：

1. 代码大小：由于LL库提供了更少的抽象，因此生成的代码通常比使用HAL库的代码更小。

2. 执行速度：LL库的函数通常比HAL库的函数执行得更快，因为它们提供了更少的抽象。

3. 更好的控制：LL库允许开发人员更直接地控制STM32外设，这可以提供更好的性能和更低的功耗。

STM32Cube库的组成如下：（STMicroelectronics为其STM32微控制器系列提供的一个全面的软件开发工具集）

1. HAL (Hardware Abstraction Layer)：这是STM32Cube的核心部分，提供了一套完整的外设驱动程序，用于STM32系列的微控制器。这些驱动程序提供了一个高级的API，使开发人员能够轻松地访问STM32的各种功能。

2. LL (Low Layer)：这是一个更接近硬件的驱动程序集，为那些需要更高性能或更低级访问的应用程序提供了一个选择。

3. Middleware：STM32Cube还包含了一些中间件组件，如USB库、TCP/IP堆栈、文件系统、RTOS接口等。

4. CMSIS (Cortex Microcontroller Software Interface Standard)：这是ARM定义的一个标准，用于开发Cortex-M微控制器的应用程序。STM32Cube包含了CMSIS核心和设备头文件。

5. Utilities：这些是一些实用程序和工具，如数据结构、数学函数、图形界面库等。

6. Examples and Templates：STM32Cube为STM32的各种开发板提供了大量的示例代码和模板，帮助开发人员快速入门。

7. Configuration Tool：STM32CubeMX是一个图形工具，允许用户图形化地配置STM32微控制器的外设，并自动生成初始化代码。

1.6 寄存器开发

STM32寄存器开发是一种直接操作STM32微控制器内部的寄存器来控制外设的开发方式，它可以充分利用STM32的性能和灵活性，但也需要对寄存器的功能和地址有深入的了解。

STM32寄存器开发的优点是：

• 可以实现最高效的代码执行，无需调用库函数或中间件。
• 可以实现最灵活的外设配置，无需受限于库函数或中间件的参数。
• 可以实现最低层次的硬件控制，无需考虑库函数或中间件的兼容性。

STM32寄存器开发的缺点是：

• 需要对寄存器的功能和地址有深入的了解，否则容易出错或造成冲突。
• 需要编写大量的代码，否则难以实现复杂的功能或逻辑。
• 需要手动管理内存和堆栈，否则容易出现溢出或泄漏。

有时候，直接使用寄存器进行开发也称作“裸机开发”。但裸机开发有时候也指不使用操作系统的开发。

二、代码对比

一个简单功能的实现：点亮一个 LED。以下是使用不同 STM32 开发库实现此功能的代码示例（主要部分）：

2.1 使用寄存器

直接操作STM32的硬件寄存器来配置和控制GPIO。

#define GPIOB_BASE 0x40020400
#define GPIOB_MODER ( *(volatile uint32_t*)(GPIOB_BASE) )
#define GPIOB_ODR   ( *(volatile uint32_t*)(GPIOB_BASE + 0x14) )

int main(void) {
    // 设置PB0为输出模式
    GPIOB_MODER |= (1 << 0);
    
    while(1) {
        GPIOB_ODR |= (1 << 0);  // 点亮LED
    }
}
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2.2 使用CMSIS库

使用CMSIS定义的结构和宏来操作寄存器。

#include "stm32f4xx.h"

int main(void) {
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOBEN;  // 使能GPIOB时钟
    GPIOB->MODER |= GPIO_MODER_MODER0_0;  // 设置PB0为输出模式
    
    while(1) {
        GPIOB->ODR |= GPIO_ODR_OD0;  // 点亮LED
    }
}
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2.3 使用SPL库

使用STM32标准外设库函数。

#include "stm32f4xx_gpio.h"
#include "stm32f4xx_rcc.h"

int main(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    while(1) {
        GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);  // 点亮LED
    }
}
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2.4 使用HAL库

使用STM32硬件抽象层函数。

#include "stm32f4xx_hal.h"

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

int main(void) {
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

    GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    while(1) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);  // 点亮LED
    }
}
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2.5 使用LL库

使用STM32低层库函数。

#include "stm32f4xx_ll_gpio.h"
#include "stm32f4xx_ll_bus.h"

int main(void) {
    LL_AHB1_GRP1_EnableClock(LL_AHB1_GRP1_PERIPH_GPIOB);

    LL_GPIO_SetPinMode(GPIOB, LL_GPIO_PIN_0, LL_GPIO_MODE_OUTPUT);

    while(1) {
        LL_GPIO_SetOutputPin(GPIOB, LL_GPIO_PIN_0);  // 点亮LED
    }
}
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2.6 使用RTOS

使用实时操作系统（如FreeRTOS）来控制LED。

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"

void LedTask(void *pvParameters) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

    GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    while(1) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);  // 点亮LED
        vTaskDelay(1000);  // 延时1秒
    }
}

int main(void) {
    xTaskCreate(LedTask, "LED", 128, NULL, 1, NULL);
    vTaskStartScheduler();
}
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三、如何在软件中选择不同的库

3.1 ARM MDK

如何新建工程、安装pack以及MDK的各个功能，我前面的文章有详细介绍。

假设我们使用的外设是GPIO。

再次回顾这张图：

现在打开MDK的RTE管理器，我们就很清楚的知道，无论使用SPL还是使用HAL库，都必须要选择下图CMSIS下的CORE。因为这些库都是基于CMSIS CORE（提供了访问和控制MCU的核心API）进行进一步开发的。

上面这些选项（software component），与你安装的pack有关，不一定都是这些内容，其作用分别是（当然你看后面的Description也是一样的）：

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CMSIS Driver 提供了cortex M3 MCU外设控制的API，我们使用的STM32芯片，既然使用了这个内核，那么我们肯定是可以使用CMSIS Driver下面的API进行开发的，但这些API并不是针对STM32芯片的，是通用API，所以你要使用这些API进行开发的话，需要仔细阅读具体芯片的数据手册才行。

因此，推荐使用各个厂商的API，它们会对具体的芯片信号进行适配、优化，开发起来更加便捷。

当你安装芯片对应的pack后，该芯片在MDK中支持的库就会显示在Device目录下面，根据需要，选择相关外设的API即可。

注意： 由于历史原因，MDK中，STM32 F1系列的芯片只有SPL这一个库，而F4这种比较新的芯片就支持SPL、HAL、LL库了。（当然，并不是说F1系列不支持HAL库，只是MDK的RTE不提供这个选项，你可以去STM32Cube开发，或者从MX复制过来）。

F4：

再补充一点：有的库对C语言标准是有要求的，MDK可能默认设置的是c90，你手动换成新一点的标准就行了。

3.2 STM32Cube IDE

STM32Cube主要使用HAL和LL库。

在STM32Cube MX中选择即可，默认就是HAL。每个外设都可以单独指定（如果你比较熟练，且对性能有较高的要求）

集成于STM32Cube IDE的STM32Cube MX可能没有保存之类的按钮，使用快捷键ctrl s就行了。单独安装的STM32Cube MX更方便与其他IDE和工具链一起使用。

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1. Keil官方：https://www.keil.com/pack/doc/CMSIS_Dev/General/html/index.html ↩︎

2. ST官方：https://www.st.com/resource/en/application_note/an5044-stm32-standard-peripheral-library-to-stm32cube-lowlayer-migration-stmicroelectronics.pdf ↩︎