嵌入式开发之旅

前言

本文章参考了同为米醋电子工作室会员柒的部分优秀笔记，仅做个人学习用，如有侵权，请联系本人删除。

从8051到STM32的进阶之路

一、STM32和8051的相同点

1、外设基本相同

以蓝桥杯单片机v10-v20原理图为例

STM32(基于西门子32)为例

我们通过以上两张图片对比发现51和32的大部分外设基本相同，其32就多了个TF卡和FLASH，在嵌入式 系统中，TF卡（TransFlash卡）和Flash存储是两种常见的存储设备，类似于51单片机中的EEPROM，断 电存储。我们可以通过这些外设进一步学习相应的协议（如iic，lsp） 主要区别总结：

特性	TF卡（MicroSD卡）	Flash存储
可拆卸性	可拆卸，方便更换和扩展存储	通常不可拆卸，内置于设备中
储存容量	容量通常较小（几GB到几百GB不等）	容量更大，可达TB级别
耐用性	相对较低，适合轻度使用	耐用性强，适合频繁写入的环境
应用场景	便捷的外部存储，移动设备使用	嵌入式系统、固态硬盘等内置存储
性能	读取/写入速度相对较慢	较高的读写速度，尤其在大容量存储中

当我们从51过渡到32是必须要了解这些外设和基本的框架移植，例如给你其他51类型单片机的原理图和 特定的底层驱动代码，要你实现指定的功能（AD_DA,Temperature,key ,led,seg等等），假如我们能够从蓝桥杯单片机中的框架逻辑中移植到其他51系列单片机中实现功能，可以说你在51单片机中入门了；

二、STM32和8051的区别

特性	STM32	8051
架构	ARM Cortex-M（32位）	8051架构（8位）
位宽	32位	8位
处理能力	力高，适合复杂应用	低，适合简单应用
内存	较大，Flash和RAM较大	较小，有限的存储空间
外设支持	丰富（USB, CAN, UART等）	基本（串口、定时器等）
功耗	高性能版本较高功耗，但有低功耗版	较低功耗
开发工具	现代化开发工具，支持C/C++开发	简单工具，用汇编语言
英语领域	高端嵌入式应用（工业、医疗、汽车等）	低端嵌入式应用（家电控制等）

我们通过以上图片的对比可以发现区别不仅仅体现在内部结构上，还体现在对数据类型的支持

以及，我们需要了解到在是stm32中，不在使用单片机中的unsigned char和unsigned int类型的定义，而是使用图中的数据类型定义方式

三、代码的命名规范性

我们常见的命名规则有

1、蛇形命名法（单词之间⽤下划线分隔，所有字⺟通常都为⼩写）

read_temperature , gather_time  flash_flag 

2、全⼤写命名法 一般来说全大写命名法适用于变量的宏定义

#define MAX_BUFFER_SIZE 1024 #define PI 3.14159

3、驼峰命名法 第⼀个单词⾸字⺟⼩写，后续单词⾸字⺟⼤写

 myAPP   recevieSSBUF

四、嵌入式的三种开发方式（重点）

1、寄存器级开发

直接操作硬件寄存器的编程方式，所有的硬件外设和控制都通过直接读写 寄存器来实现，提供最大灵活性和性能，但需要深入了解硬件细节。

优点	缺点
灵活性高，精确控制硬件	开发效率低，工作量大
代码体积小，运行效率高	可移植性差，代码复用难
深入理解硬件工作原理	学习曲线陡峭

// 使能GPIOA时钟
RCC->APB2ENR |= (1 << 2);  
// 配置PA5为推挽输出
GPIOA->CRL &= ~(0xF << 20); 
GPIOA->CRL |= (0x3 << 20);  

// 主循环
while (1) {
    GPIOA->BSRR = (1 << 5);  // PA5置高，点亮LED
    for (int i = 0; i < 100000; i++); // 延时
    GPIOA->BRR = (1 << 5);   // PA5置低，熄灭LED
    for (int i = 0; i < 100000; i++); // 延时
}

2、标准库开发（通常称为标准外设库，如STM32的Standard Peripheral Library, SPL）

是一种基于直接操作硬件寄存器的软件开发方式，但它通过提供一组封装好的函数和结构体，简化了对寄存器的直接操作。标准库的目标是降低直接操作寄存器的复杂度，同时保留对硬件的精细控制能力。它与HAL库最大的区别在于抽象层次更低，更接近硬件底层，平衡了开发效率和硬件控制。

优点	缺点
开发效率较高	代码体积略大（相比于寄存器级开放）
代码可读性好	性能次于寄存器级开发
同系列芯片间可移植性较好	需要学习API接口

什么是标准接口（API）？

标准接口（Application Programming Interface, API） 是一组预先定义好的函数、协议或工具，它规定了不同软件组件之间如何交互和通信。简单来说，API 是开发者与某个系统（硬件、库、服务等）之间的“桥梁”——开发者无需关心系统内部如何实现，只需通过调用这些接口即可完成特定功能。

用生活中的例子理解 API 🌰

想象你要用电水壶烧水：

1. 你需要做什么：插上电源，按下开关。
2. 你不需要做什么：了解水壶内部的电路设计、加热原理、温度控制逻辑。
   示例1：配置GPIO（STM32F1标准库）

API 在嵌入式开发中的体现

在嵌入式系统中，API 通常是一组函数或方法，由库（如 HAL 库、标准库）或操作系统提供，用于简化硬件操作或复杂任务。例如：

• 示例1：控制 GPIO 的 API

  • 函数名：HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState)

  • 作用：设置某个 GPIO 引脚的电平（高/低）。

  • 你无需关心：

    • 如何配置寄存器？
      • 不同芯片的 GPIO 寄存器地址是否不同？
      • 是否需要先使能时钟？

• 示例2：延时 API

  • 函数名：HAL_Delay(uint32_t Delay)

  • 作用：让程序暂停指定毫秒数。

  • 你无需关心：

    • 如何配置定时器？
      • 如何计算时钟频率？

3、HAL库开发（HAL库是ST公司目前主力推的开发方式，全称就是Hardware Abstraction Layer(硬件抽象层)）

它的出现比标准库要晚，但其实和标准库一样，都是为了节省程序开发的时期，而且HAL库尤其的 有效，如果说标准库把实现功能需要配置的寄存器集成了，那么HAL库的一些函数甚至可以做到某些特定功能的集成。也就是说，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。

优点	缺点
开发效率最高	代码体积大
可移植性强	性能开销较大
易于上手，适合初学者	底层问题难以追踪

GPIO点灯示例 (STM32 HAL库)

int main(void) {
    HAL_Init();                    // 初始化HAL库
    SystemClock_Config();          // 配置系统时钟
    
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();  // 使能GPIOA时钟
    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    while (1) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
        HAL_Delay(500);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_Delay(500);
    }
}

4、三种开发方式对比

5、标准库与HAL库比较

特性	标准库	HAL库
抽象层次	低（直接操作寄存器）	高（完全隐藏寄存器）
代码体积	小（适合资源受限的芯片）	大（功能复杂，代码量多）
移植性	差（不同芯片系列需要修改代码）	好（跨芯片系列兼容）
开发效率	低（需要了解寄存器细节）	高（专注于业务逻辑）
适用场景	对性能/资源敏感的项目、学习底层硬件	快速开发、跨平台项目

相同点：

都是库（都是编写好的很多操作寄存器的函数函数放在一个文件 中）。然后把他们打包在两个文件夹中，一个叫src（存放.c文件），一个叫inc（存放.h文件)，那这个就相当于我自己创建了一个属于自己的库了。创建了库的话我要用数码管就把smg.c和smg.h拿出来就能 调用里面的函数，很是方便。

不同点：

函数的名称、操作的逻辑、不同函数之间的调用、函数对寄存器的调用，HAL库更加的方便与快捷

打个比喻：

标准库就像是手动挡汽车，汽车上包含许多外设如离合，刹车，油门等等，我们只需要理解其汽车的工作原理，多练习就会很容易上手，但是当我们换一辆汽车，开起来可能会没有之前那么熟练（可移植性低）；

了。创建了库的话我要用数码管就把smg.c和smg.h拿出来就能 调用里面的函数，很是方便。

不同点是：函数的名称、操作的逻辑、不同函数之间的调用、函数对寄存器的调用，HAL库更加的方便与快捷

打个比喻：

标准库就像是手动挡汽车，汽车上包含许多外设如离合，刹车，油门等等，我们只需要理解其汽车的工作原理，多练习就会很容易上手，但是当我们换一辆汽车，开起来可能会没有之前那么熟练（可移植性低）；

对于HAL库可以理解为自动挡汽车，同样包含许多手动挡汽车的外设，你不需要关心离合和换挡，直接开就行（可移植性比较高）

为什么标准库逐渐被HAL库取代？

1. 移植困难
   标准库的API在不同芯片系列之间差异较大。例如，STM32F1和STM32F4的标准库函数名可能相同，但底层寄存器完全不同，移植时需要大量修改代码。
2. 工具链支持不足
   标准库缺乏现代化工具支持（如STM32CubeMX），开发者需要手动编写初始化代码，效率低下。
3. 中间件兼容性差
   高级功能（如USB、文件系统）难以直接与标准库集成，而HAL库与中间件（如FreeRTOS、FatFS）深度绑定。
4. 学习成本高
   开发者需要深入理解寄存器配置，对新手不友好。

标准库的适用场景

尽管HAL库更现代，标准库仍有一些适用场景：

1. 资源极度受限的项目
   如果芯片的Flash/RAM资源非常紧张（如STM32F0系列），标准库的轻量级特性更有优势。
2. 需要极致性能
   标准库没有HAL库的中间层开销，适合对实时性要求极高的场景（如电机控制）。
3. 学习底层硬件原理
   标准库是学习寄存器操作和硬件工作原理的“垫脚石”。通过分析标准库代码，可以深入理解芯片如何通过寄存器控制外设。
4. 维护老旧项目
   许多传统嵌入式项目仍在使用标准库，维护时需要熟悉其代码结构。