深(shen)入探討HAL庫與CMSIS的(de)關系與協同工作機制
時間：2024-11-21 來源：華清(qing)遠見(jian)
想要探究深入探討HAL庫與CMSIS的關系與協同工作機制，首先(xian)大家要知道什么(me)是HAL庫，什么(me)是CMSIS。
一、什么是HAL庫？
HAL庫(ku)（Hardware Abstraction Layer）是一種硬件抽象層，主要用于簡(jian)化與硬件的(de)交互。它提供(gong)了一組API，使開發(fa)者可以(yi)在(zai)不直接操(cao)作(zuo)硬件寄存器的(de)情(qing)況下(xia)，控(kong)制和使用微控(kong)制器的(de)外設。HAL庫(ku)常用于嵌入式(shi)系統開發(fa)，尤其是在(zai)STM32等微控(kong)制器的(de)開發(fa)中(zhong)。
使用HAL庫的(de)優(you)點(dian)包(bao)括(kuo)：
易用性(xing)：開發者可(ke)以使用高(gao)層(ceng)次的函數調用，而不(bu)需要(yao)深入了解底層(ceng)硬件(jian)細節。
移(yi)植(zhi)(zhi)性：通(tong)過(guo)抽象(xiang)硬件(jian)，代碼可(ke)以(yi)更容易地在不(bu)同的硬件(jian)平臺上移(yi)植(zhi)(zhi)。
減少(shao)錯(cuo)誤：使用庫(ku)函數可以降低因(yin)直(zhi)接操作寄(ji)存器(qi)而導致的錯(cuo)誤風險。
HAL庫通(tong)常與其他(ta)庫（如LL庫）結(jie)合使用(yong)，以滿(man)足不(bu)同的(de)開(kai)發需求。
其實一(yi)句(ju)話(hua)就(jiu)可以概括： HAL 庫(ku)(ku)就(jiu)是(shi)函數(shu)的(de)集合， HAL 庫(ku)(ku)函數(shu)的(de)作用是(shi)向下負責與寄(ji)存(cun)器直接(jie)打(da)交道，向上提供(gong)用戶函數(shu)調用的(de)接(jie)口（API）。
二、什么是CMSIS？
CMSIS ( Cortex Microcontroller Software Interface Standard )，翻譯過(guo)來是(shi)(shi)(shi)(shi)ARM Cortex™ 微控(kong)制器軟件接口標(biao)(biao)準(zhun) 。這(zhe)(zhe)個(ge)標(biao)(biao)準(zhun)是(shi)(shi)(shi)(shi)誰提的(de)呢？提的(de)這(zhe)(zhe)個(ge)標(biao)(biao)準(zhun)是(shi)(shi)(shi)(shi)用來干(gan)什么(me)的(de)呢？這(zhe)(zhe)里不(bu)得不(bu)說(shuo)說(shuo)ARM和STM32、TI這(zhe)(zhe)些(xie)公(gong)司的(de)關系了，ARM 是(shi)(shi)(shi)(shi)一個(ge)做芯片標(biao)(biao)準(zhun)的(de)公(gong)司，它負責(ze)的(de)是(shi)(shi)(shi)(shi)芯片內(nei)(nei)核(he)的(de)架構(gou)設計，而TI、ST這(zhe)(zhe)樣的(de)公(gong)司，他(ta)(ta)們并不(bu)做標(biao)(biao)準(zhun)，他(ta)(ta)們是(shi)(shi)(shi)(shi)芯片公(gong)司，他(ta)(ta)們是(shi)(shi)(shi)(shi)根據 ARM 公(gong)司提供(gong)的(de)芯片內(nei)(nei)核(he)標(biao)(biao)準(zhun)設計自己的(de)芯片。所以(yi)，任(ren)何(he)一個(ge)做 Cortex M3 芯 片 ，他(ta)(ta)們的(de)內(nei)(nei)核(he)結構(gou)都是(shi)(shi)(shi)(shi)一樣的(de)，不(bu)同的(de)是(shi)(shi)(shi)(shi)他(ta)(ta)們的(de)存儲器容量， 片上外設 IO 以(yi)及其他(ta)(ta)模塊的(de)區(qu)別。
標準是誰提的呢(ni)？ARM跟芯片(pian)廠(chang)商(shang)共同提出的，目的就是為了不(bu)同芯片(pian)廠(chang)商(shang)生產的Cortex-M3芯片(pian)能在軟件上基(ji)本兼容，各芯片(pian)廠(chang)商(shang)就得(de)按照這(zhe)個標準去編寫自(zi)己芯片(pian)內核的驅動(dong)程序，比(bi)如(ru)系統(tong)函數(shu)的命名、芯片(pian)初始化啟(qi)動(dong)流程等；
這個標準(zhun)是用(yong)來干什(shen)么(me)的(de)呢？如下圖它向下負(fu)責與內核(he)和各個外設直接打交道，向上提(ti)供實時操(cao)作系(xi)統用(yong)戶程序調用(yong)的(de)函數接口。分為 3 個基本(ben)功能(neng)層：
核(he)內外設訪問(wen)層：ARM 公(gong)司提供的訪問(wen)，定義(yi)處理器(qi)內部寄(ji)存器(qi)地址(zhi)以及功能函數。
中間件訪(fang)問層：定義訪(fang)問中間件的通用 API, 也(ye)是(shi) ARM 公司提供。
外設訪(fang)問層(ceng)：定義硬件寄存器(qi)的(de)地(di)址(zhi)以(yi)及外設的(de)訪(fang)問函數。
三、二者的協同工作
二者的關系
互(hu)補性：CMSIS為底(di)層處理器(qi)提供了接口(kou)，而HAL庫則在此基礎上封裝(zhuang)了外設控制。這(zhe)意味著開發者(zhe)可以(yi)利用(yong)CMSIS訪問底(di)層功(gong)能，同時使用(yong)HAL庫與外設進行交互(hu)。
基礎(chu)構建：HAL庫(ku)的實(shi)現通常依(yi)賴于CMSIS提供的功能。例如，HAL庫(ku)在初始化(hua)外設時可能會調用(yong)CMSIS的中斷(duan)管理和時鐘(zhong)配(pei)置等功能。
協同工作機制
在(zai)實(shi)際開發中，HAL庫和CMSIS協同工作的機制通常如下：
初始化階段：
首先，CMSIS-Core會設置處理器的基本功(gong)能，比如(ru)中斷向量表和系統(tong)時鐘。
接著，HAL庫會基(ji)于(yu)CMSIS提供的(de)基(ji)礎設(she)施初始化外設(she)，如GPIO、UART等。
操作階段：
在應用(yong)程序中(zhong)，開發者可以調(diao)用(yong)HAL庫的(de)API來控(kong)制外(wai)設(she)，HAL庫內部會利(li)用(yong)CMSIS提供(gong)的(de)功能(neng)來完成(cheng)具體的(de)操作(zuo)。
例如，設(she)置一個定(ding)時(shi)器時(shi)，HAL庫可能會調用CMSIS的(de)系統時(shi)鐘(zhong)配(pei)置來確保定(ding)時(shi)器的(de)準(zhun)確性。
中斷處理：
當外設發生中(zhong)斷(duan)時，CMSIS會(hui)負(fu)責(ze)中(zhong)斷(duan)向量的管理，而HAL庫會(hui)提供相(xiang)應的中(zhong)斷(duan)服務例(li)程（ISR），讓開發者可(ke)以在(zai)ISR中(zhong)處理具(ju)體的外設事(shi)件。
總結
通過結合CMSIS和HAL庫，開發(fa)者(zhe)可(ke)以(yi)在一個統(tong)一的(de)框架內高效地進行嵌入式系統(tong)的(de)開發(fa)，簡(jian)化了(le)代碼的(de)復(fu)雜性，提(ti)高了(le)開發(fa)效率。同時，二者(zhe)的(de)協同工作(zuo)為開發(fa)者(zhe)提(ti)供了(le)強大的(de)功能支持，便于實現高效、可(ke)靠的(de)嵌入式應用。
