STM32Cube 包结构解析

STM32Cube 生态系统是一套完整的 STM32 微控制器和微处理器软件解决方案。主要分为两类软件：

1. 开发环境：全套 PC 软件工具，满足整个项目开发周期的所有需求。
2. 库函数：各种运行在 STM32 微控制器和微处理器上嵌入式软件模块。

开发环境

1. STM32CubeMX：使用图形用户界面可为生成初始化 C 代码
2. STM32CubeIDE：一个集成开发环境。包含代码编辑、编译、下载、调试。
3. STM32CubeProgrammer：二进制烧录工具。
4. STM32CubeMonitor：监控工具，可帮助开发人员实时微调应用程序的行为和性能。

库函数

1. STM32Cube packages：针对不同的系列，提供的驱动程序、中间件、应用例程；
2. STM32Cube expansion packages：应用层库；

Drivers/CMSIS

CMSIS：Common Microcontroller Software Interface Standard，通用微处理器软件接口标准；由 ARM 公司定义的接口规范。

从应用层代码分析，忽略调试功能，CMSIS 包含如下几个模块：

1. CMSIS-CORE：Cortex 核心内部寄存器定义与接口函数。
2. CMSIS-RTOS：实时操作系统。
3. CMSIS-DSP：数字信号处理优化函数库。
4. CMSIS-NN：神经网络优化函数库。
5. CMSIS-Driver：Cortex 外围设备寄存器定义与接口函数，提供统一接口给中间件。但 ST 并没有选择实现 CMSIS-Driver 接口规范，而是实现了自定义 Peripheral HAL 接口规范。

参考资料：

1. 【主页】CMSIS
2. 【文档】CMSIS
3. 【源码】CMSIS_6

CMSIS-CORE

CMSIS-CORE 又由两部分组成：

1. CMSIS-Core Standard Files：由 ARM 提供的 Cortex 核心接口函数
2. CMSIS-Core Device Files：由 MCU 设备供应商提供，包含外围设备的接口函数

CMSIS-Core Standard Files

下图是 CMSIS-Core Standard Files 的头文件包含图：

首先分析 core_cm0plus.h，它由以下 5 部分组成：

1. Core：核心状态和控制寄存器结构定义；这些寄存器没有映射到内存空间，所以无法通过普通的 C 语言访问。
2. NVIC：Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套向量中断控制器；定义寄存器地址、寄存器结构、操作函数；
3. SCB：System Control Block，系统控制块；产生 Cortex 内部中断；定义寄存器地址、寄存器结构、操作函数；
4. SysTick：System Tick Timer，系统滴答定时器；定义寄存器地址、寄存器结构、操作函数；
5. MPU：Memory Protection Unit，内存保护单元；定义寄存器地址、寄存器结构、操作函数；

中间的 cmsis_compiler.h 只是一个简单的路由，用于确定实际的编译器后端。

最后 cmsis_armcc.h 用于访问核心状态和控制寄存器；如前面所说，这些寄存器没有映射到内存空间，无法通过普通的 C 语言访问，而是通过汇编将寄存器与内存进行交互。

总的来说，core_cm0plus.h 对外提供了操作 Cortex-M 内部设备和内部寄存器的功能。

• 【文档】CMSIS-Core Standard Files

CMSIS-Core Device Files

下图是 CMSIS-Core Device Files 的头文件包含图：

startup_stm32g030xx.s 是程序运行的起点，使用汇编语言编写；它的主要功能为：

1. 定义中断向量表。
2. 定义弱中断服务函数为死循环，使中断触发时，能正确跳转。
3. 调用 SystemInit() 函数。
4. 将数据段的内容从 Flash 复制到 SRAM。
5. 调用 __libc_init_array() 函数，初始化全局变量和静态对象。
6. 调用 main() 函数。

由于启动文件使用汇编语言编写，不同的编译器汇编语法不同，所以 STM32Cube MCU Package 提供了三种启动程序模板，分别对应的编译器与 IDE：

编译器	IDE
ARM	RealView Microcontroller Development Kit(MDK-ARM)
GCC	STM32CubeIDE
IAR	IAR(EWARM)

system_stm32g0xx.c 提供 SystemInit()，正常来说该函数应初始化系统时钟、外部存储等配置、自定义中断向量表地址等系统初始化配置；但对于最小系统来说，它可以为空。

stm32g0xx.h 是简单的设备路由。stm32g030xx.h 定义外围设备寄存器地址、寄存器结构，并包含 core_cm0plus.h 内部设备和寄存器定义，所以该文件是用户直接进行寄存器操作的基础，也是 LL 和 HAL 库的基础。

• 【文档】CMSIS-Core Device Files
• 【源码】cmsis-device-g0

Drivers/STM32G0xx_HAL_Driver

内含设备的 HAL 和 LL 驱动，主要用于操作外围设备，并进一步封装了 Cortex 内部设备操作函数。前者 HAL 接口规范确保在 STM32 产品组合中实现最大程度的可移植性；后者 LL 接口确保高性能，用于替代早期的 SPL 标准外设库。以下是英文缩写全称：

• HAL：Hardware Abstraction Layer，硬件抽象层；
• LL：Low-Layer，底层；
• SPL：Standard Peripheral Libraries，标准外设库；因不利于 STM32 产品间移植，已被更高抽象层 HAL 替代；或者被性能更优的 LL 替代。

其实 CMSIS-Driver 定义了外设接口规范，这样中间件可以很轻松的对接这些外设。但 ST 并没有遵循该接口规范，而是自定义了 HAL 接口规范；初步怀疑是 CMSIS-Driver 规范限制了 ST 外设特有的功能，所以 ST 自己构建 HAL 接口，使其外设能发挥最佳状态。

HAL 与 LL 的调用图如下：

1. stm32g0xx_hal_def.h：统一 HAL 库内部所需的所有底层头文件。
2. stm32g0xx_hal_conf.h：定义需要使用哪些外设，缩小编译大小；该文件需要用户定义。
3. stm32g0xx_hal_foo.h：某一外设对外提供的操作函数。
4. stm32g0xx_hal.h：定义 HAL 外部接口，包括所有 HAL 函数声明。

• 【源码】stm32g0xx-hal-driver

Drivers/BSP

板级支持包。

Middlewares

中间件，这里主要是对接 STM32 HAL 接口、和硬件无关的软件协议栈或操作系统。对接 CMISI 接口的中间件在 Drivers/CMSIS/ 文件夹中。

Projects

项目工程，可以直接使用 IDE 编译后烧录到 MCU 中。

1. Template：允许用户在模板上快速构建应用程序，main 为一个死循环。
2. Examples_LL：使用 LL 驱动程序，每个外设均有一个工程示例。
3. Examples：使用 HAL 和 BSP 驱动程序，每个外设均有一个工程示例。
4. Applications：使用中间件的例子，每个中间件均有一个工程示例。
5. Demonstrations：出厂时带有最大数量外设和中间件的程序，用于展示产品功能和性能。

参考资料

1. 【官网】STM32Cube
2. 【主页】STM32CubeG0