ST, NXP, Renesas三家固件包設(shè)計(jì)對(duì)比

大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是瑞薩RA系列FSP固件庫里的外設(shè)驅(qū)動(dòng)。

上一篇文章痞子衡帶大家快速體驗(yàn)了一下瑞薩 MCU 開發(fā)三大件（開發(fā)環(huán)境e2 studio、軟件包FSP、評(píng)估板EK），其中軟件包 FSP 為何不叫更通用的 SDK，痞子衡特地留了伏筆，今天就讓我們分析一下這個(gè) FSP 到底是什么來頭？（本篇主要分析其中外設(shè)驅(qū)動(dòng)部分）

一、固件包架構(gòu)對(duì)比

我們嘗試對(duì)比意法半導(dǎo)體、恩智浦以及瑞薩三家的固件包來看看它們的架構(gòu)差異。

1.1 ST STM32Cube MCU Packages

首先來看在固件包生態(tài)上建立得比較早的意法半導(dǎo)體，它家固件包全稱 STM32Cube MCU Packages，從下往上一共四層（MCU硬件、BSP&HAL驅(qū)動(dòng)、Middleware、App），另外 CMSIS 地位與 Milddeware 平齊，說明意法認(rèn)為 CMSIS 是相對(duì)通用的中間層代碼。

其中我們主要關(guān)注 BSP 和 HAL 驅(qū)動(dòng)，BSP 即板級(jí)器件（比如 Codec、各種傳感器等）相關(guān)的驅(qū)動(dòng)，HAL 則是 MCU 片內(nèi)外設(shè)驅(qū)動(dòng)，在意法架構(gòu)里 BSP 和 HAL 是相同的層級(jí)，但其實(shí)我們知道 BSP 功能也要基于 HAL 驅(qū)動(dòng)來具體實(shí)現(xiàn)。

關(guān)于這里的 HAL 驅(qū)動(dòng)，有必要多展開一些，最早期的時(shí)候意法半導(dǎo)體主推得是標(biāo)準(zhǔn)庫（Standard Peripheral Libraries，簡稱 SPL），目前已經(jīng)不再維護(hù)更新，現(xiàn)在主推 HAL 庫（Hardware Abstraction Layer）和 LL 庫（Low-Layer），所以架構(gòu)圖里 HAL 實(shí)際上是統(tǒng)指 HAL 庫和 LL 庫，三者關(guān)系簡單理解就是 SPL = HAL + LL。

底層庫文件：xxxMCU_ll_xxxPeripheral.c/h，提供的 API 主要是對(duì)于片內(nèi)外設(shè)寄存器的單一設(shè)置操作，API 命名為 LL_PERIPHERAL_xxxAction()
???????????原型示例：ErrorStatus LL_USART_Init(USART_TypeDef *USARTx, LL_USART_InitTypeDef *USART_InitStruct)
抽象層文件：xxxMCU_hal_xxxPeripheral.c/h，提供的 API 主要是對(duì)于片內(nèi)外設(shè)具體功能的綜合操作，API 命名為 HAL_PERIPHERAL_xxxFunc()
???????????原型示例：HAL_StatusTypeDef HAL_USART_Init(USART_HandleTypeDef *husart)
標(biāo)準(zhǔn)庫文件：xxxMCU_xxxPeripheral.c/h，提供的 API 同時(shí)包含上述 LL 和 HAL 功能（但是實(shí)現(xiàn)豐富度稍低），API 命名為 PERIPHERAL_xxxFunc/Action()
???????????原型示例：void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct)

1.2 NXP MCUXpresso-SDK

再來看痞子衡東家恩智浦半導(dǎo)體，固件包全稱 MCUXpresso-SDK，從下往上一共五層（MCU硬件、CMSIS、HAL驅(qū)動(dòng)、Middleware&BSP、App），這樣的分層方式其實(shí)是 ARM 公司比較推薦的，與意法見解不同的是，這里 CMSIS 緊靠 MCU 硬件層，顯然恩智浦認(rèn)為 CMSIS 也是底層基礎(chǔ)代碼。

恩智浦架構(gòu)里 BSP 和 HAL 不在同一層，清晰地表明了 BSP 是在 HAL 基礎(chǔ)之上的代碼。恩智浦的 HAL 驅(qū)動(dòng)比較像意法半導(dǎo)體的早期標(biāo)準(zhǔn)庫 SPL，但是 API 功能豐富度遠(yuǎn)超 SPL。

抽象層文件：fsl_xxxPeripheral.c/h，提供的 API 同時(shí)包含片內(nèi)外設(shè)寄存器的單一設(shè)置操作以及外設(shè)具體功能的綜合操作，API 命名為 PERIPHERAL_xxxFunc/Action()
???????????原型示例：status_t LPUART_Init(LPUART_Type *base, const lpuart_config_t *config, uint32_t srcClock_Hz);

1.3 Renesas RA FSP

最后來看瑞薩家的 FSP，沒有表現(xiàn)出明顯的層次結(jié)構(gòu)，但是能看出瑞薩架構(gòu)里 BSP 和 HAL 不在同一層，且 BSP 在 HAL 之下。這里的 BSP 也包含了 CMSIS，顯然瑞薩認(rèn)為 BSP 既包含了 MCU 內(nèi)核相關(guān)基礎(chǔ)硬件也包含板級(jí)器件硬件驅(qū)動(dòng)。

瑞薩 HAL 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)得比較有意思，不同于意法以及恩智浦，它對(duì)于外設(shè)功能抽象更為看重（也可以理解為更面向?qū)ο螅?，為此額外創(chuàng)建了一個(gè) r_xxxModule_api.h 文件，里面定義了 API 原型，原型重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)外設(shè)的通用功能行為，而忽略具體外設(shè)的操作細(xì)節(jié)和差異，這個(gè)我們下一節(jié)會(huì)細(xì)聊。

抽象層文件：r_xxxModule_api.h，定義統(tǒng)一的外設(shè)模塊驅(qū)動(dòng) API 原型結(jié)構(gòu)體，適用于同類功能的不同外設(shè)情況（比如 UART 功能既可能是 SCI_USART 也可能是 SCI_UART 或者其它）
???????????r_xxxPeripheral.c/h，提供的?API?主要包含片內(nèi)外設(shè)具體功能的綜合操作，API?命名為?R_PERIPHERAL_xxxFunc()
???????????原型示例：fsp_err_t R_SCI_B_UART_Open (uart_ctrl_t * const p_api_ctrl, uart_cfg_t const * const p_cfg)

二、FSP里的外設(shè)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

在上篇文章示例工程 lpm_ek_ra8m1_ep 里，我們發(fā)現(xiàn)有如下 ra 文件夾，這就是 FSP 包相關(guān)的源文件，我們結(jié)合具體源文件來分析：

2.1 頭文件與啟動(dòng)文件

首先在系統(tǒng)文件（頭文件與啟動(dòng)文件）命名上，三家小有差異，不過差異最大的是型號(hào)頭文件里的外設(shè)寄存器定義，這和后面的 HAL 驅(qū)動(dòng)里代碼實(shí)現(xiàn)息息相關(guān)。

在頭文件里的外設(shè)寄存器原型定義上，意法和恩智浦是一致的，每個(gè)寄存器均用一個(gè) uint32_t 類型存儲(chǔ)，而瑞薩則用聯(lián)合體(union)來存儲(chǔ)每個(gè)寄存器，這樣不僅能整體訪問該寄存器，還能按 bit field 訪問寄存器中的具體功能位。

除此以外，三家均為外設(shè)寄存器的單/多 bit 功能位做了 mask 和 pos 定義便于代碼做相關(guān)位操作。而為了便于對(duì)多 bit 功能位區(qū)域的賦值，恩智浦和意法還有額外定義（以達(dá)到瑞薩用 union 定義外設(shè)寄存器原型的效果）。

xxxPERIPHERAL_xxxREGISTER_xxxFunc_Msk/MASK
xxxPERIPHERAL_xxxREGISTER_xxxFunc_Pos/SHIFT
// 恩智浦額外定義了如下宏用于賦值多 bit 功能位區(qū)域
xxxPERIPHERAL_xxxREGISTER_xxxFunc()
// 意法則直接用多個(gè)宏來輔助置位多 bit 功能位區(qū)域的每一位
xxxPERIPHERAL_xxxREGISTER_xxxFunc
xxxPERIPHERAL_xxxREGISTER_xxxFunc_0
xxxPERIPHERAL_xxxREGISTER_xxxFunc_1
...

2.2 HAL驅(qū)動(dòng)文件

關(guān)于 HAL 驅(qū)動(dòng)本身代碼結(jié)構(gòu)部分，我們主要分析三家 API 第一個(gè)形參定義即可知主要差別，其中恩智浦和意法 LL 庫均是指向外設(shè)原型結(jié)構(gòu)體的指針，而意法 HAL 庫和瑞薩則是指向自定義外設(shè)控制塊的指針，前者偏底層，后者偏應(yīng)用層。
。

前面痞子衡說了瑞薩多了一個(gè) r_xxxModule_api.h 文件，我們就以 SCI 外設(shè)為例，其對(duì)應(yīng) r_uart_api.h 文件，該文件里定義了如下標(biāo)準(zhǔn) API 動(dòng)作集，這些動(dòng)作不太像一般的外設(shè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)名（比如 init, deinit 等），更像是應(yīng)用層動(dòng)作。

/**?Shared?Interface?definition?for?UART?*/
typedef?struct?st_uart_api
{
????fsp_err_t?(*?open)(uart_ctrl_t?*?const?p_ctrl,?uart_cfg_t?const?*?const?p_cfg);
????fsp_err_t?(*?read)(uart_ctrl_t?*?const?p_ctrl,?uint8_t?*?const?p_dest,?uint32_t?const?bytes);
????fsp_err_t?(*?write)(uart_ctrl_t?*?const?p_ctrl,?uint8_t?const?*?const?p_src,?uint32_t?const?bytes);
????fsp_err_t?(*?baudSet)(uart_ctrl_t?*?const?p_ctrl,?void?const?*?const?p_baudrate_info);
????fsp_err_t?(*?infoGet)(uart_ctrl_t?*?const?p_ctrl,?uart_info_t?*?const?p_info);
????fsp_err_t?(*?communicationAbort)(uart_ctrl_t?*?const?p_ctrl,?uart_dir_t?communication_to_abort);
????fsp_err_t?(*?callbackSet)(uart_ctrl_t?*?const?p_ctrl,?void?(*?p_callback)(uart_callback_args_t?*),
??????????????????????????????void?const?*?const?p_context,?uart_callback_args_t?*?const?p_callback_memory);
????fsp_err_t?(*?close)(uart_ctrl_t?*?const?p_ctrl);
????fsp_err_t?(*?readStop)(uart_ctrl_t?*?const?p_ctrl,?uint32_t?*?remaining_bytes);
}?uart_api_t;

而在 r_sci_b_uart.c 文件里，將基于 SCI 外設(shè)實(shí)現(xiàn)的 UART 驅(qū)動(dòng)函數(shù)對(duì) uart_api_t 做了實(shí)例化，這樣上層應(yīng)用可以僅調(diào)用 uart_api_t 里的接口實(shí)現(xiàn)具體功能，而不必在意這些接口具體由哪個(gè)類型的外設(shè)來實(shí)現(xiàn)的。這樣設(shè)計(jì)的好處是便于代碼跨外設(shè)（跨MCU），移植起來方便，缺點(diǎn)是限制了 API 豐富度，難以展現(xiàn)外設(shè)間的差異化特性。

/*?UART?on?SCI?HAL?API?mapping?for?UART?interface?*/
const?uart_api_t?g_uart_on_sci_b?=
{
????.open???????????????=?R_SCI_B_UART_Open,
????.close??????????????=?R_SCI_B_UART_Close,
????.write??????????????=?R_SCI_B_UART_Write,
????.read???????????????=?R_SCI_B_UART_Read,
????.infoGet????????????=?R_SCI_B_UART_InfoGet,
????.baudSet????????????=?R_SCI_B_UART_BaudSet,
????.communicationAbort?=?R_SCI_B_UART_Abort,
????.callbackSet????????=?R_SCI_B_UART_CallbackSet,
????.readStop???????????=?R_SCI_B_UART_ReadStop,
};

至此，瑞薩RA系列FSP固件庫里的外設(shè)驅(qū)動(dòng)痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~