基于CMSIS標準的Cortex-M3的應用軟件開(kāi)發(fā)

　　2 CMSIS規范

　　(1)文件結構

　　CMSIS的文件結構如圖3所示(以STM32為例)。其中stdint．h包括對8位、16位、32位等類(lèi)型指示符的定義，主要用來(lái)屏蔽不同編譯器之前的差異。core_cm3．h和core_cm3．C中包括Cortex_M3核的全局變量聲明和定義，并定義一些靜態(tài)功能函數。system_．h和system_．c(即圖3中的system_stm32．h和system_stm32．c)是不同芯片廠(chǎng)商定義的系統初始化函數SystemInit()，以及一些指示時(shí)鐘的變量(如SystemFre-quency)。．h(即圖3中的stm32．h)是提供給應用程序的頭文件，它包含core_cm3．h和system_．h，定義了與特定芯片廠(chǎng)商相關(guān)的寄存器以及各中斷異常號，并可定制M3核中的特殊設備，如MCU、中斷優(yōu)先級位數以及SysTick時(shí)鐘配置。雖然CMSIS提供的文件很多，但在應用程序中只需包含h。

　　(2)工具鏈

　　CMSIS支持目前嵌入式開(kāi)發(fā)的三大主流工具鏈，即ARM ReakView(armcc)、IAR EWARM(iccarm)以及GNU工具鏈(gcc)。通過(guò)在core_cm3．C中的如下定義，來(lái)屏蔽一些編譯器內置關(guān)鍵字的差異。

　　這樣，CPAL中的功能函數就可以被定義成靜態(tài)內聯(lián)類(lèi)型(static_INLINE)，實(shí)現編譯優(yōu)化。

　　(3)中斷異常

　　CMSIS對異常和中斷標識符、中斷處理函數名以及中斷向量異常號都有嚴格的要求。異常和中斷標識符需加后綴_IRQn，系統異常向量號必須為負值，而設備的中斷向量號是從0開(kāi)始遞增，具體的定義如下所示(以STM32為例)：

CMSIS對系統異常處理函數以及普通的中斷處理函數名的定義也有所不同。系統異常處理函數名需加后綴_Handler，而普通中斷處理函數名則加后綴_IRQHandler。這些異常中斷處理函數被定義為weak屬性，以便在其他的文件中重新實(shí)現時(shí)不出現重復定義的錯誤。這些處理函數的地址用來(lái)填充中斷異常向量表，并在啟動(dòng)代碼中給以聲明，例如：NMI_Handler、MemManage_Handler、SysTick_Handler、WWDG_IRQHandler等。

CMSIS對系統異常處理函數以及普通的中斷處理函數名的定義也有所不同。系統異常處理函數名需加后綴_Handler，而普通中斷處理函數名則加后綴_IRQHandler。這些異常中斷處理函數被定義為weak屬性，以便在其他的文件中重新實(shí)現時(shí)不出現重復定義的錯誤。這些處理函數的地址用來(lái)填充中斷異常向量表，并在啟動(dòng)代碼中給以聲明，例如：NMI_Handler、MemManage_Handler、SysTick_Handler、WWDG_IRQHandler等。

(4)數據類(lèi)型

CMSIS對數據類(lèi)型的定義是在stdint．h中完成的，對核寄存器結構體的定義是在core_cm3．h中完成的，寄存器的訪(fǎng)問(wèn)權限是通過(guò)相應的標識來(lái)指示的。CMSIS定義以下3種標識符來(lái)指定訪(fǎng)問(wèn)權限：_I(volatile const)、_O(volatile)和_IO(volatile)。其中_I用來(lái)指定只讀權限，_O指定只寫(xiě)權限，_IO指定讀寫(xiě)權限。

(5)調 試

嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中的一個(gè)基本需求就是能通過(guò)終端來(lái)輸出調試信息，一般可通過(guò)2種方式實(shí)現：一種是使用串口線(xiàn)連接板上的UART和PC上的COM口，通過(guò)PC上的超級終端來(lái)查看調試信息；另一種則是采用半主機機制，但有可能不被所用的工具鏈支持?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/Cortex-M3">Cortex-M3核的軟件調試突破了這樣的限制，Cortex-M3內核提供了一個(gè)ITM(Instrumentation Trace Macrocell)接口，通過(guò)SWV(Serial Wire Viewer)可調試由SWO引腳接收到的ITM數據。ITM實(shí)現了32個(gè)通用的數據通道，基于這樣的實(shí)現，CMSIS規定用通道0作為終端來(lái)輸出調試信息，通道31用于操作系統的輸出調試(特權模式訪(fǎng)問(wèn))。在core_cm3．h中定義了ITM_SendChar()函數，因此可通過(guò)調用該函數來(lái)重寫(xiě)fputc，以在應用程序中通過(guò)printf打印調試信息，并可通過(guò)ITM Viewer查看這些調試信息。有了這樣的實(shí)現，嵌入式軟件開(kāi)發(fā)者就可以在不配置串口和使用終端調試軟件的情況下輸出調試信息，在一定程度上減少了工作量。

(6)安全機制

在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，代碼的安全性和健壯性一直是開(kāi)發(fā)人員所關(guān)注的，因此CMSIS在這方面也作出了努力，所有的CMSIS代碼都基于MISRA-C2004(Motor Industry Software Reliability Association forthe C programming language)標準。MIRSA-C 2004制定了一系列安全機制用來(lái)保證驅動(dòng)層軟件的安全性，是嵌入式行業(yè)都應遵循的標準。對于不符合MISRA標準的，編譯器會(huì )提示錯誤或警告，這主要取決于開(kāi)發(fā)者所使用的工具鏈。

3 基于CMSIS標準的代碼實(shí)現

CMSIS降低了代碼開(kāi)發(fā)的難度，為了更好地詮釋這一點(diǎn)，下面以一個(gè)基于STM32微處理器的簡(jiǎn)單例子來(lái)說(shuō)明。代碼實(shí)現如下：

可以看到用戶(hù)程序中僅需短短的幾行代碼就實(shí)現了定時(shí)器的功能，每隔1 S報數1次，并可通過(guò)ITM窗口查看輸出的調試信息。其中SystemInit()用來(lái)初始化時(shí)鐘，SysTick_Config()用來(lái)配置系統定時(shí)器，而SysTick_Han-dler()用來(lái)處理系統時(shí)鐘異常，該異常每1 ms發(fā)生1次。由于重寫(xiě)了fputc()，所以可通過(guò)printf()函數將調試信息打印到ITM窗口上，輸出結果如圖4所示。

結 語(yǔ)

本文闡述了基于CMSIS標準的軟件架構、規范，并通過(guò)一個(gè)實(shí)例更加清晰地解讀了CMSIS作為一個(gè)新的基于Cortex-M核處理器系列的軟件開(kāi)發(fā)標準所具有的巨大潛力。它不僅降低了軟件開(kāi)發(fā)的難度，更減少了軟件開(kāi)發(fā)的成本。因此，工程師盡早掌握CMSIS標準，對進(jìn)行基于Cortex-M3處理器的軟件開(kāi)發(fā)會(huì )大有幫助。