基于CMSIS標準的 Cortex-M3應用軟件開(kāi)發(fā)
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引 言
ARM公司于2008年11月12日發(fā)布了ARM Cortex微控制器軟件接口標準(CMSIS：Cortex Microcon-troller Software InteRFace Standard)。CMSIS是獨立于供應商的Cortex-M處理器系列硬件抽象層，為芯片廠(chǎng)商和中間件供應商提供了連續的、簡(jiǎn)單的處理器軟件接口，簡(jiǎn)化了軟件復用，降低了Cortex-M3上操作系統的移植難度，并縮短了新入門(mén)的微控制器開(kāi)發(fā)者的學(xué)習時(shí)間和新產(chǎn)品的上市時(shí)間。
根據近期的調查研究，軟件開(kāi)發(fā)已經(jīng)被嵌入式行業(yè)公認為最主要的開(kāi)發(fā)成本。圖1為近年來(lái)軟件開(kāi)發(fā)與硬件開(kāi)發(fā)成本對比圖。因此，ARM與Atmel、IAR、Keil、hami-nary Micro、Micrium、NXP、SEGGER和ST等諸多芯片和軟件廠(chǎng)商合作，將所有Cortex芯片廠(chǎng)商產(chǎn)品的軟件接口標準化，制定了CMSIS標準。此舉意在降低軟件開(kāi)發(fā)成本，尤其針對新設備項目開(kāi)發(fā)，或者將已有軟件移植到其他芯片廠(chǎng)商提供的基于Cortex處理器的微控制器的情況。有了該標準，芯片廠(chǎng)商就能夠將他們的資源專(zhuān)注于產(chǎn)品外設特性的差異化，并且消除對微控制器進(jìn)行編程時(shí)需要維持的不同的、互相不兼容的標準的需求，從而達到降低開(kāi)發(fā)成本的目的。
1 基于CMSIS標準的軟件架構
如圖2所示，基于CMSIS標準的軟件架構主要分為以下4層：用戶(hù)應用層、操作系統及中間件接口層、CMSIS層、硬件寄存器層。其中CMSIS層起著(zhù)承上啟下的作用：一方面該層對硬件寄存器層進(jìn)行統一實(shí)現，屏蔽了不同廠(chǎng)商對Cortex-M系列微處理器核內外設寄存器的不同定義；另一方面又向上層的操作系統及中間件接口層和應用層提供接口，簡(jiǎn)化了應用程序開(kāi)發(fā)難度，使開(kāi)發(fā)人員能夠在完全透明的情況下進(jìn)行應用程序開(kāi)發(fā)。也正是如此，CMSIS層的實(shí)現相對復雜。
CMSIS層主要分為3部分。
?、俸藘韧庠O訪(fǎng)問(wèn)層(CPAL)：由ARM負責實(shí)現。包括對寄存器地址的定義，對核寄存器、NVIC、調試子系統的訪(fǎng)問(wèn)接口定義以及對特殊用途寄存器的訪(fǎng)問(wèn)接口(如CONTROL和xPSR)定義。由于對特殊寄存器的訪(fǎng)問(wèn)以?xún)嚷?lián)方式定義，所以ARM針對不同的編譯器統一用_INLINE來(lái)屏蔽差異。該層定義的接口函數均是可重入的。
?、谥虚g件訪(fǎng)問(wèn)層(MWAL)：由ARM負責實(shí)現，但芯片廠(chǎng)商需要針對所生產(chǎn)的設備特性對該層進(jìn)行更新。該層主要負責定義一些中間件訪(fǎng)問(wèn)的API函數，例如為T(mén)CP／IP協(xié)議棧、SD／MMC、USB協(xié)議以及實(shí)時(shí)操作系統的訪(fǎng)問(wèn)與調試提供標準軟件接口。該層在1．1標準中尚未實(shí)現。
?、墼O備外設訪(fǎng)問(wèn)層(DPAL)：由芯片廠(chǎng)商負責實(shí)現。該層的實(shí)現與CPAL類(lèi)似，負責對硬件寄存器地址以及外設訪(fǎng)問(wèn)接口進(jìn)行定義。該層可調用CPAL層提供的接口函數，同時(shí)根據設備特性對異常向量表進(jìn)行擴展，以處理相應外設的中斷請求。
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_device>．h和system_device>．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)。device>．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_device>．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device．>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。
(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
(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。
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