基于CMSIS標(biāo)準(zhǔn)的ARM Cortex-M3應(yīng)用軟件開發(fā)
摘要： CMSIS是獨(dú)立于供應(yīng)商的Cortex-M處理器系列硬件抽象層,，為芯片廠商和中間件供應(yīng)商提供了連續(xù)的,、簡(jiǎn)單的處理器軟件接口,，簡(jiǎn)化了軟件復(fù)用,，降低了Cortex-M3上操作系統(tǒng)的移植難度,，并縮短了新入門的微控制器開發(fā)者的學(xué)習(xí)時(shí)間和新產(chǎn)品的上市時(shí)間,。
Abstract：
Key words :
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(biāo)準(zhǔn)(CMSIS：Cortex Microcon-troller Software InteRFace Standard),。CMSIS是獨(dú)立于供應(yīng)商的Cortex-M處理器系列硬件抽象層,，為芯片廠商和中間件供應(yīng)商提供了連續(xù)的,、簡(jiǎn)單的處理器軟件接口，簡(jiǎn)化了軟件復(fù)用,，降低了Cortex-M3上操作系統(tǒng)的移植難度,，并縮短了新入門的微控制器開發(fā)者的學(xué)習(xí)時(shí)間和新產(chǎn)品的上市時(shí)間。
根據(jù)近期的調(diào)查研究,，軟件開發(fā)已經(jīng)被嵌入式行業(yè)公認(rèn)為最主要的開發(fā)成本,。圖1為近年來軟件開發(fā)與硬件開發(fā)成本對(duì)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商合作,，將所有Cortex芯片廠商產(chǎn)品的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)化，制定了CMSIS標(biāo)準(zhǔn),。此舉意在降低軟件開發(fā)成本,，尤其針對(duì)新設(shè)備項(xiàng)目開發(fā)，或者將已有軟件移植到其他芯片廠商提供的基于Cortex處理器的微控制器的情況,。有了該標(biāo)準(zhǔn),，芯片廠商就能夠?qū)⑺麄兊馁Y源專注于產(chǎn)品外設(shè)特性的差異化，并且消除對(duì)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(biāo)準(zhǔn)的需求,，從而達(dá)到降低開發(fā)成本的目的,。
1 基于CMSIS標(biāo)準(zhǔn)的軟件架構(gòu)
如圖2所示，基于CMSIS標(biāo)準(zhǔn)的軟件架構(gòu)主要分為以下4層：用戶應(yīng)用層,、操作系統(tǒng)及中間件接口層,、CMSIS層、硬件寄存器層,。其中CMSIS層起著承上啟下的作用：一方面該層對(duì)硬件寄存器層進(jìn)行統(tǒng)一實(shí)現(xiàn),，屏蔽了不同廠商對(duì)Cortex-M系列微處理器核內(nèi)外設(shè)寄存器的不同定義；另一方面又向上層的操作系統(tǒng)及中間件接口層和應(yīng)用層提供接口,，簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序開發(fā)難度,，使開發(fā)人員能夠在完全透明的情況下進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)。也正是如此,，CMSIS層的實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜,。
CMSIS層主要分為3部分。
?、俸藘?nèi)外設(shè)訪問層(CPAL)：由ARM負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn),。包括對(duì)寄存器地址的定義，對(duì)核寄存器,、NVIC,、調(diào)試子系統(tǒng)的訪問接口定義以及對(duì)特殊用途寄存器的訪問接口(如CONTROL和xPSR)定義。由于對(duì)特殊寄存器的訪問以內(nèi)聯(lián)方式定義,，所以arm針對(duì)不同的編譯器統(tǒng)一用_INLINE來屏蔽差異。該層定義的接口函數(shù)均是可重入的,。
?、谥虚g件訪問層(MWAL)：由arm負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)，但芯片廠商需要針對(duì)所生產(chǎn)的設(shè)備特性對(duì)該層進(jìn)行更新,。該層主要負(fù)責(zé)定義一些中間件訪問的API函數(shù),，例如為TCP／IP協(xié)議棧、SD／MMC,、USB協(xié)議以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的訪問與調(diào)試提供標(biāo)準(zhǔn)軟件接口,。該層在1．1標(biāo)準(zhǔn)中尚未實(shí)現(xiàn)。
?、墼O(shè)備外設(shè)訪問層(DPAL)：由芯片廠商負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn),。該層的實(shí)現(xiàn)與CPAL類似，負(fù)責(zé)對(duì)硬件寄存器地址以及外設(shè)訪問接口進(jìn)行定義,。該層可調(diào)用CPAL層提供的接口函數(shù),，同時(shí)根據(jù)設(shè)備特性對(duì)異常向量表進(jìn)行擴(kuò)展，以處理相應(yīng)外設(shè)的中斷請(qǐng)求,。
2 CMSIS規(guī)范
(1)文件結(jié)構(gòu)
CMSIS的文件結(jié)構(gòu)如圖3所示(以STM32為例),。其中stdint．h包括對(duì)8位、16位、32位等類型指示符的定義,，主要用來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(shù),。system_<device>．h和system_<device>．c(即圖3中的system_stm32．h和system_stm32．c)是不同芯片廠商定義的系統(tǒng)初始化函數(shù)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(yīng)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商相關(guān)的寄存器以及各中斷異常號(hào)，并可定制M3核中的特殊設(shè)備,，如MCU,、中斷優(yōu)先級(jí)位數(shù)以及SysTick時(shí)鐘配置。雖然CMSIS提供的文件很多,，但在應(yīng)用程序中只需包含<device．>h,。
(2)工具鏈
CMSIS支持目前嵌入式開發(fā)的三大主流工具鏈，即ARM ReakView(armcc),、IAR EWARM(iccarm)以及GNU工具鏈(gcc),。通過在core_cm3．C中的如下定義，來屏蔽一些編譯器內(nèi)置關(guān)鍵字的差異,。
這樣,，CPAL中的功能函數(shù)就可以被定義成靜態(tài)內(nèi)聯(lián)類型(static_INLINE)，實(shí)現(xiàn)編譯優(yōu)化,。
(3)中斷異常
CMSIS對(duì)異常和中斷標(biāo)識(shí)符,、中斷處理函數(shù)名以及中斷向量異常號(hào)都有嚴(yán)格的要求。異常和中斷標(biāo)識(shí)符需加后綴_IRQn,，系統(tǒng)異常向量號(hào)必須為負(fù)值,，而設(shè)備的中斷向量號(hào)是從0開始遞增，具體的定義如下所示(以STM32為例)：
CMSIS對(duì)系統(tǒng)異常處理函數(shù)以及普通的中斷處理函數(shù)名的定義也有所不同,。系統(tǒng)異常處理函數(shù)名需加后綴_Handler,，而普通中斷處理函數(shù)名則加后綴_IRQHandler。這些異常中斷處理函數(shù)被定義為weak屬性,，以便在其他的文件中重新實(shí)現(xiàn)時(shí)不出現(xiàn)重復(fù)定義的錯(cuò)誤,。這些處理函數(shù)的地址用來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(shù)據(jù)類型
CMSIS對(duì)數(shù)據(jù)類型的定義是在stdint．h中完成的,，對(duì)核寄存器結(jié)構(gòu)體的定義是在core_cm3．h中完成的，寄存器的訪問權(quán)限是通過相應(yīng)的標(biāo)識(shí)來指示的,。CMSIS定義以下3種標(biāo)識(shí)符來指定訪問權(quán)限：_I(volatile const),、_O(volatile)和_IO(volatile)。其中_I用來指定只讀權(quán)限,，_O指定只寫權(quán)限,，_IO指定讀寫權(quán)限。
(5)調(diào) 試
嵌入式軟件開發(fā)中的一個(gè)基本需求就是能通過終端來輸出調(diào)試信息,，一般可通過2種方式實(shí)現(xiàn)：一種是使用串口線連接板上的UART和PC上的COM口,，通過PC上的超級(jí)終端來查看調(diào)試信息；另一種則是采用半主機(jī)機(jī)制,，但有可能不被所用的工具鏈支持,。基于Cortex-M3核的軟件調(diào)試突破了這樣的限制,，Cortex-M3內(nèi)核提供了一個(gè)ITM(Instrumentation Trace Macrocell)接口,，通過SWV(Serial Wire Viewer)可調(diào)試由SWO引腳接收到的ITM數(shù)據(jù)。ITM實(shí)現(xiàn)了32個(gè)通用的數(shù)據(jù)通道,，基于這樣的實(shí)現(xiàn),，CMSIS規(guī)定用通道0作為終端來輸出調(diào)試信息，通道31用于操作系統(tǒng)的輸出調(diào)試(特權(quán)模式訪問),。在core_cm3．h中定義了ITM_SendChar()函數(shù),，因此可通過調(diào)用該函數(shù)來重寫fputc，以在應(yīng)用程序中通過printf打印調(diào)試信息,，并可通過ITM Viewer查看這些調(diào)試信息,。有了這樣的實(shí)現(xiàn)，嵌入式軟件開發(fā)者就可以在不配置串口和使用終端調(diào)試軟件的情況下輸出調(diào)試信息,，在一定程度上減少了工作量。
(6)安全機(jī)制
在嵌入式軟件開發(fā)過程中,，代碼的安全性和健壯性一直是開發(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(biāo)準(zhǔn),。MIRSA-C 2004制定了一系列安全機(jī)制用來保證驅(qū)動(dòng)層軟件的安全性,，是嵌入式行業(yè)都應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于不符合MISRA標(biāo)準(zhǔn)的,，編譯器會(huì)提示錯(cuò)誤或警告,，這主要取決于開發(fā)者所使用的工具鏈。
3 基于CMSIS標(biāo)準(zhǔn)的代碼實(shí)現(xiàn)
CMSIS降低了代碼開發(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)單例子來說明,。代碼實(shí)現(xiàn)如下：
可以看到用戶程序中僅需短短的幾行代碼就實(shí)現(xiàn)了定時(shí)器的功能，每隔1 S報(bào)數(shù)1次,，并可通過ITM窗口查看輸出的調(diào)試信息,。其中SystemInit()用來初始化時(shí)鐘，SysTick_Config()用來配置系統(tǒng)定時(shí)器,，而SysTick_Han-dler()用來處理系統(tǒng)時(shí)鐘異常,，該異常每1 ms發(fā)生1次。由于重寫了fputc(),，所以可通過printf()函數(shù)將調(diào)試信息打印到ITM窗口上,，輸出結(jié)果如圖4所示。
結(jié) 語
本文闡述了基于CMSIS標(biāo)準(zhǔn)的軟件架構(gòu),、規(guī)范,，并通過一個(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發(fā)標(biāo)準(zhǔn)所具有的巨大潛力。它不僅降低了軟件開發(fā)的難度,，更減少了軟件開發(fā)的成本,。因此，工程師盡早掌握CMSIS標(biāo)準(zhǔn),，對(duì)進(jìn)行基于Cortex-M3處理器的軟件開發(fā)會(huì)大有幫助,。
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