基于CMSIS标准的Cortex-M3的应用软件开发

引 言

　　ARM公司于2008年11月12日发布了ARM Cortex微控制器软件接口标准(CMSIS：Cortex Microcon-troller Software InteRFace Standard)。CMSIS是独立于供应商的Cortex-M处理器系列硬件抽象层，为芯片厂商和中间件供应商提供了连续的、简单的处理器软件接口，简化了软件复用，降低了Cortex-M3上操作系统的移植难度，并缩短了新入门的微控制器开发者的学习时间和新产品的上市时间。

　　根据近期的调查研究，软件开发已经被嵌入式行业公认为最主要的开发成本。图1为近年来软件开发与硬件开发成本对比图。因此，ARM与Atmel、IAR、Keil、hami-nary Micro、Micrium、NXP、SEGGER和ST等诸多芯片和软件厂商合作，将所有Cortex芯片厂商产品的软件接口标准化，制定了CMSIS标准。此举意在降低软件开发成本，尤其针对新设备项目开发，或者将已有软件移植到其他芯片厂商提供的基于Cortex处理器的微控制器的情况。有了该标准，芯片厂商就能够将他们的资源专注于产品外设特性的差异化，并且消除对微控制器进行编程时需要维持的不同的、互相不兼容的标准的需求，从而达到降低开发成本的目的。

　　1 基于CMSIS标准的软件架构

　　如图2所示，基于CMSIS标准的软件架构主要分为以下4层：用户应用层、操作系统及中间件接口层、CMSIS层、硬件寄存器层。其中CMSIS层起着承上启下的作用：一方面该层对硬件寄存器层进行统一实现，屏蔽了不同厂商对Cortex-M系列微处理器核内外设寄存器的不同定义；另一方面又向上层的操作系统及中间件接口层和应用层提供接口，简化了应用程序开发难度，使开发人员能够在完全透明的情况下进行应用程序开发。也正是如此，CMSIS层的实现相对复杂。

　　CMSIS层主要分为3部分。

　　①核内外设访问层(CPAL)：由ARM负责实现。包括对寄存器地址的定义，对核寄存器、NVIC、调试子系统的访问接口定义以及对特殊用途寄存器的访问接口(如CONTROL和xPSR)定义。由于对特殊寄存器的访问以内联方式定义，所以ARM针对不同的编译器统一用_INLINE来屏蔽差异。该层定义的接口函数均是可重入的。

　　②中间件访问层(MWAL)：由ARM负责实现，但芯片厂商需要针对所生产的设备特性对该层进行更新。该层主要负责定义一些中间件访问的API函数，例如为TCP／IP协议栈、SD／MMC、USB协议以及实时操作系统的访问与调试提供标准软件接口。该层在1．1标准中尚未实现。

　　③设备外设访问层(DPAL)：由芯片厂商负责实现。该层的实现与CPAL类似，负责对硬件寄存器地址以及外设访问接口进行定义。该层可调用CPAL层提供的接口函数，同时根据设备特性对异常向量表进行扩展，以处理相应外设的中断请求。

　　2 CMSIS规范

　　(1)文件结构

　　CMSIS的文件结构如图3所示(以STM32为例)。其中stdint．h包括对8位、16位、32位等类型指示符的定义，主要用来屏蔽不同编译器之前的差异。core_cm3．h和core_cm3．C中包括Cortex_M3核的全局变量声明和定义，并定义一些静态功能函数。system_．h和system_．c(即图3中的system_stm32．h和system_stm32．c)是不同芯片厂商定义的系统初始化函数SystemInit()，以及一些指示时钟的变量(如SystemFre-quency)。．h(即图3中的stm32．h)是提供给应用程序的头文件，它包含core_cm3．h和system_．h，定义了与特定芯片厂商相关的寄存器以及各中断异常号，并可定制M3核中的特殊设备，如MCU、中断优先级位数以及SysTick时钟配置。虽然CMSIS提供的文件很多，但在应用程序中只需包含h。

　　(2)工具链

　　CMSIS支持目前嵌入式开发的三大主流工具链，即ARM ReakView(armcc)、IAR EWARM(iccarm)以及GNU工具链(gcc)。通过在core_cm3．C中的如下定义，来屏蔽一些编译器内置关键字的差异。

　　这样，CPAL中的功能函数就可以被定义成静态内联类型(static_INLINE)，实现编译优化。

　　(3)中断异常

　　CMSIS对异常和中断标识符、中断处理函数名以及中断向量异常号都有严格的要求。异常和中断标识符需加后缀_IRQn，系统异常向量号必须为负值，而设备的中断向量号是从0开始递增，具体的定义如下所示(以STM32为例)：

CMSIS对系统异常处理函数以及普通的中断处理函数名的定义也有所不同。系统异常处理函数名需加后缀_Handler，而普通中断处理函数名则加后缀_IRQHandler。这些异常中断处理函数被定义为weak属性，以便在其他的文件中重新实现时不出现重复定义的错误。这些处理函数的地址用来填充中断异常向量表，并在启动代码中给以声明，例如：NMI_Handler、MemManage_Handler、SysTick_Handler、WWDG_IRQHandler等。

CMSIS对系统异常处理函数以及普通的中断处理函