基于CMSIS標準的Cortex-M3的應用軟件開發(fā)

　　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_．h和system_．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(shè)備，如MCU、中斷優(yōu)先級位數(shù)以及SysTick時鐘配置。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)，實現(xiàn)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(shù)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(tǒng)異常向量號必須為負值，而設(shè)備的中斷向量號是從0開始遞增，具體的定義如下所示(以STM32為例)：

CMSIS對系統(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現(xiàn)時不出現(xiàn)重復定義的錯誤。這些處理函數(shù)的地址用來填充中斷異常向量表，并在啟動代碼中給以聲明，例如：NMI_Handler、MemManage_Handler、SysTick_Handler、WWDG_IRQHandler等。

CMSIS對系統(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現(xiàn)時不出現(xiàn)重復定義的錯誤。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對數(shù)據(jù)類型的定義是在stdint．h中完成的，對核寄存器結(jié)構(gòu)體的定義是在core_cm3．h中完成的，寄存器的訪問權(quán)限是通過相應的標識來指示的。CMSIS定義以下3種標識符來指定訪問權(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上的超級終端來查看調(diào)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://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/Cortex-M3">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實現(xiàn)了32個通用的數(shù)據(jù)通道，基于這樣的實現(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)標準。MIRSA-C 2004制定了一系列安全機制用來保證驅(qū)動層軟件的安全性，是嵌入式行業(yè)都應遵循的標準。對于不符合MISRA標準的，編譯器會提示錯誤或警告，這主要取決于開發(fā)者所使用的工具鏈。

3 基于CMSIS標準的代碼實現(xiàn)

CMSIS降低了代碼開發(fā)的難度，為了更好地詮釋這一點，下面以一個基于STM32微處理器的簡單例子來說明。代碼實現(xiàn)如下：

可以看到用戶程序中僅需短短的幾行代碼就實現(xiàn)了定時器的功能，每隔1 S報數(shù)1次，并可通過ITM窗口查看輸出的調(diào)試信息。其中SystemInit()用來初始化時鐘，SysTick_Config()用來配置系統(tǒng)定時器，而SysTick_Han-dler()用來處理系統(tǒng)時鐘異常，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標準的軟件架構(gòu)、規(guī)范，并通過一個實例更加清晰地解讀了CMSIS作為一個新的基于Cortex-M核處理器系列的軟件開發(fā)標準所具有的巨大潛力。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標準，對進行基于Cortex-M3處理器的軟件開發(fā)會大有幫助。