cortex 微控制器软件接口标准

CortexCortex 微控制器软件接口标准微控制器软件接口标准

张国琛张国琛武汉理工大学 武汉理工大学 UPUP 研发中心研发中心

CMSISCMSIS• CMSIS 简介• CMSIS 架构• CMSIS 文件结构• CMSIS 支持的工具链• CMSIS 中的中断定义• CMSIS 中的编程约定• CMSIS 实例• 总结

CMSISCMSIS 的简介的简介CortexCortex 微控制器软件接口标准（微控制器软件接口标准（ Cortex Microcontroller Software Interface Standard ）是 ARM 和一些编译器厂家以及半导体厂家共同遵循的一套标准，是由 ARM 提出，专门针对 CORTEX-M 系列的标准。在该标准的约定下， ARM 和芯片厂商会提供一些通用的API 接口来访问 CORTEX 内核以及一些专用外设，以减少更换芯片以及开发工具等移植工作所带来的金钱以及时间上的消耗。只要都是基于M3 的芯片，代码均是可以复用的。

CMSISCMSIS 简介简介 根据近期的研究调查，发现在嵌入式开发领域，软件的花费在不断提高，相反硬件的花费却逐年降

低，因此嵌入式领域的公司，越来越把精力放到了软件上，但软件在更换芯片或是开发工具的更新换代中，代码的重用性不高，随着 CORTEX-M3 处理器大量投放市场， ARM 意识到建立一套软件开发标准的重要性，因此 CMSIS 应运而生。

CMSISCMSIS 的架构的架构• CMSIS 可以分为以下 3 个基本功能层• 核内外设访问层 Core Peripheral Access

Layer (CPAL)

• 中间件访问层 Middleware Access Layer (MWAL)

• 设备访问层 Device Peripheral Access Layer (DPAL)

CMSISCMSIS 架构架构• CMSIS 的架构如下图所示：

CMSIS 架构• Core Peripheral Access Layer (CPAL) 该层用来定义一些 CORTEX-M 处理器内部的一些寄存器地址以及功

能函数。如对内核寄存器， NVIC ，调试子系统的访问。一些对特殊用途寄存器的访问被定义成内联函数或是内嵌汇编的形式。

该层的实现由 ARM 提供。• Middleware Access Layer (MWAL) 该层定义访问中间件的一些通用 API ，该层也由 ARM 负责实现，但

芯片厂商需要根据自己的设备特性进行更新。目前该层仍在开发中，还没有更进一步的消息。

• Device Peripheral Access Layer (DPAL) 该层和 CPAL 层类似，用来定义一些硬件寄存器的地址以及对外设的

访问函数。另外芯片厂商还需要对异常向量表进行扩展，以实现对自己设备的中断处理。该层可引用 CPAL 层定义的地址和函数，该层由具体的芯片厂商提供。

CMSISCMSIS 文件结构文件结构• CMSIS 首先对文件名的定义给出了标准• core_cm3.h Cortex-M3 global declarations and definitions, static

function definitions• core_cm3.c Cortex-M3 global definitions• <device>.h Top-level header file (device specific). To be included by

application code.Includes core_cm3.h and system_<device>.h• system_<device>.h Device specific declarations• system_<device>.c Device specific definitions, e.g. SystemInit()

应用程序只需包含 <device>.h 即可。

以 STM32 为例，来看下相关的文件名定义，以及它们的相互关系。

由于 CORTEX-M3 有一些可选硬件如 MPU ，在 <device.h> 中包含core_cm3.h 和 system_<device>.h 时需注意以下一点，以 STM32.h为例。

/* Configuration of the Cortex-M3 Processor and Core Peripherals */#define __MPU_PRESENT 0 /*!< STM32 does not provide

a MPU present or not*/#define __NVIC_PRIO_BITS 4 /*!< STM32 uses 4 Bits for the Priority

Levels */#define __Vendor_SysTickConfig 0 /*!< Set to 1 if different SysTick

Config is used */#include "core_cm3.h" /* Cortex-M3 processor and core peripherals */#include "system_stm32.h" /* STM32 System */即需定义以上三个宏之后，在包含相应的头文件，因为这些头文件中用

到了这些宏。注意：如果 __Vendor_SysTickConfig 被定义为 1 ，则在cm3_core.h 中定义的 SysTickConfig() 将不被包含，因此厂商必须在 <device.h> 中给以实现。

CMSISCMSIS 支持的工具链支持的工具链• CMSIS 目前支持三大主流的工具链，即 ARM RealView (armcc), IAR

EWARM (iccarm), and GNU Compiler Collection (gcc). 在 core_cm3.h 中有如下定义： /* define compiler specific symbols */ #if defined ( __CC_ARM ) #define __ASM __asm /*!< asm keyword for armcc */ #define __INLINE __inline /*!< inline keyword for armcc */ #elif defined ( __ICCARM__ ) #define __ASM __asm /*!< asm keyword for iarcc */ #define __INLINE inline /*!< inline keyword for iarcc. Only avaiable in High optimization mode! */ #define __nop __no_operation /*!< no operation intrinsic in iarcc */ #elif defined ( __GNUC__ ) #define __ASM asm /*!< asm keyword for gcc */ #define __INLINE inline /*!< inline keyword for gcc #endif

MISRA-C

• CMSIS 要求定义的 API 以及编码与 MISRA- C 2004 规范兼容。MISRA-C 是由 Motor Industry Software Reliability Association提出的，意在增加代码的安全性，该规范提出了一些标准。

• 如 Rule 12. 不同名空间中的变量名不得相同。 • Rule 13. 不得使用 char, int, float, double, long 等基本类型，应该

用自己定义的类型显示表示类型的大小，如 CHAR8, UCHAR8, INT16, INT32, FLOAT32, LONG64, ULONG64 等。

• Rule 37. 不得对有符号数施加位操作，例如 1 << 4 将被禁止，必须写 1UL << 4;

CMSISCMSIS 中的中断定义中的中断定义中断号的定义，在 <device.h> 中typedef enum IRQn{/****** Cortex-M3 Processor Exceptions Numbers ***** 、NonMaskableInt_IRQn = -14, /*!< 2 Non Maskable Interrupt */MemoryManagement_IRQn = -12, /*!< 4 Cortex-M3 Memory Mgmt Interrupt */BusFault_IRQn = -11, /*!< 5 Cortex-M3 Bus Fault Interrupt */UsageFault_IRQn = -10, /*!< 6 Cortex-M3 Usage Fault Interrupt */SVCall_IRQn = -5, /*!< 11 Cortex-M3 SV Call Interrupt */DebugMonitor_IRQn = -4, /*!< 12 Cortex-M3 Debug Monitor Interrupt */PendSV_IRQn = -2, /*!< 14 Cortex-M3 Pend SV Interrupt */SysTick_IRQn = -1, /*!< 15 Cortex-M3 System Tick Interrupt *//****** Device specific Interrupt Numbers ***************************************/UART_IRQn = 0, /*!< Example Interrupt */} IRQn_Type;系统级的异常号已经确定，不能更改，且必须为负值，以和设备相关的中断区别。

CMSISCMSIS 的中断定义的中断定义中断处理函数的定义，一般在启动代码中声明，加入 weak 属性，因此可在其他文件中再一次实现。如下所示：• AREA RESET, DATA, READONLY• EXPORT __Vectors

• __Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack• DCD Reset_Handler ; Reset Handler• DCD NMI_Handler ; NMI Handler• DCD HardFault_Handler ; Hard Fault Handler• DCD MemManage_Handler ; MPU Fault Handler• DCD BusFault_Handler ; Bus Fault Handler• DCD UsageFault_Handler ; Usage Fault Handler• DCD 0 ; Reserved• DCD 0 ; Reserved• DCD 0 ; Reserved• DCD 0 ; Reserved• DCD SVC_Handler ; SVCall Handler• DCD DebugMon_Handler ; Debug Monitor Handler• DCD 0 ; Reserved• DCD PendSV_Handler ; PendSV Handler• DCD SysTick_Handler ; SysTick Handler

• ; External Interrupts• DCD WWDG_IRQHandler ; Window Watchdog

CMSISCMSIS 的编程约定的编程约定1. 标识符Core Registers, Peripheral Registers, CPU Instructions. 用大写字母定义例如： NVIC->AIRCR, GPIOB, LDMIAEQ外设访问函数以及中断和中断处理函数用大小写（“ CamelCase ）定义例如： SysTickConfig(),DebugMonitor_IRQn对一些外设的操作函数前面讲相应的前缀例如： ITM_SendChar(),NVIC_SystemReset()

2. 注释• /**• * @brief Enable Interrupt in NVIC Interrupt Controller• * @param IRQn_Type IRQn specifies the interrupt number• * @return none• * Enable a device specific interupt in the NVIC interrupt controller.• * The interrupt number cannot be a negative value.• */

CMSISCMSIS 实例实例#include "stm32.h"#include "main.h"volatile unsigned int seconds=0;

int main(void){ SystemInit(); if (SysTick_Config(SystemFrequency / 1000)) /* Setup SysTick Timer for 1 msec interrupts */ { while (1); /* Capture error */ } while(1);}void SysTick_Handler(void){ static int count=0; count++; if(count >= 1000) { count=0; seconds++; }}

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