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，為芯片廠商和中間件供應商提供了連續(xù)的、簡單的處理器軟件接口，簡化了軟件復用，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)者的學習時間和新產(chǎn)品的上市時間。

　　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)品的軟件接口標準化，制定了CMSIS標準。此舉意在降低軟件開發(fā)成本，尤其針對新設備項目開發(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。有了該標準，芯片廠商就能夠?qū)⑺麄兊馁Y源專注于產(chǎn)品外設特性的差異化，并且消除對微控制器進行編程時需要維持的不同的、互相不兼容的標準的需求，從而達到降低開發(fā)成本的目的。

　　1 基于CMSIS標準的軟件架構(gòu)

　　如圖2所示，基于CMSIS標準的軟件架構(gòu)主要分為以下4層：用戶應用層、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：一方面該層對硬件寄存器層進行統(tǒng)一實現(xiàn)，屏蔽了不同廠商對Cortex-M系列微處理器核內(nèi)外設寄存器的不同定義；另一方面又向上層的操作系統(tǒng)及中間件接口層和應用層提供接口，簡化了應用程序開發(fā)難度，使開發(fā)人員能夠在完全透明的情況下進行應用程序開發(fā)。也正是如此，CMSIS層的實現(xiàn)相對復雜。

　　CMSIS層主要分為3部分。

　　①核內(nèi)外設訪問層(CPAL)：由ARM負責實現(xiàn)。包括對寄存器地址的定義，對核寄存器、NVIC、調(diào)試子系統(tǒng)的訪問接口定義以及對特殊用途寄存器的訪問接口(如CONTROL和xPSR)定義。由于對特殊寄存器的訪問以內(nèi)聯(lián)方式定義，所以ARM針對不同的編譯器統(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。

　　②中間件訪問層(MWAL)：由ARM負責實現(xiàn)，但芯片廠商需要針對所生產(chǎn)的設備特性對該層進行更新。該層主要負責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)議以及實時操作系統(tǒng)的訪問與調(diào)試提供標準軟件接口。該層在1．1標準中尚未實現(xiàn)。

　?、墼O備外設訪問層(DPAL)：由芯片廠商負責實現(xiàn)。該層的實現(xiàn)與CPAL類似，負責對硬件寄存器地址以及外設訪問接口進行定義。該層可調(diào)用CPAL層提供的接口函數(shù)，同時根據(jù)設備特性對異常向量表進行擴展，以處理相應外設的中斷請求。

　　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。