CMSIS的结构

1万 · 2016-10-31 21:51

ARM 公司于 2008 年 11 月 12 日发布了 ARM Cortex-M 微控制器软件接口标准(CMSIS：Cortex Microcontroller
Software Interface Standard)。CMSIS 是独立于供应商的 Cortex-M 微控制器系列硬件抽象层，为芯片厂商和中间件供应
商提供了连续的、简单的微控制器软件接口，简化了软件复用，降低了 Cortex-M0/M3/M4 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4.1.1 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 微控制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。
CMSIS 标准的软件架构
如图所示，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 系列微控
制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。

1万 · 2016-10-31 21:52

CMSIS 层主要分为 3 部分：
① 核内外设访问层(CPAL：Core Peripheral Access Layer)：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：Middleware Access Layer)：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：Device Peripheral Acess Layer)：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。
对一个 Cortex-M 微控制系统而言，CMSIS 通过以上三个部分实现了：
  定义了访问外设寄存器和异常向量的通用方法；
  定义了核内外设的寄存器名称和核异常向量的名称；
  为 RTOS 核定义了与设备独立的接口，包括 Debug 通道。
这样芯片厂商就能专注于对其产品的外设特性进行差异化，并且消除他们对微控制器进行编程时需要维持的不同的、互相不兼容
的标准需求，以达到低成本开发的目的。

1万 · 2016-10-31 21:53

CMSIS  文件的规范
  基本规范
  CMSIS 的 C 代码遵照 MISRA 2004 规则。
  使用标准 ANSI C 头文件<stdint.h>中定义的标准数据类型。
  由#define 定义的包含表达式的常数必须用括号括起来。
  变量和参数必须有完全的数据类型。
  CPAL 层的函数必须是可重入的。
  CPAL 层的函数不能有阻塞代码，也就是说等待、查询等循环必须在其他的软件层中。

  定义每个异常/中断的：
  每个异常处理函数的后缀是_Handler，每个中断处理器函数的后缀是_IRQHandler。
  默认的异常中断处理器函数（弱定义）包含一个无限循环。
  用#define 将中断号定义为后缀为_IRQn 的名称。
  推荐规范
  定义通用寄存器、外设寄存器和 CPU 指令名称时使用大写。
  定义外设访问函数、中断函数名称时首字母大写。
  对于某个外设相应的函数，一般用该外设名称作为其前缀。
  按照 Doxygen 规范撰写函数的注释，注释使用 C90 风格(/* 注释 */) 或者 C++风格(// 注释)，函数的注释应包含
以下内容：
  一行函数简介。
  参数的详细解释。
  返回值的详细解释。
  函数功能的详细描述。

1万 · 2016-10-31 21:56

文件结构
CMSIS 的文件结构如图 4.2.1 所示(以 NuMiro M451 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_cm4．h 中包括 Cortex-M4 核的全局变量声明和定义，并定义一些静态功能函
数。M451Series.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 Cortex-M4 核中的特殊设备，如 MCU、中
断优先级位数以及寄存器定义。虽然 CMSIS 提供的文件很多，但在应用程序中只需包含．h。

 数据类型及 I/O 类型限定符
HAL 层使用标准 ANSI C 头文件 stdint.h 定义的数据类型。 I/O 类型限定符用于指定外设寄存器的访问限制，定义如表
4.1.1 所列。
表 4.2.1 I/O 类型限定符

1万 · 2016-10-31 21:58

 CMSIS 版本号
CMSIS 标准有多个版本号，对于 ARM Cortex-M4 处理器，在 core_cm4.h 中定义所用 CMSIS的版本，如程序清单4.2.1。
程序清单 4.2.1 CMSIS 版本号

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#define __CM4_CMSIS_VERSION_MAIN (0x03) /*!< [31:16] CMSIS HAL main version */

#define __CM4_CMSIS_VERSION_SUB (0x01) /*!< [15:0] CMSIS HAL sub version */

#define __CM4_CMSIS_VERSION ((__CM4_CMSIS_VERSION_MAIN << 16) | \__CM4_CMSIS_VERSION_SUB)

 CMSIS 内核
对于 ARM Cortex-M4 处理器，在头文件 core_cm4.h 中定义，如程序清单 4.2.2。
程序清单 4.2.2 确认当前 Cortex-M 内核

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#define __CORTEX_M (0x04) /*!< Cortex-M Core */

 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_cm4.h 中的如下定义，来屏蔽一些编译器内置关键字的差异，如程序清单 4.2.3。
程序清单 4.2.3 CMSIS 支持的工具链

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#if defined ( __CC_ARM )

#define __ASM __asm /*!< asm keyword for ARM Compiler */

#define __INLINE __inline /*!< inline keyword for ARM Compiler */

#define __STATIC_INLINE static __inline

#elif defined ( __ICCARM__ )

#define __ASM __asm /*!< asm keyword for IAR Compiler */

#define __INLINE inline /*!< inline keyword for IAR Compiler */

#define __STATIC_INLINE static inline

#elif defined ( __TMS470__ )

#define __ASM __asm /*!< asm keyword for TI CCS Compiler */

#define __STATIC_INLINE static inline

#elif defined ( __GNUC__ )

#define __ASM __asm /*!< asm keyword for GNU Compiler */

#define __INLINE inline /*!< inline keyword for GNU Compiler */

#define __STATIC_INLINE static inline

#elif defined ( __TASKING__ )

#define __ASM __asm /*!< asm keyword for TASKING Compiler */

#define __INLINE inline /*!< inline keyword for TASKING Compiler */

#define __STATIC_INLINE static inline

#endif

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。

1万 · 2016-10-31 22:00

 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，具体的定义在 M451Series.h 文件，如下所示(以 M451 微控制器系
列为例)：
程序清单 4.2.4 M451 的中断异常

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typedef enum IRQn

{

/****** Cortex-M4 Processor Exceptions Numbers ******/

NonMaskableInt_IRQn = -14, /*!< 2 Non Maskable Interrupt */

MemoryManagement_IRQn = -12, /*!< 4 Memory Management Interrupt */

BusFault_IRQn = -11, /*!< 5 Bus Fault Interrupt */

UsageFault_IRQn = -10, /*!< 6 Usage Fault Interrupt */

SVCall_IRQn = -5, /*!< 11 SV Call Interrupt */

DebugMonitor_IRQn = -4, /*!< 12 Debug Monitor Interrupt */

PendSV_IRQn = -2, /*!< 14 Pend SV Interrupt */

SysTick_IRQn = -1, /*!< 15 System Tick Interrupt */

/****** M451 Specific Interrupt Numbers *****/

BOD_IRQn = 0, /*!< Brown Out detection Interrupt */

IRC_IRQn = 1, /*!< Internal RC Interrupt */

PWRWU_IRQn = 2, /*!< Power Down Wake Up Interrupt */

RAMPE_IRQn = 3, /*!< SRAM parity check failed Interrupt */

CKFAIL_IRQn = 4, /*!< Clock failed Interrupt */

RTC_IRQn = 6, /*!< Real Time Clock Interrupt */

TAMPER_IRQn = 7, /*!< Tamper detection Interrupt */

WDT_IRQn = 8, /*!< Watchdog Timer Interrupt */

WWDT_IRQn = 9, /*!< Window Watchdog Timer Interrupt */

EINT0_IRQn = 10, /*!< External Input 0 Interrupt */

EINT1_IRQn = 11, /*!< External Input 1 Interrupt */

EINT2_IRQn = 12, /*!< External Input 2 Interrupt */

EINT3_IRQn = 13, /*!< External Input 3 Interrupt */

EINT4_IRQn = 14, /*!< External Input 4 Interrupt */

EINT5_IRQn = 15, /*!< External Input 5 Interrupt */

GPA_IRQn = 16, /*!< GPIO Port A Interrupt */

GPB_IRQn = 17, /*!< GPIO Port B Interrupt */

GPC_IRQn = 18, /*!< GPIO Port C Interrupt */

GPD_IRQn = 19, /*!< GPIO Port D Interrupt */

GPE_IRQn = 20, /*!< GPIO Port E Interrupt */

GPF_IRQn = 21, /*!< GPIO Port F Interrupt */

SPI0_IRQn = 22, /*!< SPI0 Interrupt */

SPI1_IRQn = 23, /*!< SPI1 Interrupt */

BRAKE0_IRQn = 24, /*!< BRAKE0 Interrupt */

PWM0P0_IRQn = 25, /*!< PWM0P0 Interrupt */

PWM0P1_IRQn = 26, /*!< PWM0P1 Interrupt */

PWM0P2_IRQn = 27, /*!< PWM0P2 Interrupt */

BRAKE1_IRQn = 28, /*!< BRAKE1 Interrupt */

PWM1P0_IRQn = 29, /*!< PWM1P0 Interrupt */

PWM1P1_IRQn = 30, /*!< PWM1P1 Interrupt */

PWM1P2_IRQn = 31, /*!< PWM1P2 Interrupt */

TMR0_IRQn = 32, /*!< Timer 0 Interrupt */

TMR1_IRQn = 33, /*!< Timer 1 Interrupt */

TMR2_IRQn = 34, /*!< Timer 2 Interrupt */

TMR3_IRQn = 35, /*!< Timer 3 Interrupt */

UART0_IRQn = 36, /*!< UART 0 Interrupt */

UART1_IRQn = 37, /*!< UART 1 Interrupt */

I2C0_IRQn = 38, /*!< I2C 0 Interrupt */

I2C1_IRQn = 39, /*!< I2C 1 Interrupt */

PDMA_IRQn = 40, /*!< Peripheral DMA Interrupt */

DAC_IRQn = 41, /*!< DAC Interrupt */

ADC00_IRQn = 42, /*!< ADC0 Source 0 Interrupt */

ADC01_IRQn = 43, /*!< ADC0 Source 1 Interrupt */

ACMP01_IRQn = 44, /*!< Analog Comparator 0 and 1 Interrupt */

ADC02_IRQn = 46, /*!< ADC0 Source 2 Interrupt */

ADC03_IRQn = 47, /*!< ADC0 Source 3 Interrupt */

UART2_IRQn = 48, /*!< UART2 Interrupt */

UART3_IRQn = 49, /*!< UART3 Interrupt */

SPI2_IRQn = 51, /*!< SPI2 Interrupt */

USBD_IRQn = 53, /*!< USB device Interrupt */

USBH_IRQn = 54, /*!< USB host Interrupt */

USBOTG_IRQn = 55, /*!< USB OTG Interrupt */

CAN0_IRQn = 56, /*!< CAN0 Interrupt */

SC0_IRQn = 58, /*!< Smart Card 0 Interrupt */

TK_IRQn = 63 /*!< Touch Key Interrupt */

} IRQn_Type;

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：BOD_IRQHandler、
WDT_IRQHandler、TMR0_IRQHandler、UART0_IRQHandler 等。

1万 · 2016-10-31 22:01

 安全机制
在嵌入式软件开发过程中，代码的安全性和健壮性一直是开发人员所关注的，因此 CMSIS 在这方面也作出了努力，所有的 CMSIS
代码都基于 MISRA-C2004(Motor Industry Software Reliability Association forthe C programming language)
标准。MIRSA-C 2004 制定了一系列安全机制用来保证驱动层软件的安全性，是嵌入式行业都应遵循的标准。对于不符合 MISRA 标
准的，编译器会提示错误或警告，这主要取决于开发者所使用的工具链。

只看该作者 · 2016-10-31 23:56

都是这些工作才让开发不会太复杂的，现场越来越偏向软件了

1万 · 2016-11-13 12:36

现在的ARM内核单片机开发都离不开这个CMSIS了。

只看该作者 · 2016-11-13 23:17

要搞清楚层与层之间是怎么做，怎么用。

只看该作者 · 2016-11-14 11:24

看了好多ARM的都是用这个，研究研究。

1万 · 2016-11-14 16:50

EFM32的也用了这个，不过他们搞的elib很酷。