STM32——Cortex-M的CMSIS中核内外设和片上外设

CMSIS包括两个部分：

1. Cortex-M的核内外设NVIC和Systick的一些寄存器的标准接口
2. MCU的片上外设的标准接口。

CMSIS：Cortex Microcontroller Software Interface Standard 微控制器软件接口标准

ARM Cortex™ 微控制器软件接口标准是== Cortex-M 处理器系列（核内设备）==的与供应商（增加片上RAM ROM FLASH 和一些外设）无关的硬件抽象层
英文原文为：a vendor-independent hardware abstraction layer for the Cortex-M processor series and defines generic tool interfaces–来自ARM官方定义。

使用CMSIS，可以为处理器和外设实现一致且简单的软件接口，从而简化软件的重用、缩短微控制器新开发人员的学习过程，并缩短新设备的上市时间。

1 按提供方分类

CMSIS是ARM公司与多家不同的芯片和软件供应商一起紧密合作定义的，提供了内核与外设、实时操作系统和中间设备之间的通用接口。
CMSIS可以分为多个软件层次，分别由ARM公司、芯片供应商提供。

1.1 其中ARM提供了下列部分，可用于多种编译器：

● 内核设备访问层：包含了用来访问内核的寄存器设备的名称定义，地址定义和助手函数。同时也为RTOS(实时操作系统)定义了独立于微控制器的接口，该接口包括调试通道定义。
● 中间设备访问层：为软件提供了访问外设(核内外设NVIC、Systick 与 MCU上外设串口等)的通用方法。芯片供应商应当修改中间设备访问层，以适应中间设备组件用到的微控制器上的外设。目前中间设备访问层仍处于开发过程中，本文不做详述。

1.2 芯片供应商扩展下列软件层：

● 微控制器外设访问层：提供片上所有外设的定义(即一些外设的寄存器定义，不一定提供类似HAL的访问函数)。
● 外设的访问函数(可选)：为外设提供额外的助手函数。

CMSIS为Cortex-Mx微控制器系统定义了：
● 访问外设寄存器的通用方法和定义异常向量的通用方法。
● 内核设备的寄存器名称和内核异常向量的名称。
● 独立于微控制器的RTOS接口，带调试通道。
● 中间设备组件接口(TCP/IP协议栈，闪存文件系统)。

CMSIS包含的组件

1. 外围寄存器和中断定义： 适用于设备寄存器和中断的一致接口
2. 内核外设函数：特定处理器功能和内核外设的访问函数
3. DSP 库：优化的信号处理算法，并为 SIMD 指令提供Cortex-M4 支持
4. 系统视图说明(SVD)：描述设备外设和中断的XML 文件。

该标准完全可扩展，可确保其适合于所有 Cortex-M处理器系列微控制器，从最小的8 KB 设备到具有复杂通信外设（如以太网或USB）的设备。（内核外设函数的内存要求少于1 KB 代码，少于10 字节RAM）。

2 按是否编译器无关分类

2.1 独立于编译器的文件：

● Cortex-M3内核及其设备文件(core_cm3.h + core_cm3.c)（指的是Cortex-M微核）

• 访问Cortex-M3内核及其设备：NVIC，SysTick等
• 访问Cortex-M3的CPU寄存器和内核外设的函数（不是片上外设）

● 微控制器专用头文件(device.h) （指的是MCU上的外设）

• 指定中断号码(与启动文件一致)
• 外设寄存器定义(寄存器的基地址和布局)
• 控制微控制器其他特有的功能的函数(可选)

● 微控制器专用系统文件(system_device.c)（device指的是特定的MCU，比如STM32F103，ESP8266等）

• 函数SystemInit，用来初始化微控制器（不同的device的内存，时钟不一样）
• 函数Sysem_ExtMemCtl，用来配置外部存储器控制器。它位于文件 startup_stm32f10x_xx.s /.c，在跳转到main前调用
• SystemFrequncy，该值代表系统时钟频率
• 微控制器的其他功能(可选)

2.2 编译器供应商+微控制器专用启动文件

（不同的编译器startup_device.s 不一样？同一个功能的C文件经过不同的编译器出来的汇编文件都是不一样的）

例如

IAR和Keil对同一个device的启动汇编文件是不一样的。

IAR

Keil

● 编译器启动代码(汇编或者C)(startup_device.s)

• 微控制器专用的中断处理程序列表(与头文件一致)
• 弱定义(Weak)的中断处理程序默认函数(可以被用户代码覆盖)

3 整体感受

基于CMSIS标准的软件架

主要有四层：

1. 用户应用层、
2. 操作系统层、
3. CMSIS层
4. 硬件寄存器层。

CMSIS层主要分为3个部分：

1. 核内外设访问层（CPAL），由ARM负责实现对寄存器名称、地址定义、NVIC接口等定义，统一用_INLINE屏蔽差异，其接口函数均是可重入的。
2. 片上外设访问层（DPAL），由芯片厂商负责实现，可调用CPAL提供的接口函数处理相应的外设中断请求
3. 外设访问函数（AFP），由芯片厂商负责，提供访问片上外设的函数

关于几个文件

1. core_cm0.h：文件中定义了使用的CMSIS版本、Cortex内核、工具链，提供了核内外设访问层的定义，例如核内外设的数据结构和地址映射，也提供了一些访问Cortex-M0核内寄存器及外设的静态内联函数
2. core_cm0.c：定义了访问Cortex-M0核内寄存器的相关内部函数
3. System_.h：中断号及外设寄存器的定义
4. System_.c：包含初始化在内的系统函数
5. 其他头文件则实现了片上外设访问层以及额外的访问函数的定义