ARM宣布推出 Cortex 微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn) （Microcontroller Software Interface Standard，CMSIS）。他們聲稱，對于新器件的軟件開發(fā)項(xiàng)目或?qū)F(xiàn)有軟件在不同芯片廠商的基于 Cortex-M 的單片機(jī)之間移植時(shí)，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)可降低軟件設(shè)計(jì)成本。這聽起來很不錯(cuò)，但事實(shí)確實(shí)如此嗎？本文將對這些說法進(jìn)行研究以確定其真實(shí)度。我們先回顧一下典型單片機(jī)的元件，然后觀察在典型外設(shè)固件庫上添加一個(gè)抽象層能夠?qū)崿F(xiàn)或無法實(shí)現(xiàn)什么樣的結(jié)果。

根據(jù) ARM 所言，CMSIS 是“適用于 Cortex-M 處理器系列的與廠商無關(guān)的硬件抽象層。CMSIS為不同芯片廠商和中間件提供商的處理器提供了簡單一致的軟件接口，這簡化了軟件重用，縮短了開發(fā)人員對于新單片機(jī)（MCU）的學(xué)習(xí)過程以及新器件的上市時(shí)間。CMSIS的問世使芯片廠商可將資源集中在突出其產(chǎn)品的外設(shè)功能上，無需在對單片機(jī)進(jìn)行編程時(shí)保持各自不兼容的標(biāo)準(zhǔn)。”

為聯(lián)系本文環(huán)境，我們需要了解一下單片機(jī)是如何設(shè)計(jì)的。單片機(jī)是高度集成的系統(tǒng)解決方案。實(shí)際上，可將其稱為片上系統(tǒng) （System on Chip， SoC）。與任何 SoC一樣，該芯片的功能是通過與 CPU 內(nèi)核集成在一起的硬件外設(shè)進(jìn)行定義的。當(dāng)然，CPU 內(nèi)核的性能和架構(gòu)決定了可在芯片上執(zhí)行的代碼種類，但芯片與系統(tǒng)其他部分的交互要通過外設(shè)來進(jìn)行。單片機(jī)外設(shè)的靈活性使其成為獨(dú)特的 SoC。由于這種靈活性，單片機(jī)的設(shè)置和控制可能相當(dāng)復(fù)雜。在實(shí)際進(jìn)行任何操作前需要設(shè)置大量寄存器。為幫助設(shè)計(jì)人員完成此任務(wù)，芯片廠商提供了可簡化代碼開發(fā)的固件庫。這些庫包括了用于設(shè)置所有寄存器以及控制單片機(jī)各個(gè)部分所必需的所有函數(shù)。由于各個(gè)芯片廠商的單片機(jī)具有不同的外設(shè)和功能，因此每個(gè)廠商都會提供一個(gè)獨(dú)一無二的庫，以使其產(chǎn)品在競爭對手中脫穎而出。我們來看一下單片機(jī)的哪些部分形成了各廠商之間的區(qū)別。

每個(gè)單片機(jī)制造商對實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)集成 （即系統(tǒng)總線、時(shí)鐘樹和存儲器）都有自己的方式，即使 CPU 內(nèi)核相同時(shí)也是如此。憑借這些實(shí)現(xiàn)方案，各制造商建立了各自的優(yōu)勢，使自己的單片機(jī)成為更適合客戶的解決方案。讓我們來研究每一個(gè)系統(tǒng)組成：

? 時(shí)鐘樹提供系統(tǒng)的時(shí)鐘脈沖，以協(xié)調(diào)所有其他功能的時(shí)序。時(shí)鐘樹旨在優(yōu)化系統(tǒng)速度并使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。芯片所含的功能和外設(shè)以及芯片旨在解決的問題直接影響著時(shí)鐘樹的結(jié)構(gòu)。因此，各家制造商的時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)不盡相同。此外，在進(jìn)行任何操作前，都需要使用適當(dāng)?shù)闹祵r(shí)鐘樹寄存器進(jìn)行編程。

? 系統(tǒng)總線的架構(gòu)定義了所有 MCU 功能的集成方式。有些制造商會使用一條或多條外設(shè)總線，具體情況取決于所集成的外設(shè)。所有這一切都會改變需要設(shè)置的寄存器的種類和數(shù)量，以盡可能利用所有可用的功能。

? 盡管所有單片機(jī)都同時(shí)具有非易失性存儲器（如閃存）和易失性存儲器（如 SRAM），但每家制造商的具體集成方式都不相同。有些制造商將閃存存儲器直接連接到內(nèi)核與總線矩陣，而其他一些制造商則將其連接到系統(tǒng)總線或總線矩陣。RAM 有時(shí)會分布于兩個(gè)獨(dú)立的存儲器組，以允許內(nèi)核和外設(shè)同時(shí)訪問。這些不同的存儲器結(jié)構(gòu)可能會影響代碼的編寫方式，當(dāng)設(shè)計(jì)人員從一個(gè)制造商轉(zhuǎn)到另一個(gè)時(shí)，這通常會對應(yīng)用程序的性能產(chǎn)生直接影響。每個(gè)制造商都在其單片機(jī)上提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)和專用的硬件外設(shè)。

? 標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)提供通用功能，例如通過 UART 或 SPI 實(shí)現(xiàn)串行通信。這些外設(shè)也可以是定時(shí)器或 PWM。標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)在所有 MCU 制造商的產(chǎn)品中都很常見，但它們可能會有某些增強(qiáng)功能，為客戶提供更大的靈活性和 / 或更多功能。與單片機(jī)的任何其他部分一樣，標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)有自己的寄存器。盡管標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)的功能可能相同，但幾乎每個(gè)制造商實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)的方式都不相同，進(jìn)而導(dǎo)致各個(gè) MCU 廠商產(chǎn)品的寄存器結(jié)構(gòu)也各不相同。

? 專用外設(shè)適用于某些應(yīng)用獨(dú)有的特定任務(wù)。例如，無刷電機(jī)控制 PWM、用于音頻回放的 I2S 或加密 / 解密。根據(jù)復(fù)雜性的不同，這些專用外設(shè)可能只有幾個(gè)寄存器，也可能有 30 個(gè)以上的寄存器。

如前文所述，每個(gè)MCU制造商都有自己的外設(shè)固件庫，用以幫助客戶實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)并迅速進(jìn)入原型設(shè)計(jì)階段。固件庫包括由芯片制造商開發(fā)的代碼，用于設(shè)置芯片各部分中 （如時(shí)鐘、總線和外設(shè)）的所有寄存器。提供可輕松設(shè)置各個(gè)寄存器的函數(shù)調(diào)用，以助于開發(fā)人員專注于輸入應(yīng)用程序所需的參數(shù)。函數(shù)負(fù)責(zé)將這些參數(shù)寫入相應(yīng)的存儲器位置。通過使用固件庫中的函數(shù)，開發(fā)人員不必了解所有寄存器及其位置便可使芯片正常運(yùn)行。這樣可將節(jié)省下的時(shí)間集中在更特定于應(yīng)用程序的任務(wù)上，例如為應(yīng)用程序開發(fā)適當(dāng)算法。

外設(shè)固件庫還包括用于控制外設(shè) （也通過寄存器完成）的函數(shù)。同樣，開發(fā)人員無需關(guān)注寄存器的位和單元，只需為其代碼選擇正確的函數(shù)。抽象層可應(yīng)用到外設(shè)固件庫以幫助簡化代碼開發(fā)，這正是 CMSIS 發(fā)揮作用的地方。但還有一個(gè)疑問：這是否會產(chǎn)生代碼兼容性問題？

現(xiàn)在我們已清楚地了解各個(gè)單片機(jī)制造商都能提供什么，我們可以看一下抽象層能為設(shè)計(jì)人員做些什么（如果有的話）。首先，我們來看 CMSIS 聲稱所能提供的功能，同時(shí)應(yīng)記住前文所述的系統(tǒng)架構(gòu)、外設(shè)和固件庫。

對于CMSIS 版本 1.3

1. 內(nèi)核外設(shè)訪問層：包含用于訪問內(nèi)核寄存器和外設(shè)的名稱定義、地址定義和輔助函數(shù)。它還定義了一個(gè)用于 RTOS 內(nèi)核的器件無關(guān)接口，其中包含調(diào)試通道定義。

2. 這些軟件層由芯片合作伙伴通過以下方式進(jìn)行擴(kuò)展：

a) 器件外設(shè)訪問層，提供所有器件外設(shè)的定義；

b) 用于外設(shè)的訪問函數(shù)（可選）：提供用于外設(shè)的附加輔助函數(shù)。

仔細(xì)閱讀此說明后，我們可以看到 CMSIS 提供了一種通用語言，通過它可描述 MCU 的不同元件。接下來，我們看一下兩個(gè)不同的 “芯片合作伙伴”（使用 ARM Cortex-M 處理器內(nèi)核的 MCU 制造商）所生產(chǎn)的 MCU 中包含的部分功能。

顯而易見的是，盡管這兩個(gè) 32 位 MCU 制造商都使用Cortex-M3 內(nèi)核，但主要功能仍有區(qū)別。表中列出的功能是單片機(jī)最標(biāo)準(zhǔn)的功能，即便如此它們?nèi)杂胁煌＿@意味著，即使這兩個(gè)制造商使用相同的內(nèi)核，也需要對軟件進(jìn)行調(diào)整才能運(yùn)行最基本的程序，例如翻轉(zhuǎn) I/O 或使用 UART。如果不進(jìn)行一定程度的代碼重寫，而只是對基本參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，則無法在 A 和 B 之間移植軟件。

根據(jù)定義，CMSIS 提供了用于訪問內(nèi)核元素的標(biāo)準(zhǔn)化語言，但芯片合作伙伴 /MCU 制造商必須提供自己的固件才能與器件外設(shè)進(jìn)行交互。任何 MCU 的兩個(gè)最基本功能都會涉及 （1）如何使系統(tǒng)架構(gòu)與外設(shè)相關(guān)聯(lián)，（2）如何設(shè)計(jì) MCU 外設(shè)的結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)所需控制和 / 或功能。這是制造商提供的固件庫能幫助解決的問題，也是代碼兼容性問題的核心所在。向這些庫添加抽象層有助于提高可移植性，但無法解決兩個(gè)MCU之間的所有功能差異。任何高級外設(shè)功能都無法移植到不存在該功能的另一MCU 上，無論是否有抽象層。單片機(jī)制造商實(shí)現(xiàn)的這些增強(qiáng)功能有助于使 MCU 從競爭對手中脫穎而出，并幫助設(shè)計(jì)人員改進(jìn)解決方案。但這會導(dǎo)致代碼不兼容。

抽象層的概念與操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有關(guān)。它創(chuàng)建了一種操作系統(tǒng)訪問處理器 （正在運(yùn)行該操作系統(tǒng)）的標(biāo)準(zhǔn)方式，并且可以簡化更改處理器的過程。必須知道的是，處理器（微處理器單元，MPU）是系統(tǒng)元件集成度最低的內(nèi)核，這使得各制造商的處理器的相似度要遠(yuǎn)大于MCU。此外，處理器上運(yùn)行的代碼是軟件，而不是固件。也就是說，代碼通常不控制任何硬件。另一方面，單片機(jī)是片上系統(tǒng)，這意味著內(nèi)核與集成外設(shè)之間的聯(lián)系更為緊密。對于 MCU，如果要運(yùn)行 RTOS，則抽象層的概念最有意義。另一方面，使用 RTOS 會使應(yīng)用程序代碼與硬件分離，進(jìn)而去除單片機(jī)應(yīng)用中常見的嚴(yán)格控制。

如果某個(gè)應(yīng)用程序正在RTOS上運(yùn)行，則可將其移植到任何支持該特定 RTOS 的單片機(jī)。在運(yùn)行 Micrium μCOS II 的 Cortex-M3 單片機(jī)上開發(fā)的代碼可移植到基于 MIPS M4K 的單片機(jī)，因?yàn)?μCOS II 在該平臺上也可以運(yùn)行。應(yīng)用程序與硬件隔離，并且只要代碼的新部分具有所有相關(guān)功能，移植就應(yīng)該相對很容易。

但在另一方面，如果沒有 RTOS，情況就不是這樣了。如前文所述，每個(gè)制造商都會以自己的方式集成內(nèi)核、存儲器和外設(shè)。其中一些差異使得創(chuàng)建一個(gè)適用于不同制造商的標(biāo)準(zhǔn)抽象層非常困難，并且還有一個(gè)問題：他們想讓這變得簡單嗎？

在大多數(shù)單片機(jī)應(yīng)用程序中，在內(nèi)核上運(yùn)行的代碼與硬件外設(shè)之間的牢固連接非常關(guān)鍵。實(shí)際上，該連接使得創(chuàng)建任何種類的標(biāo)準(zhǔn)抽象層 （可在不同制造商的 MCU間轉(zhuǎn)換）都很困難。抽象層可以對標(biāo)準(zhǔn)功能（例如 UART或 SPI）有所幫助。但即使是 UART，如果原始代碼對9 位模式的 UART 使用了固件庫函數(shù)，則在新 MCU 沒有 9 位模式的 UART （即沒有用于此用途的庫函數(shù)）時(shí)，必須重寫代碼。更復(fù)雜的是，在大多數(shù)情況下設(shè)計(jì)人員不是通過標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)來定義 MCU 的值，而是通過其獨(dú)特的外設(shè)開發(fā)最優(yōu)解決方案。例如，如果能以更高的精度和安全性控制電機(jī)，您將從競爭對手中脫穎而出。專用庫正是在這里起作用，而使事情變得更加復(fù)雜。

外設(shè)固件庫支持指定單片機(jī)上的所有外設(shè)，包括標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和專用外設(shè)。但為了更好地支持客戶，某些制造商還為特定應(yīng)用（如電機(jī)控制、圖形和網(wǎng)絡(luò)等）提供專用固件庫。這些專用庫總是專有的，在許多情況下包含無法在制造商之間轉(zhuǎn)移的知識產(chǎn)權(quán)。在大多數(shù)情況下，所涉及的應(yīng)用程序都很復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員不會愿意從頭開發(fā)應(yīng)用程序。此外，制造商通常將其外設(shè)支持的所有特殊功能都集成到庫中，在不對代碼進(jìn)行較大修改的情況下無法移植到其他制造商的 MCU 上。

在我們的示例中，廠商 A 和 B 的單片機(jī)都使用了ARM Cortex-M3 內(nèi)核，并且都具有符合 CMSIS 標(biāo)準(zhǔn)的固件庫。這是否意味著他們的庫（例如電機(jī)控制庫）可以互相移植？其實(shí)不見得。這兩個(gè)制造商對外設(shè)和固件采用了完全不同的方法。廠商 A 使用專用算法庫 （可能由多人經(jīng)過數(shù)年開發(fā)而成）來最高效地利用其單片機(jī)上的專用外設(shè)。而廠商 B 則專注于使用更通用的外設(shè)并構(gòu)建通用外設(shè)庫，對于特定應(yīng)用則使用示例代碼和應(yīng)用筆記進(jìn)行說明。這兩種完全不同的方法使得在這兩個(gè)制造商的 MCU 之間移植程序（例如電機(jī)控制子程序）非常困難，盡管它們使用了相同的內(nèi)核。此外，庫函數(shù)的命名也不相同，這意味著用戶必須重寫代碼中的所有庫函數(shù)調(diào)用，并且要弄清將哪些變量和值提交給函數(shù)。這完全不是所謂的可移植性。

設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重點(diǎn)是開發(fā)特定最終用途代碼時(shí)的速度、效率和可靠性。廠商 A 和 B 采用不同的方法來達(dá)到這些目標(biāo)。廠商 A 使用基于專用硬件的方法，而廠商 B的方法更加專注于通用硬件。廠商 A 針對特定應(yīng)用提供了經(jīng)過潛心開發(fā)的專用庫，以最大限度地利用其單片機(jī)的功能。而廠商 B 只提供基本構(gòu)件，讓開發(fā)人員構(gòu)建自己的解決方案。在速度和可靠性方面，廠商 A 的方法占據(jù)優(yōu)勢，因?yàn)楹艽笠徊糠值膽?yīng)用程序開發(fā)工作已經(jīng)完成且經(jīng)過測試，并

集成在其固件庫中。至于效率方面，廠商 A 也有明顯優(yōu)勢，因?yàn)槠滠浖槠溆布M(jìn)行了優(yōu)化。但是，這些優(yōu)勢沒有一項(xiàng)與 CMSIS 或可移植性有關(guān)。對兩個(gè)廠商的MCU 所進(jìn)行的比較不應(yīng)基于抽象層，而應(yīng)該著重于使用某個(gè) MCU 實(shí)現(xiàn)其預(yù)期最終用途的順利程度。那些針對特定單片機(jī)開發(fā)了定制固件庫的制造商具有明顯優(yōu)勢。正在尋找控制器的設(shè)計(jì)人員可將精力放在比較特定算法對其需求的適用程度上。盡管 CMSIS 這樣的 API對于隱藏硬件復(fù)雜性（例如針對 RTOS）很有用，并在二者之間形成無縫接口，但無法保證軟件在各個(gè)制造商間的可移植性。

要考慮的最后一點(diǎn)是單片機(jī)的基本宗旨。開發(fā) MCU 的目的是為日常設(shè)備的控制帶來可編程性和靈活性。通過集成 CPU、非易失性存儲器和外設(shè)（模擬和數(shù)字），這一目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。無需那些使計(jì)算機(jī)變得通用的高級功能，單片機(jī)可充分利用少量硬件來實(shí)現(xiàn)所需功能。專用于 MCU 特定外設(shè)結(jié)構(gòu)的固件庫大幅減少了開發(fā)應(yīng)用程序所需的時(shí)間和工作量。如前文所述，向這些庫添加抽象層有助于改進(jìn)開發(fā)過程，對于跨項(xiàng)目重用代碼也更為簡單，但要付出一定代價(jià)。使用抽象層時(shí)存在代碼變長和性能下降問題。添加抽象層使單片機(jī)更類似于計(jì)算機(jī)。這在某種程度上與形成單片機(jī)基本宗旨的特質(zhì)相反。實(shí)際上，它使開發(fā)過程更為復(fù)雜，因?yàn)樗髴?yīng)用程序遵守 CMSIS 的特定語言要求，而且無法保證代碼兼容性。

審核編輯：劉清