基于Cortex-M的單片機(jī)之間能夠互相移植嗎

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(duì)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(lái)很不錯(cuò)，但事實(shí)確實(shí)如此嗎？本文將對(duì)這些說(shuō)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(kù)上添加一個(gè)抽象層能夠?qū)崿F(xiàn)或無(wú)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(wú)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(jiǎn)單一致的軟件接口，這簡(jiǎn)化了軟件重用，縮短了開發(fā)人員對(duì)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(wú)需在對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程時(shí)保持各自不兼容的標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>

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(lái)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(jiǎn)化代碼開發(fā)的固件庫(kù)。這些庫(kù)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(huì)提供一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的庫(kù)，以使其產(chǎn)品在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手中脫穎而出。我們來(lái)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(duì)實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)集成 （即系統(tǒng)總線、時(shí)鐘樹和存儲(chǔ)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(shì)，使自己的單片機(jī)成為更適合客戶的解決方案。讓我們來(lái)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?duì)時(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(huì)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(huì)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(chǔ)器（如閃存）和易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(huì)分布于兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器組，以允許內(nèi)核和外設(shè)同時(shí)訪問。這些不同的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)可能會(huì)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(huì)對(duì)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(huì)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(wú)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(kù)，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(kù)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(chǔ)器位置。通過使用固件庫(kù)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(kù)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(wú)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(kù)以幫助簡(jiǎn)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(huì)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(lái)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(kù)。

對(duì)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(wú)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(shuō)明后，我們可以看到 CMSIS 提供了一種通用語(yǔ)言，通過它可描述 MCU 的不同元件。接下來(lái)，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?。這意味著，即使這兩個(gè)制造商使用相同的內(nèi)核，也需要對(duì)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(duì)基本參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，則無(wú)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(yǔ)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(huì)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(kù)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(kù)添加抽象層有助于提高可移植性，但無(wú)法解決兩個(gè)MCU之間的所有功能差異。任何高級(jí)外設(shè)功能都無(wú)法移植到不存在該功能的另一MCU 上，無(wú)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(huì)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(jiǎn)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(shuō)，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(duì)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(huì)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(tái)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(duì)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(huì)以自己的方式集成內(nèi)核、存儲(chǔ)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(jiǎn)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(duì)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(duì)9 位模式的 UART 使用了固件庫(kù)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(kù)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(lái)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手中脫穎而出。專用庫(kù)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(kù)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(kù)。這些專用庫(kù)總是專有的，在許多情況下包含無(wú)法在制造商之間轉(zhuǎn)移的知識(shí)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(huì)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(kù)中，在不對(duì)代碼進(jìn)行較大修改的情況下無(wú)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(kù)。這是否意味著他們的庫(kù)（例如電機(jī)控制庫(kù)）可以互相移植？其實(shí)不見得。這兩個(gè)制造商對(duì)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(kù) （可能由多人經(jīng)過數(shù)年開發(fā)而成）來(lái)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(kù)，對(duì)于特定應(yīng)用則使用示例代碼和應(yīng)用筆記進(jìn)行說(shuō)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(kù)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(kù)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(lái)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(duì)特定應(yīng)用提供了經(jīng)過潛心開發(fā)的專用庫(kù)，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(shì)，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(cè)試，并

集成在其固件庫(kù)中。至于效率方面，廠商 A 也有明顯優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠滠浖槠溆布M(jìn)行了優(yōu)化。但是，這些優(yōu)勢(shì)沒有一項(xiàng)與 CMSIS 或可移植性有關(guān)。對(duì)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(duì)特定單片機(jī)開發(fā)了定制固件庫(kù)的制造商具有明顯優(yōu)勢(shì)。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(duì)其需求的適用程度上。盡管 CMSIS 這樣的 API對(duì)于隱藏硬件復(fù)雜性（例如針對(duì) RTOS）很有用，并在二者之間形成無(wú)縫接口，但無(wú)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(lái)可編程性和靈活性。通過集成 CPU、非易失性存儲(chǔ)器和外設(shè)（模擬和數(shù)字），這一目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。無(wú)需那些使計(jì)算機(jī)變得通用的高級(jí)功能，單片機(jī)可充分利用少量硬件來(lái)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(kù)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(kù)添加抽象層有助于改進(jìn)開發(fā)過程，對(duì)于跨項(xiàng)目重用代碼也更為簡(jiǎn)單，但要付出一定代價(jià)。使用抽象層時(shí)存在代碼變長(zhǎng)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(yǔ)言要求，而且無(wú)法保證代碼兼容性。

審核編輯：劉清