Библиотека CMSIS

Библиотека CMSIS включает в себя следующие компоненты:

• CMSIS-CORE: API для ядра Cortex-M и периферии. Стандартизированный интерфейс доступен для Cortex-M0, Cortex-M3, Cortex-M4, SC000, и SC300. Включает дополнительные SIMD-инструкции для Cortex-M4.
• CMSIS-Driver: определяет основные драйверы интерфейсов периферии. Содержит API для операционных систем реального времени (ОСРВ, или англ. Real-Time operating systems — RTOS) и соединяет микроконтроллер с промежуточным ПО (стек коммуникации, файловая система или графический интерфейс).
• CMSIS-DSP: коллекция из более чем 60 функций для различных типов данных (относятся к обработке сигналов): с фиксированной точкой и с плавающей точкой (одинарной точности, 32 бита). Библиотека доступна для Cortex-M0, Cortex-M3, и Cortex-M4. Реализация библиотеки для Cortex-M4 оптимизирована c использованием SIMD-инструкций.
• CMSIS-RTOS API: общий API для систем реального времени. Используя функции данного интерфейса вы можете отойти от конкретной реализации операционной системы.
• CMSIS-DAP (Debug Access Port): стандартизованное программное обеспечение для отладчика (Debug Unit).

Рассмотрим только CMSIS-CORE.

Библиотека состоит из стандартной (предоставляется ARM) и вендор-зависимой (предоставляется в нашем случае ST) частей.

Стандартная часть

Заголовочный файл core_<processor_unit>.h предоставляет интерфейс к ядру. Для stm32f103c8 это core_cm3.h, так как он работает на Cortex-M3. Для Cortex-M0+ это будет файл core_cm0plus.h.

Под интерфейсом понимается удобный доступ к его регистрам. Например, в состав ядра входят еще две сущности: системный таймер и контроллер прерываний NVIC. Поэтому в этом файле содержатся вспомогательные функции для их быстрой настройки. Включить прерывание можно вызовом функции:

xxxxxxxxxx
static __INLINE void NVIC_EnableIRQ(IRQn_Type IRQn) {
    NVIC->ISER[((uint32_t)(IRQn) >> 5)] = (1 << ((uint32_t)(IRQn) & 0x1F));
    /* enable interrupt */
}

Вам не нужно работать с регистрами ядра напрямую.

Другие файлы нам не столь интересны, но справедливости ради упомянем их. Например файл core_cmInstr.h содержит обертки инструкций, а core_cmFunc.h — обертки некоторых важных системных функций.

xxxxxxxxxx
// Возвращает значение стека (PSP)
__attribute__( ( always_inline ) ) static __INLINE uint32_t __get_PSP(void) {
  register uint32_t result;
​
  __ASM volatile ("MRS %0, psp\n"  : "=r" (result) );
  return(result);
}

Если вы не разрабатываете приложение на самом низком уровне, то заглядывать в эти файлы незачем. Тем не менее, подробное описание работы ядра можно найти в документе ARM — Cortex-M3 Devices Generic User Guide, и мы им даже воспользуемся при настройке системного таймера.

Вендор-зависимая часть

Вторая часть библиотеки пишется непосредственным производителем микроконтроллера. Это происходит потому, что микроконтроллер — это не только его ядро, а еще и периферия. Реализация периферии не стандартизована, и каждый производитель делает ее так, как считает нужным. Адреса и даже поведение внутренних модулей (ADC, SPI, USART и т.д.) могут отличаться.

В ассемблеровском файле startup_<device>.s (в нашем случае это startup_stm32f10x_md.s) реализуется функция обработчика сброса Reset_Handler. Он задает поведение МК при запуске, т.е. выполняет некоторые задачи до входа в функцию main(), в частности, вызывает функцию SystemInit() из файла system_<device>.c (system_stm32f10x.c). Также в нем задается таблица векторов прерываний (англ. interrupt vector table) с их названиями:

xxxxxxxxxx
g_pfnVectors:
    .word   _estack
    .word   Reset_Handler
    .word   NMI_Handler
    .word   HardFault_Handler
    .word   MemManage_Handler
    .word   BusFault_Handler
    .word   UsageFault_Handler
# ............................
    .word   SVC_Handler
    .word   DebugMon_Handler
    .word   0
    .word   PendSV_Handler
    .word   SysTick_Handler
    .word   WWDG_IRQHandler
# ............................

Заголовочный файл system_<device>.h (system_stm32f10x.h) предоставляет интерфейс двум функциям и глобальной переменной и отвечает за систему тактирования.

• Переменная SystemCoreClock хранит в себе текущее значение тактовой частоты.

Обратите внимание

Меняя это число, вы не меняете тактовую частоту! Переменную SystemCoreClock стоит использовать только как индикатор. Более того, никто не гарантирует, что число, записанное в этой переменной, будет отображать реальную частоту: во-первых, оно может не обновиться после изменения регистров; во-вторых, оно никак не учитывает погрешность хода генератора; и в-третьих, стандартная частота (определенная как макрос HSE_VALUE в библиотеке) внешнего кварцевого генератора — 8 МГц, но никто не мешает разработчику поставить, скажем, кварц на 12 МГц.

• SystemCoreClockUpdate() проходится по всем регистрам, связанным с системой тактирования, вычисляет текущую тактовую скорость и записывает ее в SystemCoreClock. Данную функцию нужно вызывать каждый раз, когда регистры, отвечающие за тактирование ядра, меняются.
• Функция SystemInit() сбрасывает тактирование всей периферии и отключает все прерывания (в целях отладки), затем настраивает систему тактирования и подгружает таблицу векторов прерываний.

И последний файл, самый важный для программиста, это драйвер микроконтроллера <device>.h (stm32f10x.h). Вся карта памяти микроконтроллера (о ней еще поговорим) записана там в виде макросов. Например, адрес начала регистров периферии, флеш и оперативной памяти:

xxxxxxxxxx
#define FLASH_BASE            ((uint32_t)0x08000000)
#define SRAM_BASE             ((uint32_t)0x20000000)
#define PERIPH_BASE           ((uint32_t)0x40000000)

Регистры модулей, таких как порты ввода-вывода, обернуты в структуры.

xxxxxxxxxx
typedef struct
{
  __IO uint32_t CRL;
  __IO uint32_t CRH;
  __IO uint32_t IDR;
  __IO uint32_t ODR;
  __IO uint32_t BSRR;
  __IO uint32_t BRR;
  __IO uint32_t LCKR;
} GPIO_TypeDef;

Вместо того, чтобы обращаться к ячейке по нужному адресу, это можно сделать через структуру.

xxxxxxxxxx
#define APB2PERIPH_BASE       (PERIPH_BASE + 0x10000)
// ...
#define GPIOA_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
// ...
#define GPIOA                 ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)

Так как элементы в структуре расположены линейно, друг за другом, а длина регистра фиксирована (uint32_t, 4 байта), то регистр CRL хранится по адресу GPIOA_BASE, а следующий за ним CRH через четыре байта, по адресу GPIOA_BASE + 4. Ниже приведен пример настройки одной из ножек порта на выход. Вам этот код пока что ничего не скажет, но суть сейчас в другом — вам нужно увидеть пример использования библиотеки.

xxxxxxxxxx
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; // Включение тактирования порта A
​
GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_MODE3_0; // set as
GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_MODE3_1;  // output with 2 MHz speed
GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF3;    // push-pull output

В самом конце файла есть полезные макросы для записи, сброса, чтения битов и целых регистров.

xxxxxxxxxx
#define SET_BIT(REG, BIT)     ((REG) |= (BIT))
#define CLEAR_BIT(REG, BIT)   ((REG) &= ~(BIT))
#define READ_BIT(REG, BIT)    ((REG) & (BIT))
#define CLEAR_REG(REG)        ((REG) = (0x0))
#define WRITE_REG(REG, VAL)   ((REG) = (VAL))
#define READ_REG(REG)         ((REG))
#define MODIFY_REG(REG, CLEARMASK, SETMASK)  WRITE_REG((REG), (((READ_REG(REG)) & (~(CLEARMASK))) | (SETMASK)))

Мы рассмотрели, как эти операции работают, в разделе «Микроконтроллер под микроскопом». Т.е. код выше можно переписать так (и он будет более читаем):

xxxxxxxxxx
SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPAEN);
​
CLEAR_BIT(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_MODE3_1);
// ...

Для всех стандартных типов (определенных в <stdint.h>) вводятся сокращенные синонимы, например:

xxxxxxxxxx
typedef uint32_t u32;
typedef uint16_t u16;
typedef uint8_t  u8;
​
typedef const uint32_t uc32;
typedef const uint16_t uc16;
typedef const uint8_t  uc8;
​
typedef __IO uint32_t vu32;
typedef __IO uint16_t vu16;
typedef __IO uint8_t  vu8;

Слово __IO не входит в стандарт языка, а переопределено в core_cm3.h:

xxxxxxxxxx
#define     __IO    volatile

Последнее, о чём нужно упомянуть, это перечисление IRQn_Type.

xxxxxxxxxx
typedef enum IRQn
{ // Cortex-M3 Processor Exceptions Numbers
    NonMaskableInt_IRQn         = -14,
    MemoryManagement_IRQn       = -12,
    BusFault_IRQn               = -11,
    UsageFault_IRQn             = -10,
    SVCall_IRQn                 = -5,
    DebugMonitor_IRQn           = -4,
    PendSV_IRQn                 = -2,
    SysTick_IRQn                = -1,
    // ....
#ifdef STM32F10X_MD
    ADC1_2_IRQn                 = 18,
    USB_HP_CAN1_TX_IRQn         = 19,
    USB_LP_CAN1_RX0_IRQn        = 20,
    CAN1_RX1_IRQn               = 21,
    CAN1_SCE_IRQn               = 22,
    EXTI9_5_IRQn                = 23,
    TIM1_BRK_IRQn               = 24,
    TIM1_UP_IRQn                = 25,
    // ...
#endif /* STM32F10X_MD */
} IRQn_Type;

Оно устанавливает номер исключительной ситуации в соответствие с его названием. Когда вы вызываете функции NVIC_Enable() или NVIC_Disable(), в качестве параметра нужно использовать одно из имен в этом перечислении.

Назад | Оглавление | Дальше