ARM嵌入式軟件編程經(jīng)驗談

ARM 系列處理器是 RISC (Reducded InSTructiON Set Computing)處理器。很多基于ARM的高效代碼的程序設(shè)計策略都源于RISC 處理器。和很多 RISC 處理器一樣，ARM 系列處理器的內(nèi)存訪問，也要求數(shù)據(jù)對齊，即存取“字(Word)”數(shù)據(jù)時要求四字節(jié)對齊，地址的bits[1：0]==0b00;存取“半字(Halfwords)”時要求兩字節(jié)對齊，地址的bit[0]==0b0;存取“字節(jié)(Byte)”數(shù)據(jù)時要求該數(shù)據(jù)按其自然尺寸邊界(Natural Size Boundary)定位。

ARM 編譯程序通常將全局變量對齊到自然尺寸邊界上，以便通過使用 LDR和 STR 指令有效地存取這些變量。這種內(nèi)存訪問方式與多數(shù) CISC (Complex Instruction Set Computing)體系結(jié)構(gòu)不同，在CISC體系結(jié)構(gòu)下，指令直接存取未對齊的數(shù)據(jù)。因而，當(dāng)需要將代碼從CISC 體系結(jié)構(gòu)向 ARM 處理器移植時，內(nèi)存訪問的地址對齊問題必須予以注意。在RISC體系結(jié)構(gòu)下，存取未對齊數(shù)據(jù)無論在代碼尺寸或是程序執(zhí)行效率上，都將付出非常大的代價。

本文將從以下幾個方面討論在ARM體系結(jié)構(gòu)下的程序設(shè)計問題。

未對齊的數(shù)據(jù)指針

C和C++編程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，指向某一數(shù)據(jù)類型的指針，必須和該類型的數(shù)據(jù)地址對齊方式一致，所以ARM 編譯器期望程序中的 C 指針指向存儲器中字對齊地址，因為這可使編譯器生成更高效的代碼。

比如，如果定義一個指向 int 數(shù)據(jù)類型的指針，用該指針讀取一個字，ARM 編譯器將使用LDR 指令來完成此操作。如果讀取的地址為四的倍數(shù)(即在一個字的邊界)即能正確讀取。但是，如果該地址不是四的倍數(shù)，那么，一條 LDR 指令返回一個循環(huán)移位結(jié)果，而不是執(zhí)行真正的未對齊字載入。循環(huán)移位結(jié)果取決于該地址向?qū)τ谧值倪吔绲钠屏亢拖到y(tǒng)所使用的端序(Endianness)。例如，如果代碼要求從指針指向的地址 0x8006 載入數(shù)據(jù)，即要載入 0x8006、0x8007、0x8008 和 0x8009 四字節(jié)的內(nèi)容。但是，在 ARM 處理器上，這個存取操作載入了0x8004、0x8005、0x8006 和 0x8007 字節(jié)的內(nèi)容。這就是在未對齊的地址上使用指針存取所得到的循環(huán)移位結(jié)果。

因而，如果想將指針定義到一個指定地址(即該地址為非自然邊界對齊)，那么在定義該指針時，必須使用 __packed 限定符來定義指針： 例如，

__packed int *pi; // 指針指向一個非字對其內(nèi)存地址

使用了_packed限定符限定之后，ARM 編譯器將產(chǎn)生字節(jié)存取命令(LDRB或STRB指令)來存取內(nèi)存，這樣就不必考慮指針對齊問題。所生成的代碼是字節(jié)存取的一個序列，或者取決于編譯選項、跟變量對齊相關(guān)的移位和屏蔽。但這會導(dǎo)致系統(tǒng)性能和代碼密度的損失。

值得注意的是，不能使用 __packed 限定的指針來存取存儲器映射的外圍寄存器，因為 ARM 編譯程序可使用多個存儲器存取來獲取數(shù)據(jù)。因而，可能對實際存取地址附近的位置進行存取，而這些附近的位置可能對應(yīng)于其它外部寄存器。當(dāng)使用了位字段(Bitfield)時， ARM 程序?qū)⒃L問整個結(jié)構(gòu)體，而非指定字段。

編譯器的缺省行為

多數(shù)嵌入式應(yīng)用程序最初都是在原型環(huán)境下開發(fā)的。無論什么樣的原型環(huán)境的資源與最終產(chǎn)品環(huán)境都是有差異的。因此，考慮如何將嵌入式應(yīng)用程序從其所依賴的開發(fā)工具或調(diào)試環(huán)境中移植到在目標(biāo)硬件上獨立運行是非常重要的。

開始編寫嵌入式應(yīng)用程序時，開發(fā)者可能并不清楚目標(biāo)硬件的具體規(guī)格。如，目標(biāo)系統(tǒng)使用了什么樣的外圍設(shè)備、存儲器映射情況甚至不能確定處理器的型號。 為在了解這些詳細信息前能夠繼續(xù)軟件的開發(fā)，RVCT 工具提供了很多默認(rèn)的操作，使用戶能編譯和調(diào)試與目標(biāo)系統(tǒng)無關(guān)的應(yīng)用程序代碼。下面詳細介紹介紹這些編譯選項，只有深入了解這些編譯選項設(shè)置，才能使開發(fā)更順利的進行。

調(diào)整 C 庫使其適應(yīng)目標(biāo)硬件

默認(rèn)情況下，C 庫利用semihostig機制來提供設(shè)備驅(qū)動級的功能，使得主機主機能夠用作輸入和輸出設(shè)備。這種機制對于嵌入式開發(fā)十分有用，因為用于開發(fā)的硬件系統(tǒng)通常沒有最終系統(tǒng)的輸入和輸出設(shè)備。

最簡單的函數(shù)重定向的例子就是用戶希望fputc()函數(shù)能夠?qū)⒆址麖哪繕?biāo)系統(tǒng)的串口輸出而不是在調(diào)試時，將字符從調(diào)試器的控制臺輸出。這時就需要重新實現(xiàn)該函數(shù)。下面的例子將fputc() 的輸入字符參數(shù)重新指向一連續(xù)輸出函數(shù) sendchar()，將定該例在一個獨立的源文件中實現(xiàn)的。這樣，fputc() 在依目標(biāo)而定的輸出和 C 庫標(biāo)準(zhǔn)輸出函數(shù)之間充當(dāng)一個抽象層。

圖1 C庫函數(shù)重定向

例子程序的代碼如下所示。

extern void sendchar(char *ch);

int fputc(int ch, FILE *f)

{?? /* e.g. write a character to an UART */

char tempch = ch;

sendchar(tempch);

return ch;

}

映象文件存儲器映射調(diào)整

映像由域(Regions)和輸出段(Output Sections)組成。每個域可以有不同的加載地址和執(zhí)行地址。

分散加載可以更加方便準(zhǔn)確的指定映像存儲器映射，為映像組件分組和布局提供了全面控制。它能夠描述由載入時和執(zhí)行時分散在存儲器映射中的多個區(qū)組成的復(fù)雜映像映射。雖然，分散加載可以用于簡單映像，但它通常僅用于具有復(fù)雜存儲器映射的映像。

要構(gòu)建映像的存儲器映射，必須向armlink 提供以下信息：

·? 分組信息? 決定如何將各輸入段組織成相應(yīng)的輸出段和域;

·? 定位信息? 決定各域在存儲空間的起始地址。

有兩種方法可以實現(xiàn)指定映像文件的分組和定位信息：如果映像文件中地址映射關(guān)系比較簡單，可以使用命令行選項;如果映像文件中地址映射關(guān)系比較復(fù)雜的情況，可以使用一個配置文件。使用該配置文件可以高速鏈接器相關(guān)的地址映射關(guān)系。配置文件又叫Scatter文件，是一個文本文件，通過下面的鏈接選項來實現(xiàn)。

-scatter? filename

復(fù)位和初始化

ARM嵌入式系統(tǒng)的初始化序列如圖2所示。系統(tǒng)啟動時立即執(zhí)行復(fù)位處理程序，然后進入$Sub$main()的代碼執(zhí)行。

復(fù)位處理程序是用匯編語言編寫的代碼塊，它在系統(tǒng)復(fù)位時執(zhí)行，完成系統(tǒng)必須初始化操作。對于具有局部存儲器的內(nèi)核，如Caches、緊密藕荷存儲器 (TCM)、存儲管理單元 (MMU) 和存儲器保護單元 (MPU) 等，在初始化過程這一階段完成必要的配置。復(fù)位處理程序在執(zhí)行之后，通常跳轉(zhuǎn)到 __main 以開始 C 庫的初始化序列。

一般情況下，系統(tǒng)初始化代碼和主應(yīng)用程序是分開的。系統(tǒng)初始化要在主應(yīng)用程序啟動前完成。但部分與硬件相關(guān)的系統(tǒng)初始化過程，如啟用Cache和中斷，必須在C庫初始化代碼執(zhí)行完成后才能執(zhí)行。

為了在進入主應(yīng)用程序之前，完成系統(tǒng)初始化，可以使用$sub和$super函數(shù)標(biāo)識符在進入主程序之前插入一個例程。這一機制可以在不改變源代碼的情況下擴展函數(shù)的功能。

下面的例子說明了如何使用$sub和$super函數(shù)標(biāo)識。鏈接程序通過調(diào)用$sub$$main()函數(shù)取代對main()的調(diào)用。所以用戶可以在自己編寫的$sub$$main()例程中啟用Cache或使能中斷。

extern void $Super$$main(void);

void $Sub$$main(void)

{

cache_enable();??? // enables caches

int_enable();????? // enables interrupts

$Super$$main();??? // calls original main()

}

在$Sub$$main(void)函數(shù)中，鏈接程序通過調(diào)用$Super$$main()，是代碼跳轉(zhuǎn)到實際的main()函數(shù)。

在完成硬件初始化之后，必須考慮主應(yīng)用程序運行在何種模式。如果應(yīng)用程序運行在特權(quán)模式(Privileged mode)，只需在退出復(fù)位處理程序前切換到適當(dāng)?shù)哪Ｊ?如果應(yīng)用程序運行在用戶模式下，要在完成系統(tǒng)初始化之后，再切換到用戶模式。模式的切換工作，一般在$Sub$$main(void)函數(shù)中完成。

圖2 ARM嵌入式系統(tǒng)的初始化序列