ARM嵌入式軟件編程經(jīng)驗(yàn)談
作者：孫老師，華清遠(yuǎn)見教育科技集團(tuán)品牌講師。
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(jì)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(wèn)，也要求數(shù)據(jù)對(duì)齊，即存取“字（Word）”數(shù)據(jù)時(shí)要求四字節(jié)對(duì)齊，地址的bits[1：0]＝＝0b00；存取“半字（Halfwords）”時(shí)要求兩字節(jié)對(duì)齊，地址的bit[0]＝＝0b0；存取“字節(jié)（Byte）”數(shù)據(jù)時(shí)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(duì)齊到自然尺寸邊界上，以便通過(guò)使用 LDR和 STR 指令有效地存取這些變量。這種內(nèi)存訪問(wèn)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(duì)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(shí)，內(nèi)存訪問(wèn)的地址對(duì)齊問(wèn)題必須予以注意。在RISC體系結(jié)構(gòu)下，存取未對(duì)齊數(shù)據(jù)無(wú)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(jià)。
本文將從以下幾個(gè)方面討論在ARM體系結(jié)構(gòu)下的程序設(shè)計(jì)問(wèn)題。
未對(duì)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(duì)齊方式一致，所以ARM 編譯器期望程序中的 C 指針指向存儲(chǔ)器中字對(duì)齊地址，因?yàn)檫@可使編譯器生成更高效的代碼。
比如，如果定義一個(gè)指向 int 數(shù)據(jù)類型的指針，用該指針讀取一個(gè)字，ARM 編譯器將使用LDR 指令來(lái)完成此操作。如果讀取的地址為四的倍數(shù)（即在一個(gè)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(gè)循環(huán)移位結(jié)果，而不是執(zhí)行真正的未對(duì)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(gè)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(duì)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(gè)指定地址（即該地址為非自然邊界對(duì)齊），那么在定義該指針時(shí)，必須使用 __packed 限定符來(lái)定義指針： 例如，
__packed int *pi; // 指針指向一個(gè)非字對(duì)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(lái)存取內(nèi)存，這樣就不必考慮指針對(duì)齊問(wèn)題。所生成的代碼是字節(jié)存取的一個(gè)序列，或者取決于編譯選項(xiàng)、跟變量對(duì)齊相關(guān)的移位和屏蔽。但這會(huì)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(lái)存取存儲(chǔ)器映射的外圍寄存器，因?yàn)?ARM 編譯程序可使用多個(gè)存儲(chǔ)器存取來(lái)獲取數(shù)據(jù)。因而，可能對(duì)實(shí)際存取地址附近的位置進(jìn)行存取，而這些附近的位置可能對(duì)應(yīng)于其它外部寄存器。當(dāng)使用了位字段（Bitfield）時(shí)，
ARM 程序?qū)⒃L問(wèn)整個(gè)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)用程序初都是在原型環(huán)境下開發(fā)的。無(wú)論什么樣的原型環(huán)境的資源與終產(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(dú)立運(yùn)行是非常重要的。
開始編寫嵌入式應(yīng)用程序時(shí)，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(chǔ)器映射情況甚至不能確定處理器的型號(hào)。 為在了解這些詳細(xì)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(wú)關(guān)的應(yīng)用程序代碼。下面詳細(xì)介紹介紹這些編譯選項(xiàng)，只有深入了解這些編譯選項(xiàng)設(shè)置，才能使開發(fā)更順利的進(jìn)行。
調(diào)整 C 庫(kù)使其適應(yīng)目標(biāo)硬件
默認(rèn)情況下，C 庫(kù)利用semihostig機(jī)制來(lái)提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)級(jí)的功能，使得主機(jī)主機(jī)能夠用作輸入和輸出設(shè)備。這種機(jī)制對(duì)于嵌入式開發(fā)十分有用，因?yàn)橛糜陂_發(fā)的硬件系統(tǒng)通常沒有終系統(tǒng)的輸入和輸出設(shè)備。
簡(jiǎn)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(shí)，將字符從調(diào)試器的控制臺(tái)輸出。這時(shí)就需要重新實(shí)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(gè)獨(dú)立的源文件中實(shí)現(xiàn)的。這樣，fputc() 在依目標(biāo)而定的輸出和 C 庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)輸出函數(shù)之間充當(dāng)一個(gè)抽象層。
圖1
C庫(kù)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(chǔ)器映射調(diào)整
映像由域（Regions）和輸出段（Output Sections）組成。每個(gè)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(chǔ)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(shí)和執(zhí)行時(shí)分散在存儲(chǔ)器映射中的多個(gè)區(qū)組成的復(fù)雜映像映射。雖然，分散加載可以用于簡(jiǎn)單映像，但它通常僅用于具有復(fù)雜存儲(chǔ)器映射的映像。
要構(gòu)建映像的存儲(chǔ)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(chǔ)空間的起始地址。
有兩種方法可以實(shí)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(jiǎn)單，可以使用命令行選項(xiàng)；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(gè)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(gè)文本文件，通過(guò)下面的鏈接選項(xiàng)來(lái)實(shí)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(dòng)時(shí)立即執(zhí)行復(fù)位處理程序，然后進(jìn)入$Sub$main()的代碼執(zhí)行。
復(fù)位處理程序是用匯編語(yǔ)言編寫的代碼塊，它在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)執(zhí)行，完成系統(tǒng)必須初始化操作。對(duì)于具有局部存儲(chǔ)器的內(nèi)核，如Caches、緊密藕荷存儲(chǔ)器 (TCM)、存儲(chǔ)管理單元 (MMU) 和存儲(chǔ)器保護(hù)單元 (MPU) 等，在初始化過(guò)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(kù)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(dòng)前完成。但部分與硬件相關(guān)的系統(tǒng)初始化過(guò)程，如啟用Cache和中斷，必須在C庫(kù)初始化代碼執(zhí)行完成后才能執(zhí)行。
為了在進(jìn)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(shí)符在進(jìn)入主程序之前插入一個(gè)例程。這一機(jī)制可以在不改變?cè)创a的情況下擴(kuò)展函數(shù)的功能。
下面的例子說(shuō)明了如何使用$sub和$super函數(shù)標(biāo)識(shí)。鏈接程序通過(guò)調(diào)用$sub$$main（）函數(shù)取代對(duì)main（）的調(diào)用。所以用戶可以在自己編寫的$sub$$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(guò)調(diào)用$Super$$main()，是代碼跳轉(zhuǎn)到實(shí)際的main（）函數(shù)。
在完成硬件初始化之后，必須考慮主應(yīng)用程序運(yùn)行在何種模式。如果應(yīng)用程序運(yùn)行在特權(quán)模式（Privileged mode），只需在退出復(fù)位處理程序前切換到適當(dāng)?shù)哪Ｊ剑蝗绻麘?yīng)用程序運(yùn)行在用戶模式下，要在完成系統(tǒng)初始化之后，再切換到用戶模式。模式的切換工作，一般在$Sub$$main(void)函數(shù)中完成。
圖2 ARM嵌入式系統(tǒng)的初始化序列
作者介紹：孫老師，華清遠(yuǎn)見嵌入式培訓(xùn)中心講師，嵌入式行業(yè)資深專家，暢銷書作者，具有豐富的嵌入式項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，多年來(lái)一直從事Linux內(nèi)核的研究工作，任Linux伊甸園網(wǎng)站內(nèi)核版版主。代表作有《嵌入式設(shè)計(jì)及Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)指南》、《Red
Hat Linux實(shí)用指南》等。