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使用ARM標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)進(jìn)行嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)

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作者: 時(shí)間:2007-04-29 來(lái)源: 收藏
引 言
    隨著對(duì)高處理能力、實(shí)時(shí)多任務(wù)、超低功耗等方面需求的增長(zhǎng),高端處理器已經(jīng)進(jìn)入了國(guó)內(nèi)開發(fā)人員的視野,并在國(guó)內(nèi)得到了普遍的重視和應(yīng)用。是目前領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的RIS微處理器結(jié)構(gòu),憑借低成本、低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)了系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。ADS是公司推出的集成開發(fā)環(huán)境,提供了對(duì)++的支持,是目前開發(fā)ARM的主要工具。本文針對(duì)日益縮短的嵌入式開發(fā)周期,結(jié)合ARM系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試經(jīng)驗(yàn),對(duì)使用ARM標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)作了比較系統(tǒng)的分析。

1 ARM標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)介紹
    ADS提供了ANSI C和C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù),本文僅討論ANSI C庫(kù),該庫(kù)包含下面幾個(gè)部分:
    ◇IS0 C庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)所定義的函數(shù);
    ◇在semlhosted環(huán)境下用來(lái)實(shí)現(xiàn)C庫(kù)函數(shù)與目標(biāo)相關(guān)的函數(shù);
    ◇C和C++編譯器要使用的heIper函數(shù)。

    該庫(kù)提供的諸如文件輸入輸出之類的設(shè)備,使用了標(biāo)準(zhǔn)的ARM semihosted執(zhí)行環(huán)境(semihosting是針對(duì)ARM目標(biāo)機(jī)的一種機(jī)制,它能夠根據(jù)應(yīng)用程序代碼的輸入/輸出請(qǐng)求,與運(yùn)行有調(diào)度功能的主機(jī)通信,這種技術(shù)允許主機(jī)為通常沒(méi)有輸入和輸出功能的目標(biāo)硬件提供主機(jī)資源)。ARMulator、Angel和Multi-lCE都支持這個(gè)環(huán)境,可以使用ADs中提供的開發(fā)工具開發(fā)應(yīng)用程序,然后在ARMulator或者是開發(fā)板上運(yùn)行和調(diào)試該程序。如果要使應(yīng)用系統(tǒng)獨(dú)立于這個(gè)環(huán)境,則必須重新實(shí)現(xiàn)C庫(kù)中依賴于這個(gè)環(huán)境的相關(guān)函數(shù),根據(jù)用戶系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境對(duì)C庫(kù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟脺p。

    使用ANSI標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)進(jìn)行程序開發(fā),不僅可以提高開發(fā)效率而且可以增強(qiáng)程序的可移植性。在程序中使用庫(kù)函數(shù),必須先建立一個(gè)庫(kù)函數(shù)可以執(zhí)行的環(huán)境,這些工作都由庫(kù)中的函數(shù)完成。當(dāng)應(yīng)用程序鏈接了C庫(kù)中的函數(shù)時(shí),C庫(kù)中的函數(shù)將完成:
    ◇創(chuàng)建C程序所需的執(zhí)行環(huán)境(建立棧,如果需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)堆,初始化程序使用的部分庫(kù));
    ◇調(diào)用main()函數(shù)開始執(zhí)行C程序;
    ◇支持程序使用的Is0定義的函數(shù);
    ◇捕獲運(yùn)行時(shí)的錯(cuò)誤和信號(hào),如果需要,根據(jù)錯(cuò)誤終止執(zhí)行或程序退出。

2 裁減ARM標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)庫(kù)
   
標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中包含了部分依賴于ARM semihosted執(zhí)行環(huán)境的函數(shù),這部分函數(shù)的函數(shù)名中包含有單個(gè)或兩個(gè)下劃線“-”,需要重新實(shí)現(xiàn)這部分函數(shù)。如果在程序中定義這些函數(shù),則編譯器就會(huì)使用新定義的函數(shù),這個(gè)過(guò)程稱為庫(kù)函數(shù)的裁減。一般情況下,只需要重新定義很少的幾個(gè)函數(shù)就可以使用C庫(kù)。

    ARM應(yīng)用系統(tǒng)開始執(zhí)行用戶應(yīng)用程序,必須先將應(yīng)用程序加載到執(zhí)行域,建立應(yīng)用程序的執(zhí)行環(huán)境。使用C庫(kù)時(shí),這些繁瑣的工作就大部分由c函數(shù)來(lái)完成了。匯編程序完成系統(tǒng)初始化后,跳轉(zhuǎn)到C程序的人口_main()(注意:不是main(),當(dāng)C程序中定義了main()主函數(shù)時(shí),編譯器就會(huì)生成_main代碼)。由_main()引導(dǎo)庫(kù)函數(shù)完成C執(zhí)行環(huán)境的初始化,具體過(guò)程如下:
    ◇將非啟動(dòng)代碼的RO和RW執(zhí)行域代碼從加載域地址復(fù)制到執(zhí)行域地址;
    ◇將ZI域清零;
    ◇跳轉(zhuǎn)到_rt_entry。

    調(diào)用_main()將大大簡(jiǎn)化匯編啟動(dòng)代碼的編寫,匯編代碼僅需完成系統(tǒng)硬件的初始化,而沒(méi)有必要將代碼從加載域地址復(fù)制到執(zhí)行域地址,以及ZI域清零等工作。特別是當(dāng)使用分布式加載時(shí)_main()的作用就更加明顯了。但是_main()并沒(méi)有建立C庫(kù)運(yùn)行必須的環(huán)境,這項(xiàng)工作由_rt_entry()完成,主要調(diào)用過(guò)程為:
    ◇調(diào)用_rt_stackheap_init()建立堆和棧;
    ◇調(diào)用_rt_lib_init()初始化引用的庫(kù)函數(shù);如果需要,建立main()函數(shù)的參數(shù)argc和argv等;
    ◇調(diào)用main()函數(shù),執(zhí)行應(yīng)用程序,可以應(yīng)用庫(kù)函數(shù);
    ◇用main()函數(shù)的返回值作參數(shù)調(diào)用exit()。  

    _rt_entry并不是C函數(shù),它是用ARM C庫(kù)編程的起始點(diǎn)。_rt_entry不能用C語(yǔ)言宴現(xiàn),因?yàn)檫@時(shí)候堆棧還沒(méi)有建立,堆棧由_ rt_stackheap_init()來(lái)建立。

    上面簡(jiǎn)單介紹了C程序使用庫(kù)函數(shù)時(shí)的調(diào)用過(guò)程,由_rt—stackheap_init()建立C庫(kù)使用的內(nèi)存模型--堆和棧。因?yàn)锳RM庫(kù)是建立在semihosted執(zhí)行環(huán)境的,它實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存模型是基于這個(gè)環(huán)境的,所以必須修改這個(gè)內(nèi)存模型建立機(jī)制。表1列出了需要重新實(shí)現(xiàn)的函數(shù),實(shí)現(xiàn)了這些函數(shù),應(yīng)用程序就可以脫離宿主機(jī)環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行了。其中,必須重新實(shí)現(xiàn)的是_user initial_stackheap(),因?yàn)槟J(rèn)的實(shí)現(xiàn)是基于semihosted執(zhí)行環(huán)境的,該函數(shù)被_n_stackheap_init()調(diào)用創(chuàng)建內(nèi)存模型,其他兩個(gè)函數(shù)沒(méi)有默認(rèn)的實(shí)現(xiàn)。


實(shí)現(xiàn)該函數(shù),必須滿足下面的條件:
    ◇使用不超過(guò)96字節(jié)的??臻g;
    ◇除了R12(ip)外不要污染其他寄存器;
    ◇將堆基址、?;贰⒍堰吔绾蜅_吔绶謩e存在RO~R3作為返回參數(shù);
    ◇堆必須保持8個(gè)字節(jié)對(duì)齊。
    實(shí)現(xiàn)例程如下:

為了提高應(yīng)用程序開發(fā)效率和可移植性,希望在目標(biāo)系統(tǒng)上使用ARM庫(kù)提供的標(biāo)準(zhǔn)輸人輸出庫(kù)函數(shù)。

    高層輸入輸出函數(shù)是不依賴于目標(biāo)系統(tǒng)環(huán)境的,但是高層輸入輸出函數(shù)必須調(diào)用依賴于目標(biāo)系統(tǒng)的底層函數(shù),才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的輸入輸出。依據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)硬件環(huán)境重新定義這些底層函數(shù),就可以使用庫(kù)提供的標(biāo)準(zhǔn)input/output庫(kù)函數(shù)了。下面以裁減ARM標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)提供的printf系列輸出函數(shù)為例來(lái)作說(shuō)明。

    標(biāo)準(zhǔn)I/O庫(kù)中最常用的是printf系列函數(shù),包括_printf()、printf()、_fprintf()、fprintf()、vprintf()和vfprintf()。所有這些函數(shù)非透明地使用_FILE,并且僅依賴于fputc()和ferror()兩個(gè)函數(shù)。函數(shù)_printf()和_fprintf()與printf()和fprintf()的區(qū)別僅在于前兩個(gè)函數(shù)不能格式化浮點(diǎn)值。只要定義了自己的_FILE版本和fputc()、ferror()函數(shù),外加定義一個(gè)具有FILE類型的_stdout變量,就可以不作任何修改地使用printf系列、fwrite()、fputs()和puts()函數(shù)了。

    下面給出了具體實(shí)現(xiàn)的模板,可以根據(jù)實(shí)際需要修改。
    #include<stdio.h>
    struct__FILE
    {
    int handle;
    /*用戶需要的任何代碼(如果使用文件僅是為了調(diào)試使用prinft在標(biāo)準(zhǔn)輸出端輸出信息,則不需要任何文件處理代碼)*/
};
    FlLE_stdout;/*FILE在stdio.h中定義為:typedef struct_
    FILE FILE;*/
    int fputc(int ch,F(xiàn)ILE*f){
    /*用戶實(shí)現(xiàn)的fpute代碼。輸出一個(gè)字符,可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)*/
return ch;
}
    int ferror(FILE*f){
    /*用戶實(shí)現(xiàn)的ferror代碼*/
    return EOF;
    }

結(jié)語(yǔ)
    本文分析了ARM標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的工作機(jī)理,給出了裁減C庫(kù)進(jìn)行程序開發(fā)的關(guān)鍵步驟。實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)具體的硬件環(huán)境和應(yīng)用要求裁減C庫(kù),提高代碼執(zhí)行效率。
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