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

引 言
    隨著對高處理能力、實(shí)時(shí)多任務(wù)、超低功耗等方面需求的增長，高端嵌入式處理器已經(jīng)進(jìn)入了國內(nèi)開發(fā)人員的視野，并在國內(nèi)得到了普遍的重視和應(yīng)用。ARM是目前嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的RISC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)了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。ADS是ARM公司推出的ARM集成開發(fā)環(huán)境，提供了對C和C++的支持，是目前開發(fā)ARM的主要工具。本文針對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)，對使用ARM標(biāo)準(zhǔn)庫進(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)庫介紹
    ADS提供了ANSI C和C++標(biāo)準(zhǔn)庫，本文僅討論ANSI C庫，該庫包含下面幾個(gè)部分：
    ◇IS0 C庫標(biāo)準(zhǔn)所定義的函數(shù)；
    ◇在semlhosted環(huán)境下用來實(shí)現(xiàn)C庫函數(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C庫進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟脺p。

    使用ANSI標(biāo)準(zhǔn)C庫進(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。在程序中使用庫函數(shù)，必須先建立一個(gè)庫函數(shù)可以執(zhí)行的環(huán)境，這些工作都由庫中的函數(shù)完成。當(dāng)應(yīng)用程序鏈接了C庫中的函數(shù)時(shí)，C庫中的函數(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)；
    ◇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
    標(biāo)準(zhǔn)庫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)過程稱為庫函數(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。

    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庫時(shí)，這些繁瑣的工作就大部分由c函數(shù)來完成了。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)庫函數(shù)完成C執(zhí)行環(huán)境的初始化，具體過程如下：
    ◇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()并沒有建立C庫運(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庫編程的起始點(diǎn)。_rt_entry不能用C語言宴現(xiàn)，因?yàn)檫@時(shí)候堆棧還沒有建立，堆棧由＿ rt_stackheap_init()來建立。

    上面簡單介紹了C程序使用庫函數(shù)時(shí)的調(diào)用過程，由_rt—stackheap_init()建立C庫使用的內(nèi)存模型－－堆和棧。因?yàn)锳RM庫是建立在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庫提供的標(biāo)準(zhǔn)輸人輸出庫函數(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)，就可以使用庫提供的標(biāo)準(zhǔn)input／output庫函數(shù)了。下面以裁減ARM標(biāo)準(zhǔn)庫提供的printf系列輸出函數(shù)為例來作說明。

    標(biāo)準(zhǔn)I/O庫中最常用的是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
    本文分析了ARM標(biāo)準(zhǔn)庫的工作機(jī)理，給出了裁減C庫進(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，提高代碼執(zhí)行效率。