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使用ADS1.2进行嵌入式软件开发[上]

ARM公司

概述

嵌入式应用程序通常都是在样机环境下调试与开发的，这种环境与最终产品之间并不完全相同。因此，在系统调试阶段就考虑应用程序在最终目标硬件中的运行情况是非常重要的。

本文旨在讨论如何将一个开发/调试环境下的嵌入式应用程序转移到最终独立运行的目标系统中去，并提到了ARM ADS1.2开发工具包的一些功能特性及其在这个过程中所起到的作用。

使用ADS开发嵌入式程序时，需要着重考虑以下几个问题：

与硬件相关的C语言库函数的使用；

某些C语言库函数使用了调试环境中的资源，要把这些使用的资源重定向到目标系统中的硬件上来；

可执行映象文件的存储器映射必须根据目标硬件的存储器分布进行裁剪；

在主程序执行前，嵌入式应用程序必须先完成系统的初始化。一个完整的初始化包括用户的启动执行代码和ADS中C库函数的初始化过程。

图1 Semihosting的实现举例

图2 C语言库函数结构

图3 缺省的存储器映射

图4 连接器布局规则

缺省的工程项目设置

刚开始一个嵌入式应用软件开发时，ADS用户可能并不完全清楚目标硬件的一些参数指标。比如有关外设、存储器地址分布，甚至处理器类型等一些细节，可能还没有最终确定。为了在所有这些细节全部就绪前就能进行软件开发，ADS工具有一套程序构建和调试的缺省设置。了解这套缺省的工程项目设置方法，对于掌握最终的移植步骤非常有好处。

ADS1.2 C语言函数库Semihosting

在ADS的C语言函数库中，某些ANSIC的功能是由主机的调试环境来提供的，这套机制有一个专门术语叫Semihosting。Semihosting通过一组软件中断(SWI)指令来实现。如图1所示，当一个Semihosting软中断被执行时，调试系统先识别这个SWI请求，然后挂起正在运行的程序，调用Semihosting的服务，完成后再恢复原来的程序执行。因此，主机执行的任务对于程序来说是透明的。

C语言库函数结构

从概念上来讲，C语言库函数可以被分成两部分，一是ANSIC语言规范本身的一部分，一是只受某一特定ANSIC层次支持的函数，如图2所示。

其中一些ANSIC的功能是由主机调试环境调用驱动程序级的函数完成的。例如，ADS的库函数printf()把输出信息输出到调试器的控制台窗口，这个功能通过调用__sys_write()实现，__sys_write()执行了一个把字符串输出到主机控制台的Semihosting软中断服务程序。

缺省的存储器映射

如果用户在程序编译时没有指定映象的存储器映射分布，ADS将为生成的目标代码和数据分配一个缺省的存储器映射图，如图3所示。

目标印象被连接至地址0x8000，存储和执行区域都位于该地址开始的空间。RO(只读)部分放在前面，接着是RW(读写)部分，最后是ZI(零初始化)部分。

在ZI部分之上紧跟着HEAP，所以HEAP的确切地址要在连接时才能确定。

STACK的基地址是在应用程序启动时由一个Semihosting操作提供。这项Semihosting操作返回的地址值视不同调试环境而定：
ARMulator返回配置文件peripherals.ami中的设置值；缺省为0x08000000。
Multi-ICE返回的是调试器内部变量$top_of_memory的值；缺省为0x00080000。

连接器布局规则

连接器对代码和数据在存储器系统中的分配，遵循一套规则，如图4所示。
映象首先按照属性以RO-RW-ZI的次序进行排列，在同一种属性里面代码先于数据。然后连接器将输入段根据名字的字母顺序进行排列，输入段的名字与汇编代码里面的块名字指示一致(在汇编程序中用AREA关键字)。在输入段中，来自不同对象的代码和数据放置次序与在连接器命令行中指定的对象文件次序一致。

在需要灵活分配代码和数据放置位置的情况下，建议用户不要简单地依靠这些规则。后面会介绍一种如何控制代码和数据布局的机制Scatterloading。

图5 缺省的ADS初始化过程

图6 C库函数重定向

图7 scatter文件语法

图8 分散加载的简单样例

启动应用程序

大多数嵌入式系统在进入应用主程序之前有一个初始化的过程，该过程完成系统的启动和初始化功能。缺省的ADS初始化过程如图5所示。

总体上，初始化过程可以分成两部分来看：
_main负责设置运行映像存储器映射；
_rt_entry负责库函数的初始化。
_main完成代码和数据的复制，并把ZI数据区清零。这一步只有当代码和数据区在存储和运行时处于不同的存储器位置时才有意义。接着_main跳进_rt_entry，进行STACK和HEAP等的初始化。最后_rt_entry跳进应用程序的入口main()。当应用程序执行完时，_rt_entry又将控制权交还给调试器。

函数main()在ADS中有特殊的意义。当一个程序工程项目中存在main()时，连接器会把_main和_rt_entry中的初始化代码连接进来；如果没有main()函数，初始化过程就不会被连接，结果就会导致一些标准的C库函数无效。

根据目标环境裁减C库函数

缺省状态下C库函数利用Semihotsting机制来实现设备驱动的功能。但一个真正的嵌入式系统，要使用到具体的外设或硬件独立于主机环境运行。

C库函数重定向

用户可以定义自己的C语言库函数，连接器在连接时自动使用这些新的功能函数。这个过程叫做重定向C语言库函数，如图6所示。

举例来说，用户有一个I/O设备(如UART)。本来库函数fputc()是把字符输出到调试器控制窗口中去的，但用户把输出设备改成了UART端口，这样一来，所有基于fputc()函数的printf()系列函数输出都被重定向到UART端口上去了。

下面是实现fputc()重定向的一个例子：
externvoidsendchar(char*ch);
intfputc(intch,FILE*f)
｛/*e.g.writeacharactertoanUART*/
chartempch=ch;
sendchar(&tempch);
returnch;
｝

这个例子简单地将输入字符重新定向到另一个函数sendchar()，sendchar()假定是一个另外定义的串口输出函数。在这里，fputc()就好像目标硬件和标准C库函数之间的一个抽象层。

在C语言库函数中禁用Semihosting

在一个独立的嵌入式应用程序中，应该不存在SemihostingSWI操作。因此，用户必须确定在所有调用到的库函数中没有使用Semihosting。为了保证这一点，在程序中可以引进一个符号关键字_use_no_semihosting：

在C代码中，使用#prgrama #pragmaimport〈_use_no_semihosting_swi〉
在汇编程序中，使用IMPORT
IMPORT_use_no_semihosting_swi
这样，当有使用SWI机制的库函数被连接时，连接器会进行报错：
Error:Symbol_semihosting_swi_guardmultiplydefined
为了确定具体是哪一个函数，连接时打开-verbose选项。这样在结果信息输出时，该库函数上将有一个_I_use_semihosting_swi的标记。

Loadingmembersys_wxit.ofromc_a_un.1.
Definition:_sys_exit
Reference:_I_use_semihosting_swi
用户必须要把这些函数定义成自己的执行内容。
有一点需要注意，连接器只能报告库函数中被调用的Semihosting，对用户自定义函数中使用的Semihosting则不会报错。

根据目标硬件定制存储器映射

分散装载(Scatlerloading)

在实际的嵌入式系统中，ADS提供的缺省存储器映射是不能满足要求的。用户的目标硬件通常有多个存储器设备位于不同的位置，并且这些存储器设备在程序装载和运行时可能还有不同的配置。

Scattertoading可以通过一个文本文件来指定一段代码或数据在加载和运行时在存储器中的不同位置。这个文本文件scatterfile在命令行中由-scatter开关指定，例如：

armlink_scatterscat.scffilel.ofile2.0
在scatterfile中可以为每一个代码或数据区在装载和执行时指定不同的存储区域地址，Scatlertoading的存储区块可以分成二种类型：
装载区：当系统启动或加载时应用程序的存放区。
执行区：系统启动后，应用程序进行执行和数据访问的存储器区域，系统在实时运行时可以有一个或多个执行块。

映像中所有的代码和数据都有一个装载地址和运行地址(二者可能相同也可能不同，视具体情况而定)。在系统启动时，C函数库中的__main初始化代码会执行必要的复制及清零操作，使应用程序的相应代码和数据段从装载状态转入执行状态。

1.scatter文件语法
scatter文件是一个简单的文本文件，包含一些简单的语法。
My_Region0x00000x1000
{
thecontextofregion
}
每个块由一个头标题开始定义，头中至少包含块的名字和起始地址，另外还有最大长度和其他一些属性选项。块定义的内容包括在紧接的一对花括号内，依赖于具体的系统情况。

一个加载块必须至少含有一个执行块；实践中通常有多个执行块。

一个执行块必须至少含有一个代码或数据段；这些通常来自源文件或库函数等的目标文件；通配符号*可以匹配指定属性项中所有没有在文件中定义的余下部分。

2.简单分散加载样例

图8所示样例中，只有一个加载块，包含了所有的代码和数据，起始地址为0。这个加载块一共对应两个执行块。一个包含所有的RO代码和数据，执行地址与装载地址相同；同时另一个起始地址为0x10000的执行块，包含所有的RW和ZI数据。这样当系统开始启动时，从第一个执行块开始运行(执行地址等于装载地址)，在执行过程中，有一段初始化代码会把装载块中的一部分代码转移到另外的执行块中。
下面是这个scatter描述文件，该文件描述了上述存储器映射方式。
LOAD_ROM0x4000
｛
EXE_ROM0x00000x4000;Rootregion
｛
*〈+RO〉;Allcodeandconstantdata
｝
RAM0x100000x8000
｛
*〈+RW,+ZI〉;Allnon-constantdata
｝
｝

3.在分散文件中放置对象

在大多数应用中，并不是像前例那样，简单地把所有属性都放在一起，用户需要控制特定代码和数据段的放置位置。这可以通过在scatter文件中对单个目标文件进行定义实现，而不是只简单地依靠通配符。

为了覆盖标准的连接器布局规则，我们可以使用+FIRST和+LAST分散加载指令。典型的例子是在执行块的开始处放置中断向量表格：
LOAD_ROM0x00000x4000
｛
EXEC_ROM0x00000x4000
｛
vectors.o〈Vect,+FIRST〉
*〈+RO〉
｝
;moreexecregions...
｝
在这个scatter文件中，保证了vextors.o中的Vect域被放置于地址0x0000。

4.RootRegion(根区)

根区是一个执行块，它的加载地址与执行地址是一致的。每个scatter文件至少有一个根区。分散加载有一个限制：创建执行块的代码和数据(即完成复制和清零的代码和数据)无法自行复制到另一个位置。因此，在根区中必须含有下面的部分：
_main.o，包含复制代码/数据的代码；

连接器输出变量$$Table和ZISection$$Table，包含被复制代码/数据的地址。
由于上面两个部分的属性是只读的，因此他们被*〈+RO〉通配符语法匹配。如果*〈+RO〉被用在了非根区中，则在根区中必须显式地指明另一个RO区域。

下面是一个例子：
LOAD_ROM0x00000x4000
{
EXE_ROM0x00000x4000;rootregion
｛
_main.o〈+RO〉;copyingcode
*〈Region$$Tabl0e〉;RO/RWaddressestocopy
*〈ZISection$$Table〉;ZIaddressestozero
｝
RAM0x100000x8000
｛
*〈+RO〉;allotherROsections
*〈+RW,+ZI〉;allRWandZIsections
｝
｝

在下期中将更详细介绍利用scatter文件进行存储器配置的方法，以及系统启动和初始化的过程和存储器映射变化关系。

使用ADS1.2进行嵌入式软件开发[下]

上期主要介绍了基于ARM的嵌入式系统软件开发中，怎样来对必要的C库函数进行移植和重定向，以及如何根据不同的目标存储器系统进行程序编译和连接设置。

本期介绍程序中的存储器分配和如何根据设置正确初始化系统。

放置堆栈和heap

Scatterloading机制提供了一种指定代码和静态数据布局的方法。下面介绍如何放置应用程序的堆栈和heap。

* _user_initial_stackheap重定向
应用程序的堆栈和heap是在C库函数初始化过程中建立起来的。可以通过重定向对应的子程序来改变堆栈和heap的位置，在ADS的库函数中，即_user_initial_stackheap()函数。
_user_initial_stackheap()可以用C或汇编来实现，它必须返回如下参数：
r0：heap基地址；
r1：堆栈基地址；
r2：heap长度限制值(需要的话)；
r3：堆栈长度限制值。

当用户使用分散装载功能的时候，必须重调用_user_initial_stackheap()，否则连接器会报错：
Error： L6218E： Undefined symbol Image$$ZI$$Limit (referred from sys_stackheap.o)

*存储器模型

ADS提供了两种实时存储器模型。缺省时为one-region，应用程序的堆栈和heap位于同一个存储器区块，使用的时候相向生长，当在heap区分配一块存储器空间时需要检查堆栈指针。另一种情况是堆栈和heap使用两块独立的存储器区域。对于速度特别快的RAM，可选择只用来作堆栈使用。为了使用这种two-region模型，用户需要导入符号use_two_region_memory，heap使用需要检查heap的长度限制值。

对这两种模型来说，缺省情况下对堆栈的生长都不进行检查。用户可以在程序编译时使用 -apcs/swst 编译器选项来进行软件堆栈检查。如果使用two-region模型，必须得在执行_user_initial_stackheap时指定一个堆栈限制值。

图9 重定向_user_initial_stackheap()

图10 基本初始化过程

图11 ROM/RAM重定向和映射

表1

系统复位和初始化

目前情况，一般假设程序从C库函数的初始化入口_main开始执行。实际上，所有的嵌入式程序在启动时都要执行一些系统级的初始化操作。在此讨论这方面的内容。

初始化过程

图10中显示了一个基于ARM的嵌入式系统的基本初始化过程。可以看到，在_main之前加入了一个复位处理模块reset handler，它在系统上电复位时立即启动。标识为$sub$$main的新代码块在进入主程序之前执行。

复位处理模块reset handler通常是一小段汇编代码，在系统复位时执行。它至少完成应用程序中使用到的所有处理器模式的堆栈初始化工作。对于含有本地存储器系统的内核(比如含cache的ARM内核)，配置工作也必须在这一段初始化过程中完成。当完成系统初始化之后，通常程序会跳向_main，开始C库函数的初始化过程。
系统初始化过程一般还包括另外一些内容，中断使能等，这些大多安排在C库函数的初始化完成之后执行。$sub$$main()完成这部分功能。

向量表(vector table)

所有的ARM系统都有一张中断向量表当出现异常需要处理时，必须调用向量表。向量表一般要位于0地址处。

表2

表3

表4

表5

表6

表7

表8

表9

表10

存储器配置

*ROM/RAM重定向

当系统启动的时候，为了保证0地址处有正确的启动代码存在，需要非易失性的存储器。

一种简单的方法，就是把系统0x0000开始的一块地址分配给ROM。其缺点是，由于ROM的访问速度比RAM慢很多，当执行中断响应需要从中断向量表跳转时，会给系统性能带来损失；同时，在ROM中的向量表内容也不能被用户程序动态修改。

另外一种可行的方案如图11所示。ROM位于地址0x1000开始的地方，但是在系统复位时又被存储器控制器映射到0x0000地址处。这样当系统启动之后，在地址0x0000看到的是ROM，系统执行这块ROM中的启动代码，启动代码跳转到真正的ROM的地址，并让存储器控制器移除对ROM的地址映射。这时0x0000地址处的存储器又恢复回了RAM。__main中的代码把向量表copy到0x0000处的RAM中去，使得异常时能被正确响应。

表1为ARM汇编中执行ROM/RAM重定向和映射的一个例子。它以ARM公司的Integrator平台为基础的，该方法适用于类似ROM/RAM重定向方法的所有平台。第一条指令完成从ROM的映射地址(0x00000)到真实地址的跳转。地址标号instruct_2是ROM的真实地址(0x180004)。然后通过设置Integrator平台上的相应控制寄存器，移除ROM的地址映射。代码在系统一启动就被执行。所有关于地址重定向/映射的操作必须在C库函数初始化之前完成。

*本地存储器配置

许多ARM处理器都有片上存储器系统，如cache和紧密耦合存储器(TCM)、存储器管理单元(MMU)或存储器保护单元(MPU)。这些设备都要在系统初始化过程中正确配置，并且有一些特殊的要求需要考虑。

由前文可知，_main中的C库函数初始化代码负责程序运行时的存储器系统设置。因此，整个存储器系统本身必须得在__main之前完成初始化工作，如MMU或MPU必须在reset handler里面完成配置。

紧密耦合存储器(TCM)的初始化同样须在_main之前完成(通常在MMU/MPU之前)，因为一般程序都需要把代码和数据分散装入TCM。需要注意的是当TCM被使能后，不再访问被TCM屏蔽的存储器。

关于cache的一致性问题，如果cache在_main之前使能的话，那么当_main里面进行从装载区到执行区的代码和数据拷贝时(因为在拷贝过程中指令和数据在本质上都是被当作数据处理)，指令会出现在数据缓冲区。避免此问题的方法是在C库函数初始化完成后再使能cache。

*Scatter loading与存储器配置

无论是通过ROM/RAM重定向还是MMU配置的方法，如果系统在启动和运行时存储器分布不一致，scatterloading文件中的定义就要按照系统重定向后的存储器分布情况进行。

以上文ROM/RAM重定向为例：
LOAD_ROM 0x10000 0x8000
{
EXE_ROM 0x10000 0x8000
{
reset_handler.o (+RO, +FIRST)
...
}
RAM 0x0000 0x4000
{
vectors.o (+RO, +FIRST)
...
}
}

装载区LOAD_ROM被放置在0x10000处，代表了重定向之后代码和数据的装载地址。

堆栈的初始化

程序中可能用到的处理器模式，都需要定义一个堆栈指针。

在表2中，堆栈位于stack_base标识的地址中。这个符号可以是存储器系统中的一个直接地址，也可以在另外的汇编文件中定义，由scatter文件来定义分配地址。表2代码为FIQ和IRQ模式各分配了一个256字节的堆栈，用户可以用同样的方法为其他模式也分配堆栈。最简单的方法就是进入相应的模式，然后为SP寄存器指定相应的值。如果想使用软件堆栈检查，还必须指定一个堆栈长度限制值。

堆栈指针和堆栈限制的数值会作为参数自动传递到C库函数的初始化代码__user_initial_stackheap中，在__user_initial_stackheap中不应该修改这些值。

硬件初始化 $sub$$main()

一般来说，应该把所有的系统初始化代码与主应用程序分离开来，但是有几个例外，比如cache和中断的使能，需要在C库函数初始化之后执行。

表3代码显示了如何使用 $sub和 $supper 。连接器把呼叫main()的函数替换成呼叫$sub$$main()，完成cache和中断的使能，并最终跳向main()。

执行模式考虑

为主应用程序选择一个处理器执行模式非常重要，这取决于系统的初始化代码。

许多在启动过程中使用到的功能，如MMU/MPU的配置、中断的使能等，只能在特权级模式下进行。如果需要在特权极模式下运行自己的应用程序，只要在退出初始化过程之前改变到相应的模式就行了，没有其他任何问题。

如果使用user模式，必须保证所有只能在特权模式下执行的功能完成之后，才能进入user模式。因为system模式和user模式使用相同的寄存器组，reset handler应该从system模式退出，_user_initial_stackheap在system模式下完成应用程序堆栈的初始化。这样在处理器进入user模式后，所有的堆栈空间都已经被正确设置好了。

对存储器布局的进一步考虑

在scatter文件中分配硬件地址

虽然可以在一个scatter文件中描述代码和数据的分散布局，但是目标硬件中的外设寄存器，堆栈和heap配置仍然直接采用硬件地址在程序源代码中进行设置。如果把所有存储器地址相关的信息都在scatter文件中进行定义，避免在源文件中引用绝对硬件地址，对程序的工程化管理是有大好处的。

*在scatter文件中定义目标外设地址

通常外设寄存器的地址在程序文件或头文件中定义，也可以声明一个结构类型指向外设寄存器，结构的地址定位在scatter文件中完成。

举例来说，目标定时器上有2个32位的寄存器，可以用表4来映射这些寄存器。为了把结构放置在指定的存储器地址上面，创建一个新的执行区(见表5)。scatter文件便把timer_regs结构定位在了地址0x40000000。

注意，在启动过程当中这些寄存器的内容不需要清零，改变寄存器的内容可能影响系统状态。在执行区上加UNINIT属性可以防止ZI数据在初始化过程中被清零。
在scatter文件中分配堆栈和heap.

在许多情况下，用scatter文件来定义堆栈和heap的地址会带来一些好处，主要有：所有的存储器分配信息集中在一个文件里；改变堆栈和heap的地址只要重新连接就行了，不需要重新编译。

*显式地放置符号

在ADS1.2环境下，这是最简单的方法。在前文中引用过2个符号stack_base和heap_base，这2个符号在汇编模块中创建，在scatter文件中各自的执行区里定位(见表6)。

表7文件中，heap基地址定位在0x20000上，堆栈基地址位于0x40000。现在heap和堆栈的位置就可以非常方便地进行编辑了。

*使用连接器产生的符号

这种方法需要在目标文件中指定好heap和堆栈的长度。这在一定程度上减弱了本节开头描述的两个优点。

首先在汇编源程序中定义heap和堆栈的长度。关键词SPACE用来保留一块存储器空间，NOINT则可以阻止清零操作(见表8)。注意在这里的源文件中并不需要地址标号。

然后这些部分就可以在scatter文件中对应的执行区里定位了(见表9)。连接器产生的符号指向每一个执行区的基地址和长度限制，这些符号可以被_user_initial_stackheap调用的重定向代码使用。在代码中使用DCD来给这些值定义更有意义的名字，可以增强代码的可读性(见表10)。

文件把heap基地址定位在0x15000，堆栈地址定位在0x4000。Heap和堆栈的位置可以通过编辑对应执行区的地址方便地改变。