嵌入式軟件開發(fā)之： 基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)設計

本章主要介紹嵌入式應用程序的設計方法。本章中的一些實例程序是以ARM公司的Realview2.2為開發(fā)平臺。由于目前嵌入式應用環(huán)境相差非常大，這里主要是通過這些實例程序來更直接地介紹嵌入式應用系統(tǒng)的開發(fā)方法，具體的代碼因具體的嵌入式環(huán)境不同而有所差異。

13.1 基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)設計

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。

這種內存訪問方式與多數(shù)CISC（Complex Instruction Set Computing）體系結構不同，在CISC體系結構下，指令直接存取未對齊的數(shù)據(jù)。因而，當需要將代碼從CISC體系結構向 ARM處理器移植時，內存訪問的地址對齊問題必須予以注意。在RISC體系結構下，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。

下面將從4個方面詳細討論在ARM體系結構下的程序設計：

· 未對齊指針；

· 結構體中的未對齊字段；

· 用于半字存取的Load指令；

· 移植代碼并檢測非對齊存取。

13.1.1 未對齊的數(shù)據(jù)指針

C和C++編程標準規(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4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4的倍數(shù)，那么，一條LDR指令返回一個循環(huán)移位結果，而不是執(zhí)行真正的未對齊字載入。循環(huán)移位結果取決于該地址相對于字的邊界的偏移量和系統(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 4個字節(jié)的內容。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)移位結果。

因而，如果想將指針定義到一個指定地址（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存地址

使用了__packed限定符限定之后，ARM編譯器將產生字節(jié)存取命令（LDRB或STRB指令）來存取內存，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、跟變量對齊相關的移位和屏蔽。但這會導致系統(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，可以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于其他外部寄存器。當使用了位字段（Bitfield）時，ARM程序將訪問整個結構體，而非指定字段。

13.1.2 結構體中未對齊字段

與全局變量位于其自然尺寸邊界相同，結構體（Structure）中的域字段（Filed）也如此。也就是說編譯程序經常要在字段間插入填充字節(jié)（Padding）來確保域字段對齊。當編譯程序插入填充字節(jié)時，編譯器將產生以下警告信息。

#1301-D: padding inserted in struct mystruct

可以使用-remark編譯選項使編譯器產生備份信息，或使用-diag_warning選項選擇編譯器產生的備份信息。

如果不希望編譯器產生填充字節(jié)，可以使用__packed限定符來創(chuàng)建字段之間沒有填充字節(jié)的結構，且這些結構需要非對齊存取。

如果ARM編譯器能夠確定所訪問結構體的對齊方式，那么它就可以自動識別所存取結構體中的字段的對齊方式。在這些情況下，編譯程序盡可能地采用更有效的對齊字或半字存取方式。否則，編譯器將使用多個對齊存儲器存取（LDR、STR、LDM和STM）與固定移位和屏蔽相結合來存取存儲器中的字節(jié)。

對非對齊元素的存取是通過內聯(lián)還是通過調用一個函數(shù)來完成，由編譯程序-Ospace（默認，調用一個函數(shù)）和-Otime（執(zhí)行非對齊存取內聯(lián)）選項來控制。

例如：

創(chuàng)建一個名為foo.c源文件。

__packed struct mystruct {

int aligned_i;

short aligned_s;

int unaligned_i;

};

struct mystruct S1;

int foo (int a, short b)

{

S1.aligned_i=a;

S1.aligned_s=b;

return S1.unaligned_i;

}

使用armcc -c -Otime foo.c編譯。所生成的代碼為：

MOV r2,r0

LDR r0,|L1.84|

MOV r12,r2,LSR #8

STRB r2,[r0,#0]

STRB r12,[r0,#1]

MOV r12,r2,LSR #16

STRB r12,[r0,#2]

MOV r12,r2,LSR #24

STRB r12,[r0,#3]

MOV r12,r1,LSR #8

STRB r1,[r0,#4]

STRB r12,[r0,#5]

ADD r0,r0,#6

BIC r3,r0,#3

AND r0,r0,#3

LDMIA r3,{r3,r12}

MOV r0,r0,LSL #3

MOV r3,r3,LSR r0

RSB r0,r0,#0x20

ORR r0,r3,r12,LSL r0

BX lr

其中，“|L1.84|”為結構體mystruct在內存中的地址。