嵌入式軟件開發(fā)之： 基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本章主要介紹嵌入式應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法。本章中的一些實(shí)例程序是以ARM公司的Realview2.2為開發(fā)平臺(tái)。由于目前嵌入式應(yīng)用環(huán)境相差非常大，這里主要是通過這些實(shí)例程序來更直接地介紹嵌入式應(yīng)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(shè)計(jì)

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，以便通過使用 LDR和STR指令有效地存取這些變量。

這種內(nèi)存訪問方式與多數(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)存訪問的地址對(duì)齊問題必須予以注意。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)。

下面將從4個(gè)方面詳細(xì)討論在ARM體系結(jié)構(gòu)下的程序設(shè)計(jì)：

· 未對(duì)齊指針；

· 結(jié)構(gòu)體中的未對(duì)齊字段；

· 用于半字存取的Load指令；

· 移植代碼并檢測(cè)非對(duì)齊存取。

13.1.1 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指令來完成此操作。如果讀取的地址為4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4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)果取決于該地址相對(duì)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(gè)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（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）來存取內(nèi)存，這樣就不必考慮指針對(duì)齊問題。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限定的指針來存取存儲(chǔ)器映射的外圍寄存器，因?yàn)锳RM編譯程序可使用多個(gè)存儲(chǔ)器存取來獲取數(shù)據(jù)。因而，可以對(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)于其他外部寄存器。當(dāng)使用了位字段（Bitfield）時(shí)，ARM程序?qū)⒃L問整個(gè)結(jié)構(gòu)體，而非指定字段。

13.1.2 結(jié)構(gòu)體中未對(duì)齊字段

與全局變量位于其自然尺寸邊界相同，結(jié)構(gòu)體（Structure）中的域字段（Filed）也如此。也就是說編譯程序經(jīng)常要在字段間插入填充字節(jié)（Padding）來確保域字段對(duì)齊。當(dāng)編譯程序插入填充字節(jié)時(shí)，編譯器將產(chǎn)生以下警告信息。

#1301-D: padding inserted in struct mystruct

可以使用-remark編譯選項(xiàng)使編譯器產(chǎn)生備份信息，或使用-diag_warning選項(xiàng)選擇編譯器產(chǎn)生的備份信息。

如果不希望編譯器產(chǎn)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(jié)構(gòu)，且這些結(jié)構(gòu)需要非對(duì)齊存取。

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

對(duì)非對(duì)齊元素的存取是通過內(nèi)聯(lián)還是通過調(diào)用一個(gè)函數(shù)來完成，由編譯程序-Ospace（默認(rèn)，調(diào)用一個(gè)函數(shù)）和-Otime（執(zhí)行非對(duì)齊存取內(nèi)聯(lián)）選項(xiàng)來控制。

例如：

創(chuàng)建一個(gè)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(jié)構(gòu)體mystruct在內(nèi)存中的地址。