嵌入式軟件開發(fā)之：編譯器的缺省行為

多數(shù)嵌入式應(yīng)用程序最初都是在原型環(huán)境下開發(fā)的。無論什么樣的原型仿真環(huán)境與最終產(chǎn)品環(huán)境都是有差異的。因此，考慮如何將嵌入式應(yīng)用程序從其所依賴的開發(fā)工具或調(diào)試環(huán)境中移植到在目標(biāo)硬件上獨立運行是非常重要的。

開始編寫嵌入式應(yīng)用程序時，開發(fā)者可能并不清楚目標(biāo)硬件的具體規(guī)格。如，目標(biāo)系統(tǒng)使用了什么樣的外圍設(shè)備、存儲器映射情況甚至不能確定處理器的型號。

為在了解這些詳細(xì)信息前能夠繼續(xù)軟件的開發(fā)，RVCT工具提供了很多默認(rèn)的操作，使用戶能編譯和調(diào)試與目標(biāo)系統(tǒng)無關(guān)的應(yīng)用程序代碼。下面詳細(xì)介紹這些編譯選項，只有深入了解這些編譯選項設(shè)置，才能使開發(fā)更順利的進(jìn)行。

在RVCT C庫中，對某些ISO C功能的支持由主機(jī)調(diào)試環(huán)境提供。提供該功能的機(jī)制被稱為Semihostin^[1]。大多數(shù)的ARM調(diào)試系統(tǒng)都支持Semihosting機(jī)制，如ReslView Debugger AXD等。

調(diào)試系統(tǒng)提供這種機(jī)制是非常有用的，因為用于開發(fā)使用的硬件系統(tǒng)經(jīng)常沒有最終系統(tǒng)的所有輸入和輸出設(shè)備。在這種情況下，Semihosting可讓主機(jī)代替目標(biāo)系統(tǒng)提供這些設(shè)備的功能。舉例來說，此機(jī)制可以用于啟用C庫中的函數(shù)（例如，printf()和scanf()）使用主機(jī)的屏幕和鍵盤，而不使用目標(biāo)系統(tǒng)的屏幕和鍵盤。

半主機(jī)由一組已定義的SWI操作來實現(xiàn)。應(yīng)用程序調(diào)用相應(yīng)的SWI，然后由調(diào)試代理程序（Debug Agent）處理SWI異常。調(diào)試代理程序完成系統(tǒng)與主機(jī)之間的通信。

圖13.1顯示了Semihosting機(jī)制的處理過程。

圖13.1 Semihosting機(jī)制的處理過程

在很多情況下，Semihosting SWI由庫函數(shù)內(nèi)的代碼調(diào)用。應(yīng)用程序也可以直接調(diào)用。支持ARM C庫中Semihosting的詳細(xì)信息，請參閱ARM相關(guān)文檔。

ARM和Thumb SWI指令包含一個軟中斷號，該中斷號可以被應(yīng)用程序使用。此編號可以由系統(tǒng)中的SWI處理程序進(jìn)行解碼。有關(guān)SWI處理程序的詳細(xì)信息，請參閱本書中ARM異常處理一節(jié)。

Semihosting使用固定的中斷號調(diào)用相應(yīng)的處理程序。用于Semihosting的SWI是：

· 0x123456（在ARM狀態(tài)下）；

· 0xAB（在Thumb狀態(tài)下）。

注意

用戶在編寫自己的中斷處理程序時，避免使用Semihosting已經(jīng)使用的中斷向量號。

調(diào)試代理通過SWI的中斷向量號識別該軟中斷是目標(biāo)系統(tǒng)提出的Semihosting請求。具體是何種Semihosting請求（鍵盤輸入請求或屏幕顯示請求），通過向寄存器r0傳遞不同的參數(shù)進(jìn)行區(qū)分。所有其他參數(shù)通過一個數(shù)據(jù)塊進(jìn)行傳遞。該數(shù)據(jù)塊的地址通過寄存器r1傳遞給中斷處理程序。軟中斷的處理結(jié)果放在r0中返回，也可以通過顯式的返回值或傳遞數(shù)據(jù)塊的指針帶回程序的處理結(jié)果。即使未返回結(jié)果，也假定r0是被使用的。

用r0傳遞的可用Semihosting操作編號分配如下：

· 0x00-0x31 這些編號由ARM公司使用；

· 0x32-0xFF 這些編號由ARM公司保留，以備將來使用；

· 0x100-0x1FF 這些編號保留給用戶應(yīng)用程序。

注意

雖然這些編號ARM公司不使用，用戶可以使用這些編號編寫自己的SWI操作，但建議使用其他 SWI 編號，而不要使用Semihosting SWI 編號和這些Semihosting的預(yù)留操作類型編號。

· 0x200-0xFFFFFFFF這些編號未定義。當(dāng)前未使用并且不推薦使用這些編號。

在以下部分中，操作名稱之后的括號中的編號是調(diào)用Semihosting操作時放入r0的值。例如，SYS_OPEN(0x01)。

如果從匯編語言代碼中調(diào)用SWI，最好使用semihost.h中定義的操作名稱。可以用 EQU 偽操作定義操作名稱。例如：

SYS_OPEN EQU 0x01

SYS_CLOSE EQU 0x02

Semihosting需要的函數(shù)列表如表13.1所示。如果使用默認(rèn)的Semihosting功能，用戶不需要編寫任何其他代碼。也可以重新實現(xiàn)部分的輸入/輸出函數(shù)，使這些函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)Semihosting混合使用。

表13.1 Semihosting函數(shù)列表

函 數(shù) 名 稱

描 述

SYS_OPEN (0x01)

打開文件

SYS_CLOSE(0x02)

關(guān)閉使用SYS_OPEN打開的文件

SYS_WRITEC (0x03)

向控制臺輸出字符

SYS_WRITE0 (0x04)

將空終止的字符串寫入控制臺

SYS_WRITE (0x05)

寫入主機(jī)上的文件

續(xù)表

函 數(shù) 名 稱

描 述

SYS_READ (0x06)

將文件內(nèi)容讀取到緩存器

SYS_READC (0x07)

從控制臺讀取字節(jié)

SYS_ISERROR (0x08)

確定返回代碼是否錯誤

SYS_ISTTY (0x09)

檢查文件是否連接到交互設(shè)備

SYS_SEEK (0x0A)

搜索到文件中的某個位置

SYS_FLEN (0x0C)

返回文件的長度

SYS_TMPNAM (0x0D)

返回文件的臨時名稱

SYS_REMOVE (0x0E)

刪除主機(jī)上的文件

SYS_RENAME (0x0F)

重命名主機(jī)上的文件

SYS_CLOCK (0x10)

執(zhí)行開始后的厘秒數(shù)

SYS_TIME (0x11)

1970 年 1 月 1 日到現(xiàn)在的秒數(shù)

SYS_SYSTEM (0x12)

將命令傳遞給主機(jī)命令行解釋程序

SYS_ERRNO (0x13)

獲得 C 庫 errno 變量的值

SYS_GET_CMDLINE (0x15)

獲得用于調(diào)用可執(zhí)行程序的命令行

SYS_HEAPINFO (0x16)

獲得系統(tǒng)堆參數(shù)

SYS_ELAPSED (0x30)

獲得自執(zhí)行開始的目標(biāo)滴答聲數(shù)目

SYS_TICKFREQ (0x31)

確定滴答聲的頻率

從概念上來講，C庫函數(shù)可被化分成兩類，一類為ISO C語言的規(guī)范部分，該部分的主要功能是向用戶提供一個調(diào)用接口；另一類為ISO C語言規(guī)范提供支持。圖13.2顯示了這兩類函數(shù)在C庫中的結(jié)構(gòu)。

圖13.2 C庫的函數(shù)結(jié)構(gòu)

對部分ISO C功能的支持是由主機(jī)調(diào)試環(huán)境在支持函數(shù)的設(shè)備驅(qū)動程序級別提供的。

例如，RVCT C庫通過寫入調(diào)試器控制臺窗口來實現(xiàn)ISO C printf()系列函數(shù)。通過調(diào)用__sys_write()來提供該功能。這是一個執(zhí)行半主機(jī)SWI的支持函數(shù)，使字符串被寫入到控制臺。

對于沒有描述存儲器映射的映像（Image），RVCT根據(jù)默認(rèn)存儲器映射放置代碼和數(shù)據(jù)。默認(rèn)的存儲器映射如圖13.3所示。

圖13.3 默認(rèn)存儲器映射

結(jié)合圖13.3，可以看出默認(rèn)的存儲器映射使用以下規(guī)則：

· 鏈接映像，在地址0x8000加載并運行。首先放置所有的RO（只讀）段，其次是RW（讀寫）段，然后是ZI（零初始化）段。

· 堆（Heap）直接從ZI段的頂端地址算起，因此，其準(zhǔn)確位置在鏈接時決定。

· 棧（Stack）的起始地址在應(yīng)用程序啟動過程時由Semihosting操作提供。具體Semihosting操作設(shè)置的值由調(diào)試系統(tǒng)的不同而不同。

① RealView ARMulator ISS（RVISS）設(shè)置為配置文件peripherals.ami中設(shè)定的值。默認(rèn)值是0x08000000。

② Multi-ICE將該地址設(shè)置為調(diào)試器內(nèi)部變量top_of_memory的值。默認(rèn)值是0x00080000。

鏈接程序遵守一組規(guī)則，以決定代碼和數(shù)據(jù)位于存儲器中的什么位置，如圖13.4所示。

鏈接程序放置遵循以下規(guī)則：

① 映像首先按屬性組織：RO段在最低的存儲器地址，其次是RW段，然后是ZI段。每一種屬性中，代碼在數(shù)據(jù)之前。

② 鏈接程序按名稱的字母順序放置輸入段（Section）。輸入段名稱即匯編程序AREA偽操作定義的名稱。

圖13.4 鏈接程序放置規(guī)則

③ 在輸入段中，獨立對象的代碼和數(shù)據(jù)，按照對象文件在鏈接程序命令行中被指定的順序放置。

要精確放置代碼和數(shù)據(jù)，ARM公司建議不要過分依靠這些規(guī)則。相反，必須使用分散加載機(jī)制來完全控制代碼和數(shù)據(jù)的放置。請參閱下一章的調(diào)整映像存儲器映射以適應(yīng)目標(biāo)系統(tǒng)硬件存儲器的實際要求。

多數(shù)嵌入式系統(tǒng)中，執(zhí)行主任務(wù)前，執(zhí)行初始化序列來設(shè)置系統(tǒng)。默認(rèn)的RVCT初始化序列如圖13.5所示。

圖13.5 默認(rèn)RVCT初始化序列

在進(jìn)入用戶代碼（main（））前，初始化序列可分成三個功能塊：__main直接跳轉(zhuǎn)到__scatterload；__scatterload負(fù)責(zé)建立運行時的映像存儲器映射，而__rt_entry（運行時的入口）則負(fù)責(zé)初始化C庫。

__scatterload執(zhí)行代碼和數(shù)據(jù)復(fù)制以及ZI數(shù)據(jù)的清零。對于ZI數(shù)據(jù)的清零和未改變的RW數(shù)據(jù)來說，這一步總是要做的。

__scatterload跳轉(zhuǎn)到__rt_entry。它設(shè)置應(yīng)用程序的棧和堆，初始化庫函數(shù)及其靜態(tài)數(shù)據(jù)，并調(diào)用任何全局聲明的對象的構(gòu)造函數(shù)(僅C++)。

然后__rt_entry跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序入口main()。主應(yīng)用程序結(jié)束執(zhí)行時，__rt_entry將庫關(guān)閉，然后把控制權(quán)交還給調(diào)試器。

RVCT中，函數(shù)main()有一個特殊含意。main()函數(shù)的存在強(qiáng)制鏈接程序鏈接到__main和__rt_entry中的初始化代碼。沒有main()函數(shù)，就不會鏈接到初始化進(jìn)程，那么一些標(biāo)準(zhǔn)C庫功能就不會得到支持。

^[1] 在一些ARM的中文參考文獻(xiàn)中，將Semihosting譯為半主機(jī)。