中斷調用方式的ARM二次開(kāi)發(fā)接口設計

　　通過(guò)對現有嵌入式二次開(kāi)發(fā)技術(shù)的研究發(fā)現3個(gè)問(wèn)題。問(wèn)題一，現有嵌入式二次開(kāi)發(fā)技術(shù)主要是直接給用戶(hù)提供系統函數的OBJ中間文件，以及函數聲明的頭文件。用戶(hù)通過(guò)調用系統函數編寫(xiě)自己的程序，進(jìn)行編譯鏈接后直接燒錄進(jìn)芯片進(jìn)行使用，但是這樣會(huì )造成芯片存儲空間的浪費。問(wèn)題二是系統程序函數的安全問(wèn)題，它直接給用戶(hù)提供系統OBJ中間文件，通過(guò)反編譯能夠很容易地破解出原有系統函數，系統程序的保密性將大大地降低。問(wèn)題三是用戶(hù)編寫(xiě)程序的復雜性問(wèn)題，一般專(zhuān)業(yè)的嵌入式工程師編寫(xiě)的系統函數考慮到重用性，會(huì )把一些過(guò)程細分為多個(gè)子函數，普通用戶(hù)為實(shí)現一個(gè)功能也需要調用多個(gè)函數，對于二次開(kāi)發(fā)十分不利。函數一般采用嵌入式專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行命名，普通用戶(hù)很難通過(guò)函數名直接了解此函數具體的用途。

1 存在的問(wèn)題與解決方法

圖1 基于嵌入式系統的二次開(kāi)發(fā)程序結構示意圖

　　二次開(kāi)發(fā)接口的構架如圖1所示，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)接口可以輕松地實(shí)現系統程序和用戶(hù)應用程序的分離。

　　通過(guò)這種應用程序和系統程序的分離方式，可以輕松地實(shí)現系統程序的升級和應用程序的通用。

1.1 Flash存儲問(wèn)題

　　系統程序中自帶函數Funtion1實(shí)體、Funtion3實(shí)體，如果用戶(hù)自己定制的應用程序中還需使用到Funtion1和Funtion3這2個(gè)函數，則在編譯應用程序文件的時(shí)候，編譯器會(huì )從系統提供的OBJ文件中把Funtion1和Funtion3這2個(gè)函數的實(shí)體再次編譯鏈接進(jìn)入bin文件，從而造成bin文件的冗余。當把應用程序的bin文件燒錄至Flash中時(shí)會(huì )浪費大量的空間資源。其結果如圖2所示。

圖2 Flash ROM存儲結構示意圖

　　針對Flash的冗余問(wèn)題，筆者提出了一個(gè)方案，就是在應用程序中保存的不是系統函數本身，而是其地址，當運行到那個(gè)函數的時(shí)候則實(shí)現跳轉到指定地址，函數運行完成后跳轉回來(lái)，應用程序繼續執行下去。

1.2 系統函數的安全問(wèn)題

　　因為使用基于1.1節中的地址直接跳轉方式，所以不需再向用戶(hù)提供函數體本身，而是提供函數體的地址，相對于原始方法來(lái)說(shuō)進(jìn)行反編譯更難。

1.3 簡(jiǎn)化代碼編寫(xiě)難度

　　可以針對用戶(hù)群進(jìn)行函數的二次封裝，把一些實(shí)現整體動(dòng)作的函數，重新打包成一個(gè)新的函數，函數名直接采用直譯方式命名，更易明白。比如顯示屏特定位置顯示字符的過(guò)程，可以直接把清屏、輸出指針移動(dòng)、輸出字符這3個(gè)函數封閉在一起。

2 改進(jìn)方案

　　在實(shí)現接口的設計過(guò)程中發(fā)現2個(gè)問(wèn)題。第1個(gè)問(wèn)題，在給用戶(hù)提供可用函數庫的時(shí)候需要提供所有函數的地址，對于二次接口的編寫(xiě)者來(lái)說(shuō)工作量比較大。第2個(gè)問(wèn)題，在系統程序更新后，所有函數在Flash中存放的地址會(huì )發(fā)生變動(dòng)，在更新以前編寫(xiě)的應用程序都需要重新定義函數地址才可以再次使用。這一點(diǎn)不利于用戶(hù)應用程序的開(kāi)發(fā)，沒(méi)有考慮到應用程序的通用性。

　　通過(guò)研究中斷過(guò)程發(fā)現，可以借鑒DOS中斷響應時(shí)的跳轉原理來(lái)解決以上2個(gè)問(wèn)題。比如21號DOS的中斷調用：

MOV AH 4CH

INT 21H

是返回DOS系統的通過(guò)給AH寄存器賦值4CH，然后調用INT 21H指令，計算機就會(huì )根據AH寄存器中的值執行相應的操作。其中，4CH返回DOS系統，還可以給AH寄存器賦其他值[2]。

　　同理這里提出了一種基于上面函數地址跳轉的改進(jìn)方法，即通過(guò)設置一個(gè)中間跳轉函數（這里函數名設置為SysCallLib）來(lái)解決接口的設計過(guò)程中發(fā)現的 2個(gè)問(wèn)題。改進(jìn)的基于地址跳轉方法的實(shí)現效果如圖3所示。通過(guò)這種方法，把SysCallLib函數體固定在特定的地址，用戶(hù)只需要知道一個(gè)地址即可實(shí)現跳轉。SysCallLib函數體內部通過(guò)Case語(yǔ)句來(lái)實(shí)現內部函數的跳轉。

圖3 改進(jìn)的基于地址跳轉方法的Flash ROM存儲結構示意圖

3 二次開(kāi)發(fā)接口的建立

3.1 GCC開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立

　　GNU 工具鏈在ARM產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中使用的很廣泛，有些為ARM打造的開(kāi)發(fā)工具也是基于GNU 工具鏈的。在目前，支持CM3的GNU工具鏈可以由CodeSourcery網(wǎng)站免費下載。

　　而GNU的C編譯器則在以后支持CortexM3。和其他ARM開(kāi)發(fā)工具相似，GNU工具鏈也包含了編譯器、匯編器和鏈接器，使得源代碼既可以使用C語(yǔ)言，也可以使用匯編完成，基于GNU工具鏈的開(kāi)發(fā)模式圖如圖4 所示[3]。

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