使用ARM標準C庫進(jìn)行嵌入式應用程序開(kāi)發(fā)

引 言
    隨著(zhù)對高處理能力、實(shí)時(shí)多任務(wù)、超低功耗等方面需求的增長(cháng)，高端嵌入式處理器已經(jīng)進(jìn)入了國內開(kāi)發(fā)人員的視野，并在國內得到了普遍的重視和應用。ARM是目前嵌入式領(lǐng)域應用最廣泛的RISC微處理器結構，憑借低成本、低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)占據了嵌入式系統應用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。ADS是ARM公司推出的ARM集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供了對C和C++的支持，是目前開(kāi)發(fā)ARM的主要工具。本文針對日益縮短的嵌入式開(kāi)發(fā)周期，結合ARM系統開(kāi)發(fā)調試經(jīng)驗，對使用ARM標準庫進(jìn)行應用程序開(kāi)發(fā)作了比較系統的分析。

1 ARM標準庫介紹
    ADS提供了ANSI C和C++標準庫，本文僅討論ANSI C庫，該庫包含下面幾個(gè)部分：
    ◇IS0 C庫標準所定義的函數；
    ◇在semlhosted環(huán)境下用來(lái)實(shí)現C庫函數與目標相關(guān)的函數；
    ◇C和C++編譯器要使用的heIper函數。

    該庫提供的諸如文件輸入輸出之類(lèi)的設備，使用了標準的ARM semihosted執行環(huán)境(semihosting是針對ARM目標機的一種機制，它能夠根據應用程序代碼的輸入/輸出請求，與運行有調度功能的主機通信，這種技術(shù)允許主機為通常沒(méi)有輸入和輸出功能的目標硬件提供主機資源)。ARMulator、Angel和Multi-lCE都支持這個(gè)環(huán)境，可以使用ADs中提供的開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)應用程序，然后在A(yíng)RMulator或者是開(kāi)發(fā)板上運行和調試該程序。如果要使應用系統獨立于這個(gè)環(huán)境，則必須重新實(shí)現C庫中依賴(lài)于這個(gè)環(huán)境的相關(guān)函數，根據用戶(hù)系統的運行環(huán)境對C庫進(jìn)行適當的裁減。

    使用ANSI標準C庫進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，不僅可以提高開(kāi)發(fā)效率而且可以增強程序的可移植性。在程序中使用庫函數，必須先建立一個(gè)庫函數可以執行的環(huán)境，這些工作都由庫中的函數完成。當應用程序鏈接了C庫中的函數時(shí)，C庫中的函數將完成：
    ◇創(chuàng )建C程序所需的執行環(huán)境(建立棧，如果需要創(chuàng )建一個(gè)堆，初始化程序使用的部分庫)；
    ◇調用main()函數開(kāi)始執行C程序；
    ◇支持程序使用的Is0定義的函數；
    ◇捕獲運行時(shí)的錯誤和信號，如果需要，根據錯誤終止執行或程序退出。

2 裁減ARM標準C函數庫
    標準庫中包含了部分依賴(lài)于A(yíng)RM semihosted執行環(huán)境的函數，這部分函數的函數名中包含有單個(gè)或兩個(gè)下劃線(xiàn)“-”，需要重新實(shí)現這部分函數。如果在程序中定義這些函數，則編譯器就會(huì )使用新定義的函數，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為庫函數的裁減。一般情況下，只需要重新定義很少的幾個(gè)函數就可以使用C庫。

    ARM應用系統開(kāi)始執行用戶(hù)應用程序，必須先將應用程序加載到執行域，建立應用程序的執行環(huán)境。使用C庫時(shí)，這些繁瑣的工作就大部分由c函數來(lái)完成了。匯編程序完成系統初始化后，跳轉到C程序的人口_main()(注意：不是main()，當C程序中定義了main()主函數時(shí)，編譯器就會(huì )生成_main代碼)。由_main()引導庫函數完成C執行環(huán)境的初始化，具體過(guò)程如下：
    ◇將非啟動(dòng)代碼的RO和RW執行域代碼從加載域地址復制到執行域地址；
    ◇將ZI域清零；
    ◇跳轉到_rt_entry。

    調用_main()將大大簡(jiǎn)化匯編啟動(dòng)代碼的編寫(xiě)，匯編代碼僅需完成系統硬件的初始化，而沒(méi)有必要將代碼從加載域地址復制到執行域地址，以及ZI域清零等工作。特別是當使用分布式加載時(shí)_main()的作用就更加明顯了。但是_main()并沒(méi)有建立C庫運行必須的環(huán)境，這項工作由_rt_entry()完成，主要調用過(guò)程為：
    ◇調用_rt_stackheap_init()建立堆和棧；
    ◇調用_rt_lib_init()初始化引用的庫函數；如果需要，建立main()函數的參數argc和argv等；
    ◇調用main()函數，執行應用程序，可以應用庫函數；
    ◇用main()函數的返回值作參數調用exit()。  

    _rt_entry并不是C函數，它是用ARM C庫編程的起始點(diǎn)。_rt_entry不能用C語(yǔ)言宴現，因為這時(shí)候堆棧還沒(méi)有建立，堆棧由＿ rt_stackheap_init()來(lái)建立。

    上面簡(jiǎn)單介紹了C程序使用庫函數時(shí)的調用過(guò)程，由_rt—stackheap_init()建立C庫使用的內存模型－－堆和棧。因為ARM庫是建立在semihosted執行環(huán)境的，它實(shí)現的內存模型是基于這個(gè)環(huán)境的，所以必須修改這個(gè)內存模型建立機制。表1列出了需要重新實(shí)現的函數，實(shí)現了這些函數，應用程序就可以脫離宿主機環(huán)境獨立運行了。其中，必須重新實(shí)現的是＿user initial＿stackheap()，因為默認的實(shí)現是基于semihosted執行環(huán)境的，該函數被＿n＿stackheap＿init()調用創(chuàng )建內存模型，其他兩個(gè)函數沒(méi)有默認的實(shí)現。


實(shí)現該函數，必須滿(mǎn)足下面的條件：
    ◇使用不超過(guò)96字節的?？臻g；
    ◇除了R12(ip)外不要污染其他寄存器；
    ◇將堆基址、?；?、堆邊界和棧邊界分別存在RO～R3作為返回參數；
    ◇堆必須保持8個(gè)字節對齊。
    實(shí)現例程如下：

為了提高應用程序開(kāi)發(fā)效率和可移植性，希望在目標系統上使用ARM庫提供的標準輸人輸出庫函數。

    高層輸入輸出函數是不依賴(lài)于目標系統環(huán)境的，但是高層輸入輸出函數必須調用依賴(lài)于目標系統的底層函數，才能實(shí)現應用系統的輸入輸出。依據目標系統硬件環(huán)境重新定義這些底層函數，就可以使用庫提供的標準input／output庫函數了。下面以裁減ARM標準庫提供的printf系列輸出函數為例來(lái)作說(shuō)明。

    標準I/O庫中最常用的是printf系列函數，包括_printf()、printf()、_fprintf()、fprintf()、vprintf()和vfprintf()。所有這些函數非透明地使用_FILE，并且僅依賴(lài)于fputc()和ferror()兩個(gè)函數。函數_printf()和_fprintf()與printf()和fprintf()的區別僅在于前兩個(gè)函數不能格式化浮點(diǎn)值。只要定義了自己的_FILE版本和fputc()、ferror()函數，外加定義一個(gè)具有FILE類(lèi)型的_stdout變量，就可以不作任何修改地使用printf系列、fwrite()、fputs()和puts()函數了。

    下面給出了具體實(shí)現的模板，可以根據實(shí)際需要修改。
    #include<stdio．h>
    struct__FILE
    {
    int handle；
    /*用戶(hù)需要的任何代碼(如果使用文件僅是為了調試使用prinft在標準輸出端輸出信息，則不需要任何文件處理代碼)*/
}；
    FlLE_stdout；/*FILE在stdio.h中定義為：typedef struct_
    FILE FILE；*/
    int fputc(int ch，FILE*f){
    /*用戶(hù)實(shí)現的fpute代碼。輸出一個(gè)字符，可以根據需要實(shí)現*/
return ch；
}
    int ferror(FILE*f){
    /*用戶(hù)實(shí)現的ferror代碼*/
    return EOF；
    }

結語(yǔ)
    本文分析了ARM標準庫的工作機理，給出了裁減C庫進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵步驟。實(shí)際應用時(shí)需要根據具體的硬件環(huán)境和應用要求裁減C庫，提高代碼執行效率。