嵌入式软件开发课件

1、嵌入式软件开发嵌入式软件开发嵌入式开发过程“PC软件”独立的嵌入式应用当程序员开始开发一个基于ARM应用的时候，你可以使用ARM的ADS编写类似于“HELLO WORLD”的程序，使用ARMulator或者在评估板上来调试，但当你把他移植到独立的嵌入式应用设备中时，下面这些问题就成为我们首要考虑的： 硬件环境中所使用的C库函数 目标板上的存储器资源 应用程序的初始化嵌入式开发过程“PC软件”独立的嵌入式应用当程序员开始开发一议程PC软件的构造定制标准C库函数到目标板 定制IMAGE的存储器映射到目标板复位和初始化深层次的存储器器映象考虑编译和调试IMAGE议程PC软件的构造ADS默认的标准C库

2、ANSI Cinput/outputerror handlingstack &heapsetupotherSemihosting Support应用程序调用的C库函数eg: fputc()设备驱动层使用semihosting SWIseg: _sys_write()调试工具环境C LibraryDebug AgentC库函数功能是支持PC软件的，而目标板上的可执行软件则依赖相关的硬件资源；在ARM体系中，我们可以采用semihosting通过相应的驱动来进行调试。ADS默认的标准C库ANSI Cinput/error stADS默认的存储器映射在默认的情况下，我们链接、定位、运行在0 x800

3、0heap 被直接放置在数据区的上面堆栈的基地址是通过调试环境从C库函数的Startup Code 里读取出来的。ARMulator = from configuration file (peripherals.ami) default = 0 x08000000Multi-ICE = from debugger internal variable $top_of_memorydefault = 0 x80000RORWZI0 x8000链接时确定由调试环境提供Heap(malloc,alloc)StackADS默认的存储器映射在默认的情况下，我们链接、定位、运行在C LibraryUser

4、Code应用程序启动_maincopy code and datazero uninitialized data_rt_entryset up application stack and heapinitialize library functionscall top-level constructors (C+)Exit from applicationmain( )causes the linker to pull in library initialization code程序入口点C LibraryUser Code应用程序启动_mainAgenda一个PC软件的构造定制标准C库函数到

5、目标板 定制IMAGE的存储器映射到目标板复位和初始化深层次的存储器器映象考虑编译和调试IMAGEAgenda一个PC软件的构造重定向C库函数 (1)SemihostingSupportANSI Cinput/output你可以使用适合你目标板运行的驱动来替换标准C库中的设备驱动。 Eg: printf( ) 可打印到LCD上，而不是打印控制台上input/outputANSI CC LibraryUser CodeDebug AgentTarget HardwareRetarget重定向C库函数 (1)SemihostingANSI Cin重定向C库函数(2)要重定向C库函数,简单的办法是使

6、用你自己的可执行的semihosting SWIs来代替原来的C库函数，从而来满足你的系统要求 比如说, the printf()系列函数(sprintf()除外) 都会调用fputc(). 在默认情况下fputc()的执行使用了semihosting SWI. 用下面的语句来代替：extern void sendchar(char *ch);int fputc(int ch, FILE *f) /* e.g. write a character to an LCD */ char tempch = ch; sendchar(&tempch); return ch;可查看在ADS Embedd

7、ed example目录下的retarget.c,可看到更多的重定向例子 你可以确定有不在连接时使用semihosting SWI 的吗?.重定向C库函数(2)要重定向C库函数,简单的办法是使用你自己消除C库函数中的semi hosting为了确保在连接时没有函数使用了semi hosting SWIs ，你可以在程序中加入下面的句子：#pragma import(_use_no_semihosting_swi) 如果在程序中仍然使用了semihosting ,编译时将会报错：Error: Symbol _semihosting_swi_guard multiply defined修改: 如果

8、使用 (check -verbose linker output for occurrences of I use_ semihosting_ swi), 那么连接器将会把那些使用了smeihosting 的程序列出来， 然后：提供你自己可运行的功能函数。在ADS 1.2 编译器和库函数手册, 表4-2给出了所有使用了semihosting的C库函数。注意: 连接器在用户自己的应用代码中不会出现任何有关 semihosting SWI使用的报告。消除C库函数中的semi hosting为了确保在连接时没有Agenda一个PC软件的构造定制标准C库函数到目标板 定制IMAGE的存储器映射到目标板

9、复位和初始化深层次的存储器器映象考虑编译和调试IMAGEAgenda一个PC软件的构造分散加载（Scatterloading）在一个实际应用当中，你可能并不想在0 x8000处开始运行。大多数嵌入式系统都有存储器设备，他们的地址空间是在整个存储器映射中交叉出现的。分散加载提供了一种把你的代码和数据放在不同的存储器定位上的办法分散加载定义了两种类型的存储器区域。Load 区： - 在reset/load时保留了应用程序的代码和数据 (典型应用为 ROM).Execution 区 在程序执行的同时保留了程序的代码和数据。在应用程序启动 期间，每个load区都可创建一个或多个可执行区。分散加载了的应

10、用把详细的存储器映射保存在一个描述文件中，作为一个参数给armlink使用 eg: armlink program.o -scatter scatter.scf -o program.axf分散加载（Scatterloading）在一个实际应用当中，Execute ViewRAM0 x100000 x180000 x40000 x0000ROMRO分散加载(简单例子)只读代码和数据保存在ROM中C库函数初始化代码 (在 _main) 将 :从ROM拷贝RW数据到RAM在RAM中的ZI 数据初始化RAM0 x100000 x180000 x40000 x0000ROMLoad ViewRORWF

11、ill with zerosZICopyRWExecute ViewRAM0 x100000 x180000Execute ViewRAM0 x100000 x180000 x40000 x0000ROMROLOAD_ROM 0 x0000 0 x4000RAM0 x100000 x180000 x40000 x0000ROMLoad ViewRORWScatter 描述文件通配符（*）语法允许简单的对CODE 和DATA 进行分组EXEC_ROM 0 x0000 0 x4000 * (+RO)RAM 0 x10000 0 x8000 * (+RW,+ZI)RWZIExecute ViewRA

12、M0 x100000 x180000RORWZIROCODERO -DATARO -CODEAB链接器放置规则在每个可执行区，链接器通过一些基本的规则来放置CODE 和DATA基本的排序方法是通过属性来安排的:RO 领先于RW ，RW 领先于ZI有相同的属性时，CODE 在DATA之前放置。更多的排序方法决定于：输入的组名按字母排序, 在ARMLINK命令行中指定的顺序。eg: armlink file1.o file2.o Asection Afrom file1.osection Afrom file2.oRORWZIROCODERO -DATARO -CODEAB在SCATTOR 文件中

13、的对象排序为了把特定的CODE 和DATA 放在指定的地址上，你可以不考虑标准的放置规则使用+FIRST 和 +LAST ，直接把第一个和最后一个对象放在可执行区。图例：把VECTOR表放在区的开始。LOAD_ROM 0 x0000 0 x4000 EXEC_ROM 0 x0000 0 x4000 vectors.o (Vectors, +FIRST) file1.o (+RO) file2.o (+RO) :在可执行区内，scattor 文件中要排序的对象对输出image没有影响链接器的标准放置规则仍然适用在SCATTOR 文件中的对象排序为了把特定的CODE 和DROOT区LOAD_ROM

14、 0 x0000 0 x4000 ; start address and length EXEC_ROM 0 x0000 0 x4000 ; root (load = exec address) _main.o (+RO) ; copying code * (Region$Table) ; RO/RW addresses to copy * (ZISection$Table) ; ZI addresses to zero RAM 0 x10000 0 x8000 * (+RO) ; All other RO areas * (+RW,+ZI) ; program variables Must

15、be in a root regionoutside root region一个 root 区是一个可执行区，它的加载地址等于执行地址。ROOT区LOAD_ROM 0 x0000 0 x4000 Root区要点一个 root 区是一个可执行区，它的加载地址等于执行地址.每个scatter描述文件必须最少包含一个root区，并且最少要包含下列内容：_main.o 含有拷贝code/data的代码Region$Table 和 ZISection$Table 含有将要拷贝的code/data的地址，他是由链接器产生的，不是一个对象文件。（所以*必须用）Error: L6202E: Section R

16、egion$Table cannot be assigned to a non-root region.Error: L6202E: Section ZISection$Table cannot be assigned to a non-root region.注意: 如果 * (+RO)被定位在 root 区,在此之前的将被自动放置Main应用程序的入口点必须放在root区。Error: L6203E: Entry point (0 x08000000) lies within non-root region EXE_FLASH.Root区要点一个 root 区是一个可执行区，它的加载地址R

17、un-time 存储器管理 SemihostingSupportANSI CStack &HeapSetupStack &HeapSetupANSI CC LibraryUser CodeDebug AgentTarget HardwareRetarget如何设置stack和 heap来满足我们的目标存储器? 我们已经通过执行_user_initial_stackheap()把C标准库的运行存储器模式修改到目标平台上。Run-time 存储器管理 SemihostingANSIStack 和 Heap 初始化C LibraryUser Code_maincopy code and dataze

18、ro uninitialized data_rt_entryinitialize library functionscall top-level constructors (C+)Exit from applicationmain( )cause linker to pull in library initialization codeImage Entry Point_user_initial_stackheap( )set up application stack and heapStack 和 Heap 初始化C LibraryUser Run-time 存储器模式你必须决定在放置sta

19、ck和heap时所使用的区域是单一的区(one-region model)或是不同的两个区(two-region model)HeapStackStackOne region modelTwo region modelHBSBSBHBHL单一存储器模式是默认方式为了实现多区域模式，你可以使用 use_two_region_memory在所有的模式下，软件堆栈检查要许可。编译开关是： -apcs /swst 指定堆栈限制 (为 two-region 模式)heap is checked against stack pointerHeapheap is checked against heap l

20、imit(SL)Run-time 存储器模式你必须决定在放置stack和he_user_initial_stackheap( )可以用C或汇编来写，他要返回：Heap 基地址在R0 ,STACK 的基地址在R1.Heap 的限制地址在R2,STACK的限制地址在R3EXPORT _user_initial_stackheap_user_initial_stackheapLDR r0, =0 x80000 ;HBLDR r1, =0 x88000 ;SB; r2 not used (HL); r3 not used (SL)MOV pc, lrHeapStackHeap 的限制地址在单一模式是不

21、被使用的。Stack 的限制地址只在软件堆栈检查许可的情况下才有效。HB = 0 x80000SB = 0 x88000_user_initial_stackheap( )可以用警告! 当使用分散加载时你必须执行 _user_initial_stackheap()在C库初始化代码内的_user_initial_stackheap() 的默认执行是在映像文件的RW/ZI数据段后放置HEAP。使用 Image$RW$Base / Image$ZI$Base 连接符号这些符号对scatterloading是无效的。在ADS 1.1和早期版本的软件中：符号被设置为0X0, heap被定位在这!Heap

22、的并发使用，无论是直接(e.g. with malloc()或间接(by use of argc/argv)的都可能破坏向量表或其他代码，典型的结果是不可预知的程序在运行时出错了。在ADS 1.2:符号没有定义，应用程序不会联接：Error: L6218E: Undefined symbol Image$ZI$Limit (referred from sys_stackheap.o).警告! 当使用分散加载时你必须执行 _user_initiAgenda一个PC软件的构造裁减标准C库函数到目标板 定制IMAGE的存储器映射到目标板复位和初始化深层次的存储器器映象考虑编译和调试IMAGEAgen

23、da一个PC软件的构造The Vector TableAREA Vectors, CODE, READONLYIMPORT Reset_Handler; import other exception handlers; ENTRYBReset_HandlerBUndefined_HandlerBSWI_HandlerBPrefetch_HandlerBData_HandlerNOP; Reserved vectorBIRQ_Handler; FIQ_Handler will follow directlyEND在使用scatterloading+FIRST时直接定位在0X0（或 0 xFFFF

24、0000）ENTRY 直接告诉链接器这是一个入口点，防止某些段被删除中断向量表The Vector TableAREA Vectors,初始化步骤C LibraryUser Code_maincopy code and datazero uninitialized data_rt_entryinitialize library functionscall top-level constructors (C+)Exit from applicationmain( )tells linker to link in library initialization codeImage Entry Poi

25、nt_user_initial_stackheap( )set up stack & heapreset handlerinitialize stack pointersconfigure MMU/MPUsetup cache/enable TCM$Sub$main( )enable caches & interrupts初始化步骤C LibraryUser Code_main_ROM or RAM at 0 x0?需要一个有效的地址在 0 x0这项功能可被编码在像RESET HANDLER 一样的模块中在本章结束的时候，我们还会讲到。ROM0 x100000 x180000 x40000 x

26、0000AliasedROMReset HandlerROM/RAM RemappingRAM0 x100000 x180000 x40000 x0000ROMROM at 0 x0Reset HandlerVectorsReset Handler0 x40000 x0000RAMVectorsROM or RAM at 0 x0?需要一个有效的地址在 0ROM/RAM Remapping 下面的例子可像Reset handler 一样在源码中编码。; - Integrator CM control regCM_ctl_reg EQU 0 x1000000C ; Address of CM C

27、ontrol RegisterRemap_bit EQU 0 x04 ; Bit 2 is remap bit of CM_ctl ENTRY; On reset, an alias of ROM is at 0 x0, so jump to real ROM. LDR pc, =Instruct_2 Instruct_2 ; Remap by setting Remap bit of the CM_ctl register LDR r1, =CM_ctl_reg LDR r0, r1 ORR r0, r0, #Remap_bit STR r0, r1; RAM is now at 0 x0.

28、; The exception vectors must be copied from ROM to RAM (in _main); Reset_Handler follows on from here这个功能也可在有mmu时使用ROM/RAM的重定向ROM/RAM Remapping 下面的例子可像Reset初始化栈的指针; - Amount of memory (in bytes) allocated for stacksLen_FIQ_Stack EQU 256Len_IRQ_Stack EQU 256 Offset_FIQ_Stack EQU 0Offset_IRQ_Stack EQU

29、 Offset_FIQ_Stack + Len_FIQ_Stack Reset_Handler LDR r0, stack_base ; located by scatter file; Enter each mode in turn and set up the stack pointer MSR CPSR_c, #Mode_FIQ:OR:I_Bit:OR:F_Bit ; No interrupts SUB sp, r0, #Offset_FIQ_Stack MSR CPSR_c, #Mode_IRQ:OR:I_Bit:OR:F_Bit ; No interrupts SUB sp, r0,

30、 #Offset_IRQ_Stack ; System mode stack is set up last MSR CPSR_c, #Mode_SYS:OR:I_Bit:OR:F_Bit ; No interrupts SUB sp, r0, #Offset_SYS_Stack; Set up stack limit if needed LDR r10, stack_limit ; located by scatter file初始化栈的指针; - Amount of memory 局部存储器设置run-time的存储器必须在C库初始化前定义如果你使用的ARM7芯片还有MMU/MPU,它必须设

31、置；ROM/RAM 的重新映射必须完成。TCMs（Tightly coupled memory） 如果有TCM,典型的必须使能它。请注意：在TCM使能之前，要屏蔽ROM在Cache打开之前要返回。在c库初始化代码运行之后，如果cache被使能，可以避免与cache相关的问题；局部存储器设置run-time的存储器必须在C库初始化前定义扩展功能系统初始化代码通常在进入主应用之前运行当然，reset handler 不是一个适合使能中断和使能caches地方。在reset handler最后应该放一个C运行库初始化代码EG。 IMPORT _main B _main我们可使用$Sub和$Super

32、功能来包装符号extern void $Super$main(void);void $Sub$main(void) cache_enable();/ enables caches int_enable(); / enables interrupts sys_to_usr_mode();/ change mode - see next slide $Super$main();/ calls original main()相关描述可在ADS 1.2 Linker and Utilities Guide - 4.4章查阅到。扩展功能系统初始化代码通常在进入主应用之前运行运行模式考虑主应用程序运行在何

33、种模式是要考虑的重要问题。用户模式（User mode）是非特权模式（unprivileged mode）-保护你的系统系统初始化代码只能运行在特权模式(privileged mode)。需要执行特权操作 比如:使能中断。如果你的应用要运行在管理模式,简单的在管理模式下退出你的reset handler 就可。如果你想在用户模式下运行你的应用，你需在$Sub$main( )改变为用户模式当然, _user_initial_stackheap( ) 必须有权使用你的应用模式寄存器。解决办法是在系统模式里退出reset handler所有C库初始化代码有权使用用户寄存器，但是仍然可以执行特权操作。

34、运行模式考虑主应用程序运行在何种模式是要考虑的重要问题。Agenda一个PC软件的构造裁减标准C库函数到目标板 定制IMAGE的存储器映射到目标板复位和初始化深层次的存储器器映象考虑编译和调试IMAGEAgenda一个PC软件的构造长跳转VeneersROM_LOAD 0 x0000 ROM_EXEC 0 x0000 * (+RO) RAM 0 x80000000 farfunc.o (+RO) * (+RW,+ZI) /* main.c */int main(void) farfunc(); /* farfunc.c */ void farfunc(void); :代码段可被远距离分开放置

35、(比BL的跳转范围还远)链接器可自动增加长跳转Veneers,远距离的函数可被成功调用。0 x00000000 bl Ven$AA$L$farfunc:Ven$AA$L$farfunc ldr pc,pc,#-4dcd 0 x80000000:0 x80000000:mov pc,lr长跳转VeneersROM_LOAD 0 x0000/* ma存储器映射寄存器你可以使用scatterloading来放置外设寄存器的存储器映射在文件中定义它 e.g. timer_reg.cstruct volatile unsigned reg1; /* timer control */ volatile u

36、nsigned reg2; /* timer value */ timer_reg;在存储器映射的请求地址上增加另外的可执行区来放置他们:LOAD_FLASH 0 x24000000 0 x04000000 : TIMER 0 x40000000 UNINIT timer_reg.o (+ZI) :UNINIT 显示在 ZI 段没有被初始化为0。存储器映射寄存器你可以使用scatterloading来放置Stack 和 Heap 区(1)你也可以在SCATTER文件中放置stack和heap在汇编原文件里定义stack 和heap 区 比如. stackheap.s这个空间直接保留一个为0的存

37、储器块AREA stack, DATA, NOINITSPACE 0 x3000 ; Reserve stack spaceAREA heap, DATA, NOINITSPACE 0 x3000 ; Reserve heap spaceENDStack 和 Heap 区(1)你也可以在SCATTER文Stack 和 Heap 区(2)增加一个可执行区来定位这个区域LOAD_FLASH 0X24000000 0 x04000000:STACK 0 x1000 UNINIT ; length = 0 x3000 stackheap.o (stack) ; stack = 0 x4000 to 0

38、 x1000HEAP 0 x15000 UNINIT ; length = 0 x3000 stackheap.o (heap) ; heap = 0 x15000 to 0 x18000Heap的基地址起始为 0 x15000. Stack的最大地址为 0 x4000.Stack 和 Heap 区(2)增加一个可执行区来定位这个Stack 和 Heap 区 (3)链接器将产生一个为每个可执行区的基地址和限制地址的符号指针在你的代码中引入这些符号IMPORT |Image$STACK$ZI$Base|IMPORT |Image$STACK$ZI$Limit|IMPORT |Image$HEAP

39、$ZI$Base|IMPORT |Image$HEAP$ZI$Limit|stack_baseDCD |Image$STACK$ZI$Limit|stack_limitDCD |Image$STACK$ZI$Base|heap_baseDCD |Image$HEAP$ZI$Base|heap_limitDCD |Image$HEAP$ZI$Limit|使用DCD指令为这些段命名Stack 和 Heap 区 (3)链接器将产生一个为每个可_user_initial_stackheap( )在reset handler，这个stack指针 (r13)和stack 限制值(r10) 通常设置了，他们

40、分别通过R1和R3作为参数传递给 _user_initial_stackheapIMPORT _use_two_region_memoryEXPORT _user_initial_stackheap_user_initial_stackheapLDR r0, heap_base; SB value setup in reset handler LDR r2, heap_limit; SL value setup in reset handlerMOV pc, lrStackHeap这个_user_initial_stackheap( )例子实现了两个存储器区域模式。 必须引用 _use_two

41、_region_memory，在这HEAP被检查，它是HEAP的限制值，而不是STACK指针_user_initial_stackheap( )在re存储器映射例子16 bitRAM0 x100000 x180000 x40000 x0000Fast32 bitRAMVector TableStackException HandlersRW & ZIHeapFlash0 x240000000 x28000000Reset HandlerROPeripherals0 x40000000外设控制寄存器的地址映射直接在FLASH运行的代码大小16位 RAM 被用来保存数据和HEAP区一些紧急的代码和

42、数据可放在快速的RAM区存储器映射例子16 bit0 x100000 x180000 x4SCATTER文件例子 : :16bitRAM 0 x10000 * (+RW,+ZI) HEAP 0 x15000 UNINIT stackheap.o (heap) TIMER 0 x40000000 UNINIT timer_reg.o (+ZI) FLASH 0 x24000000 0 x04000000 FLASH 0 x24000000 0 x04000000 init.o (Init, +First) * (+RO) 32bitRAM 0 x0000 vectors.o (Vect, +Fi

43、rst) handlers.o (+RO) STACK 0 x1000 UNINIT stackheap.o (stack) :这个scatter文件执行上页所显示的存储器映射。SCATTER文件例子 :FLASH 0 x240000Agenda一个PC软件的构造裁减标准C库函数到目标板 定制IMAGE的存储器映射到目标板复位和初始化深层次的存储器器映象考虑编译和调试IMAGEAgenda一个PC软件的构造不使用段的消除和程序的入口点在默认的情况下，链接器将从最终的image文件中删除一些从不使用的代码段，或从未使用的数据段。要查看哪些段被删除了，在链接时用： -info unused.为了确保不删除重要的段(比如：中断向量表) :使用汇编指令entry标示所有的入口点（c库有一个入口点：_main(),使用-entry选择其中一个入口点作为image的入口，否则，链接器将给警 告：Image does not have an entry point. (Not specified or not set due to multiple choices)在生成ROMmable image 使推荐使用下面的链接命令：armlink obj1.o obj2.o -scatter scatter.