隨著對高處理能力、實時多任務(wù)、超低功耗等方面需求的增長，高端嵌入式處理器已經(jīng)進入了國內(nèi)開發(fā)人員的視野，并在國內(nèi)得到了普遍的重視和應(yīng)用。ARM是目前嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的RISC微處理器結(jié)構(gòu)，憑借低成本、低功耗、高性能等優(yōu)點占據(jù)了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。ADS是ARM公司推出的ARM集成開發(fā)環(huán)境，提供了對C和C++的支持，是目前開發(fā)ARM的主要工具。本文針對日益縮短的嵌入式開發(fā)周期，結(jié)合ARM系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試經(jīng)驗，對使用ARM標準庫進行應(yīng)用程序開發(fā)作了比較系統(tǒng)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，該庫包含下面幾個部分：

◇IS0 C庫標準所定義的函數(shù)；

◇在semlhosted環(huán)境下用來實現(xiàn)C庫函數(shù)與目標相關(guān)的函數(shù)；

◇C和C++編譯器要使用的heIper函數(shù)。

該庫提供的諸如文件輸入輸出之類的設(shè)備，使用了標準的ARM semihosted執(zhí)行環(huán)境（semihosting是針對ARM目標機的一種機制，它能夠根據(jù)應(yīng)用程序代碼的輸入/輸出請求，與運行有調(diào)度功能的主機通信，這種技術(shù)允許主機為通常沒有輸入和輸出功能的目標硬件提供主機資源）。ARMulator、Angel和Multi-lCE都支持這個環(huán)境，可以使用ADs中提供的開發(fā)工具開發(fā)應(yīng)用程序，然后在ARMulator或者是開發(fā)板上運行和調(diào)試該程序。如果要使應(yīng)用系統(tǒng)獨立于這個環(huán)境，則必須重新實現(xiàn)C庫中依賴于這個環(huán)境的相關(guān)函數(shù)，根據(jù)用戶系統(tǒng)的運行環(huán)境對C庫進行適當?shù)牟脺p。

使用ANSI標準C庫進行程序開發(fā)，不僅可以提高開發(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(shù)，必須先建立一個庫函數(shù)可以執(zhí)行的環(huán)境，這些工作都由庫中的函數(shù)完成。當應(yīng)用程序鏈接了C庫中的函數(shù)時，C庫中的函數(shù)將完成：

◇創(chuàng)建C程序所需的執(zhí)行環(huán)境（建立棧，如果需要創(chuàng)建一個堆，初始化程序使用的部分庫）；

◇調(diào)用main（）函數(shù)開始執(zhí)行C程序；

◇支持程序使用的Is0定義的函數(shù)；

◇捕獲運行時的錯誤和信號，如果需要，根據(jù)錯誤終止執(zhí)行或程序退出。

2 裁減ARM標準C函數(shù)庫

標準庫中包含了部分依賴于ARM semihosted執(zhí)行環(huán)境的函數(shù)，這部分函數(shù)的函數(shù)名中包含有單個或兩個下劃線“-”，需要重新實現(xiàn)這部分函數(shù)。如果在程序中定義這些函數(shù)，則編譯器就會使用新定義的函數(shù)，這個過程稱為庫函數(shù)的裁減。一般情況下，只需要重新定義很少的幾個函數(shù)就可以使用C庫。

ARM應(yīng)用系統(tǒng)開始執(zhí)行用戶應(yīng)用程序，必須先將應(yīng)用程序加載到執(zhí)行域，建立應(yīng)用程序的執(zhí)行環(huán)境。使用C庫時，這些繁瑣的工作就大部分由c函數(shù)來完成了。匯編程序完成系統(tǒng)初始化后，跳轉(zhuǎn)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(shù)時，編譯器就會生成_main代碼）。由_main（）引導庫函數(shù)完成C執(zhí)行環(huán)境的初始化，具體過程如下：

◇將非啟動代碼的RO和RW執(zhí)行域代碼從加載域地址復制到執(zhí)行域地址；

◇將ZI域清零；

◇跳轉(zhuǎn)到_rt_entry。

調(diào)用_main（）將大大簡化匯編啟動代碼的編寫，匯編代碼僅需完成系統(tǒng)硬件的初始化，而沒有必要將代碼從加載域地址復制到執(zhí)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_main（）的作用就更加明顯了。但是_main（）并沒有建立C庫運行必須的環(huán)境，這項工作由_rt_entry（）完成，主要調(diào)用過程為：

◇調(diào)用_rt_stackheap_init（）建立堆和棧；

◇調(diào)用_rt_lib_init（）初始化引用的庫函數(shù)；如果需要，建立main（）函數(shù)的參數(shù)argc和argv等；

◇調(diào)用main（）函數(shù)，執(zhí)行應(yīng)用程序，可以應(yīng)用庫函數(shù)；

◇用main（）函數(shù)的返回值作參數(shù)調(diào)用exit（）。

_rt_entry并不是C函數(shù)，它是用ARM C庫編程的起始點。_rt_entry不能用C語言宴現(xiàn)，因為這時候堆棧還沒有建立，堆棧由＿ rt_stackheap_init（）來建立。

上面簡單介紹了C程序使用庫函數(shù)時的調(diào)用過程，由_rt—stackheap_init（）建立C庫使用的內(nèi)存模型－－堆和棧。因為ARM庫是建立在semihosted執(zhí)行環(huán)境的，它實現(xiàn)的內(nèi)存模型是基于這個環(huán)境的，所以必須修改這個內(nèi)存模型建立機制。表1列出了需要重新實現(xiàn)的函數(shù)，實現(xiàn)了這些函數(shù)，應(yīng)用程序就可以脫離宿主機環(huán)境獨立運行了。其中，必須重新實現(xiàn)的是＿user initial＿stackheap（），因為默認的實現(xiàn)是基于semihosted執(zhí)行環(huán)境的，該函數(shù)被＿n＿stackheap＿init（）調(diào)用創(chuàng)建內(nèi)存模型，其他兩個函數(shù)沒有默認的實現(xiàn)。

實現(xiàn)該函數(shù)，必須滿足下面的條件：

◇使用不超過96字節(jié)的棧空間；

◇除了R12（ip）外不要污染其他寄存器；

◇將堆基址、棧基址、堆邊界和棧邊界分別存在RO～R3作為返回參數(shù)；

◇堆必須保持8個字節(jié)對齊。

實現(xiàn)例程如下：

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

高層輸入輸出函數(shù)是不依賴于目標系統(tǒng)環(huán)境的，但是高層輸入輸出函數(shù)必須調(diào)用依賴于目標系統(tǒng)的底層函數(shù)，才能實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的輸入輸出。依據(jù)目標系統(tǒng)硬件環(huán)境重新定義這些底層函數(shù)，就可以使用庫提供的標準input／output庫函數(shù)了。下面以裁減ARM標準庫提供的printf系列輸出函數(shù)為例來作說明。

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

下面給出了具體實現(xiàn)的模板，可以根據(jù)實際需要修改。

#include

struct__FILE

{

int handle；

/*用戶需要的任何代碼（如果使用文件僅是為了調(diào)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，F(xiàn)ILE*f）{

/*用戶實現(xiàn)的fpute代碼。輸出一個字符，可以根據(jù)需要實現(xiàn)*/

return ch；

}

int ferror（FILE*f）{

/*用戶實現(xiàn)的ferror代碼*/

return EOF；

}

結(jié)語

本文分析了ARM標準庫的工作機理，給出了裁減C庫進行程序開發(fā)的關(guān)鍵步驟。實際應(yīng)用時需要根據(jù)具體的硬件環(huán)境和應(yīng)用要求裁減C庫，提高代碼執(zhí)行效率。

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