嵌入式系统的启动过程

sdfuyj 于2001-11-29
嵌入式系统
采用大容量ＥＰＲＯＭ来固化程序的专用系统，正在智能仪器和自动化等领域里
得到广泛应用。

传统设计方法用汇编语言编写程序，这主要是从保证速度和节省存储空间考虑，但编程费时，调试和排错很不容易。

微电子技术的飞速发展，使高性能微处理器和大容量存储器的价格变得十分便宜，速度和存储容量不再是困扰设计者的主要问题。

人们将ＲＯＭＢＩＯＳ和ＣＲＴ显示器等外设加进这类专用系统，并尝试用高级语言来开发其软件，即把通用计算机上的软件和硬件“嵌入”专用系统，构成所
谓的嵌入式系统（ＥｍｂｅｄｄｅｄＳｙｓｔｅｍ）。

由于Ｃ语言容易编程、代码紧凑、可移植性和可维护性好，因而被普遍用于嵌入式程序的设计。

大多数嵌入式系统无操作系统支持，要由设计者提供所有低级Ｉ／Ｏ功能。

系统
Ｉ／Ｏ资源有限，程序必须固化在ＥＰＲＯＭ中，不能象在ＤＯＳ下那样从磁盘装入和由用户编程。

设计者要编写一个定位程序（Ｌｏｃａｔｏｒ），把ＥＸＥ格式的应
用程序转换成可固化进ＥＰＲＯＭ的二进制文件（ＲＯＭ图）。

还要编写一个启动程
序（ｒｕｎｔｉｍｅＳｔａｒｔｕｐＣｏｄｅ），与ＲＯＭ图一起嵌入ＥＰＲＯＭ，
先由它建立数据区和对系统硬件作必要初始化，然后调Ｍａｉｎ函数，执行应用程序。

若想发挥Ｃ语言之优势，使用一些标准Ｉ／Ｏ语句，如用ｐｒｉｎｔｆ驱动显示器等，则要在嵌入式程序中加进经过修改的库函数。

总之，Ｃ语言编程会使系统开发面临一些新问题，要求设计人员具备软硬件方面的综合知识，才能正确进行系统调试和排错。

当然，如果拥有专用的嵌入式系统开发工具，设计工作便要省劲些。

它们通常配
有定位程序和可供设计者修改的启动程序样板，有些还能通过串口或并口，在ＰＣ机上联机调试程序，甚至有源级代码调试功能。

利用工控机来设计系统，事情就更简单。

不过，专用开发工具和工控机价格昂贵，因此许多人在设计嵌入式系统时选择自己编写定位程序和启动程序，甚至编写可嵌入的Ｉ／Ｏ库函数。

本文就嵌入式系统的程序设计方法及设计中可能遇到的问题作些讨论，供打算设计嵌入式程序的读者参考，有关编写定位程序和启动程序的具体方法将另文介绍。

２嵌入式程序的定位
２．１ＥＸＥ文件格式和ＤＯＳ重定位
ＤＯＳ下的ＥＸＥ文件是一种可重定位文件
（Ｒｅ－ｌｏｃａｔａｂｌｅＦｉｌｅ），它由重定位标头和装入模块组成。

后者含
一段或几段程序代码，段数与类型取决于程序规模和编译时所用的内存模式，然后是初始化与未初始化的数据及堆栈，还可能有程序排错信息。

代码、数据和堆栈段地址均是参考到程序开头的相对地址。

标头放在装入模块之前，含若干定位控制信息和一张定位表。

控制信息包括ＥＸＥ文件大小、标头长度、需要重定位的项数和位置、装入模块的开头和堆栈的相对地址等。

定位表是一组形式为段址：偏址的远指针，指示装入模块中要重定位的那些段址相对于模块开头处的位置。

装进ＲＡＭ后，加载程序建立起程序段前缀ＰＳＰ，并根据系统当前可用ＲＡＭ地址修改这些段址，对装入模块重定位，使程序中所有参考绝对地址的量正确指向模块装入后的起始地址，然后执行（图１）。

因此它可在ＲＡＭ中的任何位置上执行。

图１ＤＯＳ对ＥＸＥ文件的
定位过程
嵌入式系统大多不能从键盘接受命令，而要在系统通电或复位时，自动执行ＲＯＭ中的
程序。

各系统的复位地址不尽相同，以工作在实模式的８０ｘ８６嵌入式系统为例，ＣＰＵ复位后将执行Ｆ０００：ＦＦＦ０Ｈ处的代码。

这是系统ＲＯＭ的高址端，仅有１６字节空间，设计者可用ＤＥＢＵＧ命令在ＲＯＭ图的这个位置上，放一条无条件远跳转指令ＪＭＰＦＡＲＰＴＲｓｔａｒｔ，转到ＲＯＭ开头，从那里执行启动程序（见图２）。

启动程序完成上述的初始化后调ｍａｉｎ函数，执行应用程序。

８０２８６以上的ＣＰＵ复位时，ＣＳ：ＩＰ初值仍是Ｆ０００：ＦＦＦ０Ｈ。

但
Ａ２０以上地址线在ＣＳ寄存器被第一次装进新的内容前，一直保持高电平，即开始地址指向最高地址端。

如只要求系统工作在实模式，可由译码电路将开始的高地址反射到低端的１ＭＢ空间，复位矢量仍是Ｆ０００：ＦＦＦ０Ｈ。

当上述ＪＭＰ指令一执行，ＣＳ被改写，Ａ２０以上地址线将变低而进入实模式。

要是希望启动后进入保护模式，就不需要进行地址反射，但是相应的复位地址上只能放一条近跳转指令，保证不改变ＣＳ值。

然后进行必要的初始化，尽快进入保护模式。

５嵌入式程序的编译和连接
综上所述，设计嵌入式系统时要在ＰＣ机上编写三个程序：应用程序MYPROG.C；定位程序LO-CA TOR.C；启动程序ＳＴＡＲＴＵＰ．ＡＳＭ。

然后按以下步骤进行编
译和连接，生成可编程的ROM图：
·将应用程序编译成ＭＹＰＲＯＧ．ＯＢＪ。

·将定位程序编译和连接成可执行程序ＬＯ－ＣＡＴＯＲ．ＥＸＥ。

·将启动程序编译成ＳＴＡＲＴＵＰ．ＯＢＪ。

·对ＳＴＡＲＴＵＰ．ＯＢＪ、ＭＹＰＲＯＧ．ＯＢＪ及必要的库函数进行连接，
生成ＥＭＢＥＤ．ＥＸＥ和简化的ＭＡＰ文件ＥＭＢＥＤ．ＭＡＰ。

ＳＴＡＲＴＵＰ必须是ＬＩＮＫ行上的第一个模块，保证它先执行。

·执行ＬＯＣＡＴＯＲ．ＥＸＥ，以ＥＭＢＥＤ．ＥＸＥ、ＥＭＢＥＤ．ＭＡＰ、
第一个ＲＡＭ段的段类名、ＲＡＭ和ＲＯＭ始址为输入参数，实现定位，输出ＲＯＭ图ＥＭＢＥＤ．ＢＩＮ。

·用ＤＥＢＵＧ命令在ＥＭＢＥＤ．ＢＩＮ的Ｆ０００：ＦＦＦ０Ｈ位置上加进
指令ＪＭＰＦＡＲＰＴＲｓｔａｒｔ，形成最终的ＲＯＭ图。

６其它几个问题
６．１系统内存考虑
为确保正确复位，设计硬件时要让ＲＯＭ地址空间覆盖复位矢量。

例如８０８６
系统的最高地址为Ｆ０００：ＦＦＦＦＨ，若采用１２８ＫＢ的ＲＯＭ，其地址范围应取Ｅ０００：００００－Ｆ０００：ＦＦＦＦＨ。

ＲＡＭ地址则应从０开始，由于开头１ＫＢ字节ＲＡＭ要保留给中断矢量表，通
常如图２那样将ＲＡＭ数据区设在地址００４０：００００Ｈ处。

常数先固化在ＲＯＭ中，然后被复制进ＲＡＭ，因此占用的存储器空间是ＤＯＳ
下的两倍。

可在程序设计中设法限制要复制进ＲＡＭ的常数数量。

例如，系统若支持ＣＲＴ显示器，可能需要在屏幕上显示各种消息和菜单提示。

这时，可把所有显示函数和有关文本串放进一个模块，再用指针来存取它们。

比如，本来可用下面语句打印提示：
ｐｒｉｎｔｆ（"ＰｒｅｓｓＳｔｏＳｔａｒｔ"）；
ｐｒｉｎｔｆ（"ＰｅｒｓｓＱｔｏＱｕｉｔ"）；
若程序中有许多类似的语句，便可能存在较多重复串。

要是对各子串都用指针访
问，编译就会把其中重复的串（如Ｐｒｅｓｓ，ｔｏ等）合并，省下不少内存空间。

即把上面语句改为：
ｐｒｉｎｔｆ（"％ｓ％ｓ％ｓ％ｓ"，"Ｐｒｅｓｓ"，"Ｓ"，"ｔｏ"，"Ｓｔａｒｔ"）；
ｐｒｉｎｔｆ（"％ｓ％ｓ％ｓ％ｓ"，"Ｐｅｒｓｓ"，"Ｑ"，"ｔｏ"，"Ｑｕｉｔ"）；
６．２标准Ｉ／Ｏ函数的使用
用Ｃ语言编写嵌入式程序的过程与ＤＯＳ下一样，只是要避免使用不能被固化到
ＲＯＭ中的库函数。

在ＤＯＳ下，许多低级Ｉ／Ｏ函数（如ｐｕｔｃｈ，ｇｅｔｃｈ）
均通过ＤＯＳ中断２１Ｈ与硬件接口，高级函数ｐｒｉｎｔｆ，ｓｃａｎｆ等也使用该中断。

若希望在无ＲＯＭＢＩＯＳ的系统上使用这些函数，应编写一个模仿
ＤＯＳＩＮＴ２１的函数，这样便能使用除磁盘Ｉ／Ｏ函数之外的大多数标准Ｉ／Ｏ函数，缩短程序开发时间，并保证较好的可移植性。

当然，如果使用的是现成的嵌
入式系统开发软件包，厂商将告知哪些函数可被固化进ＲＯＭ，不必自己编写
ＩＮＴ２１函数。

编写嵌入式支持函数时要防止使用与ＤＯＳ有关的库函数。

比较起来，ＢＣ提供
的库比ＭＳＣ的更独立于ＤＯＳ。

例如，ＭＳＣ的ｐｒｉｎｔｆ函数要依赖几个低级的ＤＯＳ函数。

所以在仿真ＩＮＴ２１的控制台Ｉ／Ｏ函数时，建议用ＢＣ的
ｐｒｉｎｔｆ函数。

６．３配置参数的保护
断电时，嵌入式系统应能保持那些用于系统恢复或外设配置的数据，可用电池供
电的ＲＡＭ或ＥＥＰＲＯＭ来存放它们。

但在复位时，启动程序要把有初值的变量复制进ＲＡＭ，并对其余ＲＡＭ区清０，结果会清除应保持的数据。

为此，可把这类数据归入一个专门段，不包括在初始化和未初始化数据区中，不让启动程序修改它们。