嵌入式软件开发简介

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系统启动

系统启动有两个阶段：硬件阶段和软件阶段。


硬件阶段：一旦复位线有效（装电池或按“电源”键）， 处理器就进入到硬件阶段。此阶段的主要职责是使CPU开 始运行程序或运行一些要把CPU控制权转交给程序的代码， 程序的最初几行代码定义了如何启动软件。 软件阶段：此阶段的职责是初始化核心元件和内存的关 键结构（用来建立完整的运行时环境）。

系统启动的具体过程与处理器的类型有关。
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系统启动过程举例（Arm微处理器）




从程序的初始入口点处开始运行，这里用ENTRY伪操作标 识程序入口点； 调用复位异常处理中断（如boot_reset_handler）函数； 对存储器和外围控制硬件进行初始化； 执行ROM和RAM有效性校验和测试，如验证ROM中是否包含 一个有效的应用映像； 将已初始化的数据（ ROM 中）拷贝到可写的数据区 （ RAM 中），并将剩下的RAM 空间初始化为0； 初始化数据栈指针 调用main()函数开始运行主程序
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中断响应周期

定义：当CPU接收到中断信号，他就把正在做的事情放在 一边，执行处理此中断的指令，然后回到先前的任务。 当某个设备发出中断信号给CPU，CPU将：


把下一条指令（返回地址）的地址压入栈中 从异常向量表加载ISR(中断服务程序)地址到程序计 数器中 禁止中断 恢复运行正常的取指周期，此时取出的是ISR指令

使用IMPORT伪操作声明该全局变量 使用LDR指令读取该全局变量的内存地址 根据该数据的类型，使用相应的LDR指令读取该全局变量的值

使用相应的指令修改该全局变量的值
AREA globals,CODE,READONLY EXPORT asmsub IMPORT global ;用IMPORT伪操作声明该变量 ；将器内存地址读入到寄存器R1中 ; 再将其值读入到寄存器R0中 ;修改后再将寄存器r0的值赋予变量global
编译选项（cont.）
选项名称 -fa 描述 对数据流是否出现异常进行检查 备注 如检查是否一个变量没有 被赋值而被使用 -Wb -Ospace -O2 指定产生警告信息的级别 进行基于缩小代码尺寸（以可能增加 执行时间为代价）的优化。 使用完全优化（fully optimized ）的级别 -o file 指定生成的目标文件的名称

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栈帧（StackFrame）


定义：分配给一个函数的所有栈空间（参数、返回地址和局部变量）称 为栈帧 栈被用来存放所有的函数局部变量和参数，函数调用的处理流程如下：

把所有参数压栈 调用函数 为所有局部变量在栈中分配存储空间 执行函数 释放分配给局部变量的栈空间 从函数返回 释放参数所使用的栈空间
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速度和代码密度



在很多情况下，如果是通过指针而不是正常的变量引用执行操作，编译器就能产生 占用空间更少且执行速度更快的代码。 如果某个函数操作某个变量多次，或者逐个访问某个数组的成员变量，通过指针来 进行访问可能会产生更有效率的代码。 如对如下代码： void strcpy2(char dst[],char const src[ ]) {



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内嵌式汇编

如果仅仅需要从特定端口进行读写操作，使用内嵌式汇编是最简单的解决方案。 内嵌式汇编依赖于编译器。使用方式有如下两种： 使用类似_asm/_endasm的特殊标志符； 把汇编语句包装起来，类似函数调用，如asm(“ ”);

ARM ADS1.2 编译器使用第一种方式。其语法如下：
Asmsub
LDR r1,=global LDR r0,[r1] ADD r0,r0,#2 STR r0,[r1] MOV pc,lr END
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C++程序使用 C程序头文件

在C++程序使用 C程序头文件时，必须将用户定义的头文件包含在伪操作extern “C”{ }中，有如下两种方法来完成这种操作： 在C++程序中包含该头文件时，将其放在伪操作extern “C”{ }中。 //c++ code extern “C” { #include “my-cheader1.h” //在C++程序中使用伪操作extern “C”{ } #include “my-cheader1.h” } int main() { //….. return 0; }
以及进行软件栈检查
指令是32位指令（执行速
度快）； Thumb指令是16位指令
-littleend
字节排序的方式为 “小端排序”， 如对数值0x2f1d, 第一个
即一个数据字的最小有效位（LSB） 字节存放0x1d; 第二个字
的字节存在最低的地址上 节存放0x2f
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嵌入式软件开发简介
何耀东
2005/12
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嵌入式软件开发简介



嵌入式系统的特点 嵌入式系统设计的生命周期 执行环境 独特的软件技术 ADS编译器相关知识 编程注意事项
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嵌入式系统特点
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内存结构



所有静态分配的读/写变量都放在自由内存（RAM数据空 间）中。全局变量是静态分配变量最常见的形式，C语言 中的“static”型变量也放在这里。任何拥有全局生存期 的可修改变量都存放在自由内存中。 所有动态分配（使用new或malloc()）的对象和变量都放 在堆中。许多嵌入式系统并没有使用堆。 最后的内存组成部分是映射到内存的外部设备寄存器(如 键盘、显示屏、耳机、光感应器、充电器)。这些设备的 状态放在I/O空间区域。



嵌入式系统一般用于特定的任务 嵌入式系统通常及其关注成本 嵌入式系统有实时约束 嵌入式系统一般用实时操作系统（RTOS） 嵌入式系统大多有功耗约束 嵌入式系统的系统资源有限 嵌入式系统通常在ROM中存放所有目标代码
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嵌入式系统设计生命周期
产品定义（需求分析） 开发计划的制定 软件设计(概要设计和详细设计) 编码及单元测试 硬件和软件集成
__asm {
instruction [; instruction]
... [instruction] } 若两个指令在同一行，则必须用分号隔开。若一条指令分两行显示则必须在行尾加 符号 ‘\’ .
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汇编程序访问C变量

在C程序中声明的全局变量可以被汇编程序通过地址间接访问。具体访问方法如下：
系统测试
产品发布 维护和升级
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执行环境



内存结构 系统启动 中断响应周期 栈帧
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执行环境

内存结构

一般微处理器的内存映像如下图：
代码空间 ROM数据 空间 I/O空间 RAM数据 空间 堆 栈
系统空间
图1 处理器的内存映像
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内存结构




系统空间为存放异常向量表的内存空间。处理器用 异常向量标识出在系统遇到中断或其他异常（比如 被零除、溢出错误、内存操作出错或指令错误）时 将运行哪段代码，进行相应的处理。 在系统空间之上的代码空间存放着指令。一般要把 系统和代码空间存放在同一ROM物理设备中。 在代码空间之上，ROM数据空间存放常量数值，比如 错误信息和其他字符串。 栈用来保存当前运行状态和所有暂停运行的进程的 上下文。因此，栈包含所有局部变量以及函数和中 断的返回地址。只有提供了栈空间，程序才能进行 中断服务或调用函数。栈一般位于内存的高端，即 栈从上向下增长。
armar
建立ARM库文件的工具
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编译选项示例 选项名称 描述 备注
-I"$(ARMINC)" -cpu ARM7TDMI -apcs /interwork
指定搜索包含文件的路径 指定CPU 为 ARM7
C:\apps\include
指 定 过 程 调 用 标 准 （ PCS ） 为 Interwork 指 允 许 混 合 使 interwork 用ARM 和Thumb代码。ARM
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独特的软件技术

控制外设 内嵌式汇编 汇编程序访问C变量 C++程序使用 C程序头文件 内存映射访问 使用存储类限定符volatile 速度和代码密度 中断和中断服务例程（ISRs）
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控制外设

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ADS 工具包（toolkits）

ADS编译器提供如下工具：
工具名称 armcc armcpp armasm armlink FromELF ARM C 编译器 ARM C++编译器 ARM 汇编器 ARM 连接器
功能描述
将连接生成的ARM ELF文件转化为其他格 式的文件（如BIN、 HEX）
嵌入式系统程序员经常需要编写一些直接控制外设的代码(如键盘、lcd、 uim卡、充电器、麦克、speaker等)。对于不同的计算机体系结构，设 备可能是端口映射的，也可能是内存映射的。 如果系统结构支持独立的I/O地址空间，且外设是端口映射的，则必须 用汇编语言完成实际操作，这是由于C语言没有真正的“端口”概念。 对基于内存映射的外设，可通过C语言指针来访问内存映射硬件。通过 简单的强制类型转换操作使指针定位到指定的任意内存地址。如用如下 代码读寄存器的值： unsigned short x; volatile unsigned short * io_regs; io_regs=(unsigned short *) 0x40000000; x=*io_regs[10]; 在ARM中，使用基于内存映射的方式控制外部设备
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C++程序使用 C程序头文件

在该头文件中使用伪操作extern “C”{ }，使得其被C++程序包含时，自动加上 extern “C”{ }。 /* C header file */
#ifdef __cplusplus //如果头文件被C++程序引用
extern “C” { #endif //在头文件中使用伪操作extern “C”{ }
/*头文件实际内容
#ifdef __cplusplus }
*/
#endif
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存储类限定符volatile
大多数编译器为了减小代码尺寸，一般要对代码进行优化； 或者为了获得更高的执行效率，有时可能把内存数据放到数 据高速缓存(CACHE)中。这种方法是基于一个关键性假设： 除非明确地把某值写到内存，否则内存中的值不会改变。 由于硬件外设的寄存器值随时都在变化，为了避免出现问题， 可用关键字volatile来告诉编译器不要使用各种方法对其进 行优化，也不必把它放到数据高速缓存中。

int I; for(I=0;src[I];I++) {

dst[I] = src[I];

}
}
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速度和代码密度（cont.）

转换为汇编指令后，函数长度为34个字节，循环体 有4条指令。

这个循环可以用指针的方式，即：
void strcpy2(char *dst,char const*src) {

while((*dst++ = *src++)) {;}
}


转换为汇编指令后，函数长度为20个字节，循环体 有2条指令。 可以看出，用指针方式既节省了代码空间，又提高 了执行效率。
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ADS编译器相关


ADS 工具包（toolkits） 编译选项示例 结构和域的对齐