ARM嵌入式软件开发实用教案

1、嵌入式开发嵌入式开发(kif)过程过程“PC软件(run jin)”hello world独立(dl)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：n 硬件环境中所使用的C库函数n 目标板上的存储器资源n 应用程序的初始化第1页/共49页第一页，共50页。议程议程(ychng)PC软件的构造定制标准C库函数到目标(mbio)板 定制IMAGE的存储器映射到目标(mbio)板复位和初始化深层次的存储器器

2、映象考虑编译和调试IMAGE第2页/共49页第二页，共50页。ADS默认默认(mrn)的标准的标准C库库ANSI Cinput/outputerror handlingstack &heapsetupotherSemihosting Support应用程序调用(dioyng)的C库函数eg: fputc()设备(shbi)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。

3、第3页/共49页第三页，共50页。ADS默认默认(mrn)的存储器映射的存储器映射在默认的情况下，我们链接、定位、运行在0 x8000heap 被直接放置在数据区的上面堆栈(duzhn)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(lin

4、 ji)时确定由调试环境提供Heap(malloc,alloc)Stack第4页/共49页第四页，共50页。C LibraryUser Code应用程序启动应用程序启动(qdng)_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 libra

5、ry initialization code程序(chngx)入口点第5页/共49页第五页，共50页。Agenda一个PC软件的构造定制标准C库函数到目标(mbio)板 定制IMAGE的存储器映射到目标(mbio)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第6页/共49页第六页，共50页。重定向重定向C库函数库函数 (1)SemihostingSupportANSI Cinput/output 你可以使用适合你目标板运行的驱动(q dn)来替换标准C库中的设备驱动(q dn)。 Eg: printf( ) 可打印到LCD上，而不是打印控制台上input/outputANSI C

6、C LibraryUser CodeDebug AgentTarget HardwareRetarget第7页/共49页第七页，共50页。重定向重定向C库函数库函数(2) 要重定向C库函数,简单的办法是使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(xtng)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, F

7、ILE *f) /* e.g. write a character to an LCD */ char tempch = ch; sendchar(&tempch); return ch; 可查看在ADS Embedded 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?.第8页/共49页第八页，共50页。消除消除(xioch)C库函数中的库函数中的semi hosting 为了确保在连接(linji)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 impo

8、rt(_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: 如果使用 (check -verbose linker output for occurrences of I use_ semihosting_ swi), 那么连接(linji)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semihostin

9、g的C库函数。 注意: 连接(linji)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。第9页/共49页第九页，共50页。Agenda一个PC软件(run jin)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第10页/共49页第十页，共50页。分散分散(fnsn)加载（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(tgng)了一种把你

10、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第11页/共49页第十一页，共50页。Execute ViewRAM0 x100000

11、x180000 x40000 x0000ROMRO分散分散(fnsn)加载加载(简单例子简单例子)只读代码和数据(shj)保存在ROM中C库函数初始化代码 (在 _main) 将 :从ROM拷贝RW数据(shj)到RAM在RAM中的ZI 数据(shj)初始化RAM0 x100000 x180000 x40000 x0000ROMLoad ViewRORWFill with zerosZICopyRW第12页/共49页第十二页，共50页。Execute ViewRAM0 x100000 x180000 x40000 x0000ROMROLOAD_ROM 0 x0000 0 x4000RAM0 x

12、100000 x180000 x40000 x0000ROMLoad ViewRORWScatter 描述描述(mio sh)文件文件通配符（*）语法(yf)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)RWZI第13页/共49页第十三页，共50页。RORWZIROCODERO -DATARO -CODEAB链接器放置链接器放置(fngzh)规则规则 在每个可执行区，链接器通过一些(yxi)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

13、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.o第14页/共49页第十四页，共50页。在在SCATTOR 文件中的对象文件中的对象(duxing)排序排序 为了把特定的CODE 和DATA 放在指定的地址(dzh)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VECTO

14、R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(zhxng)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第15页/共49页第十五页，共50页。ROOT区区LOAD_ROM 0 x0000 0 x4000 ; start address and length EXEC_ROM 0 x0000 0 x4000 ; root (load = exec addre

15、ss) _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 be in a root regionoutside root region一个 root 区是一个可执行区，它的加载地址(dzh)等于执行地址(dzh)。第16页/共49页第十六页，共5

16、0页。Root区要点区要点(yodin) 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(di m) 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 Region$Table cannot be assigned to a non-root region.Error: L6202E: Section

17、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.第17页/共49页第十七页，共50页。Run-time 存储器管理存储器管理(gunl) SemihostingSupportANSI CStack &HeapSetupStack &HeapSetupANS

18、I CC LibraryUser CodeDebug AgentTarget HardwareRetarget如何设置stack和 heap来满足(mnz)我们的目标存储器? 我们(w men)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。第18页/共49页第十八页，共50页。Stack 和和 Heap 初始化初始化C LibraryUser Code_maincopy code and datazero uninitialized data_rt_entryinitialize library functionscall top-l

19、evel constructors (C+)Exit from applicationmain( )cause linker to pull in library initialization codeImage Entry Point_user_initial_stackheap( )set up application stack and heap第19页/共49页第十九页，共50页。Run-time 存储器模式存储器模式(msh) 你必须决定在放置stack和heap时所使用(shyng)的区域是单一的区(one-region model)或是不同的两个区(two-region mode

20、l)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(jinch)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 limit(SL)第20页/共49页第二十页，共50页。_user_initial_stackheap( )

21、可以(ky)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(msh)是不被使用的。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

22、 x88000第21页/共49页第二十一页，共50页。警告警告(jnggo)! 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的并发使用，无论是直接(e.g. with malloc()或间接(by use of arg

23、c/argv)的都可能破坏向量表或其他代码，典型的结果是不可(bk)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).第22页/共49页第二十二页，共50页。Agenda一个PC软件的构造裁减标准C库函数到目标板 定制(dn zh)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第23页/共49页第二十三页，共50页。The Vector TableAREA Vector

24、s, 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 xFFFF0000）ENTRY 直接告诉(o s)链接器这是一个入口点，防止某些段被删

25、除中断向量表中断向量表第24页/共49页第二十四页，共50页。初始化步骤初始化步骤(bzhu)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 Point_user_initial_stackheap(

26、 )set up stack & heapreset handlerinitialize stack pointersconfigure MMU/MPUsetup cache/enable TCM$Sub$main( )enable caches & interrupts第25页/共49页第二十五页，共50页。ROM or RAM at 0 x0? 需要一个有效(yuxio)的地址在 0 x0这项功能可被编码在像RESET HANDLER 一样(yyng)的模块中在本章结束的时候，我们还会讲到。ROM0 x100000 x180000 x40000 x0000AliasedROMReset H

27、andlerROM/RAM RemappingRAM0 x100000 x180000 x40000 x0000ROMROM at 0 x0Reset HandlerVectorsReset Handler0 x40000 x0000RAMVectors第26页/共49页第二十六页，共50页。ROM/RAM Remapping 下面(xi mian)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 Control RegisterRemap_bi

28、t 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.; The exception vectors

29、 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的重定向的重定向第27页/共49页第二十七页，共50页。初始化栈的指针初始化栈的指针(zhzhn); - Amount of memory (in bytes) allocated for stacksLen_FIQ_Stack EQU 256Len_IRQ_Stack EQU 256 Offset_FIQ_Stack EQU 0Offset_IRQ_Stack EQU Offset_FIQ_Sta

30、ck + 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, #Offset_IRQ_St

31、ack ; 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第28页/共49页第二十八页，共50页。局部局部(jb)存储器设置存储器设置 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,它必须设置； ROM/RAM

32、 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(zhhu)，如果cache被使能，可以避免与cache相关的问题；第29页/共49页第二十九页，共50页。扩展扩展(kuzhn)功能功能 系统初始化代码通常在进入主应用之前(zhqin)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

33、可使用$Sub和$Super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。第30页/共49页第三十页，共50页。运行

34、运行(ynxng)模式考虑模式考虑 主应用程序运行在何种模式是要考虑的重要问题。 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 handl

35、er 所有C库初始化代码有权使用用户寄存器，但是仍然(rngrn)可以执行特权操作。第31页/共49页第三十一页，共50页。Agenda一个PC软件的构造裁减(cijin)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第32页/共49页第三十二页，共50页。长跳转长跳转VeneersROM_LOAD 0 x0000 ROM_EXEC 0 x0000 * (+RO) RAM 0 x80000000 farfunc.o (+RO) * (+RW,+ZI) /* main.c */int main(void) farfunc(); /

36、* farfunc.c */ void farfunc(void); :代码段可被远距离分开放置 (比BL的跳转范围(fnwi)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第33页/共49页第三十三页，共50页。存储器映射存储器映射(yngsh)寄存器寄存器 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.c

37、struct volatile unsigned reg1; /* timer control */ volatile unsigned reg2; /* timer value */ timer_reg;在存储器映射的请求地址上增加另外(ln wi)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。第34页/共49页第三十四页，共50页。Stack 和和 Heap 区区(1) 你也可以在SCATTER文件中放置s

38、tack和heap 在汇编原文件里定义stack 和heap 区 比如(br). stackheap.s 这个空间直接保留一个为0的存储器块AREA stack, DATA, NOINITSPACE 0 x3000 ; Reserve stack spaceAREA heap, DATA, NOINITSPACE 0 x3000 ; Reserve heap spaceEND第35页/共49页第三十五页，共50页。Stack 和和 Heap 区区(2) 增加一个(y )可执行区来定位这个区域 LOAD_FLASH 0X24000000 0 x04000000 :STACK 0 x1000 UN

39、INIT ; length = 0 x3000 stackheap.o (stack) ; stack = 0 x4000 to 0 x1000HEAP 0 x15000 UNINIT ; length = 0 x3000 stackheap.o (heap) ; heap = 0 x15000 to 0 x18000 Heap的基地址起始为 0 x15000. Stack的最大地址为 0 x4000.第36页/共49页第三十六页，共50页。Stack 和和 Heap 区区 (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$

40、STACK$ZI$Base|IMPORT |Image$STACK$ZI$Limit|IMPORT |Image$HEAP$ZI$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(shyng)DCD指令为这些段命名第37页/共49页第三十七页，共50页。_user_initial_stackhe

41、ap( ) 在reset handler，这个stack指针 (r13)和stack 限制值(r10) 通常设置了，他们分别通过(tnggu)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, l

42、rStackHeap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_region_memory，在这HEAP被检查，它是HEAP的限制(xinzh)值，而不是STACK指针第38页/共49页第三十八页，共50页。存储器映射存储器映射(yngsh)例子例子16 bitRAM0 x100000 x180000 x40000 x0000Fast32 bitRAMVector TableStackException HandlersRW & ZIHeapFlash0 x240000000 x28000000Reset HandlerR

43、OPeripherals0 x40000000外设控制(kngzh)寄存器的地址映射直接在FLASH运行(ynxng)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数据可放在快速的RAM区第39页/共49页第三十九页，共50页。SCATTER文件文件(wnjin)例子例子 : :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

44、0 x24000000 0 x04000000 init.o (Init, +First) * (+RO) 32bitRAM 0 x0000 vectors.o (Vect, +First) handlers.o (+RO) STACK 0 x1000 UNINIT stackheap.o (stack) :这个scatter文件(wnjin)执行上页所显示的存储器映射。第40页/共49页第四十页，共50页。Agenda一个PC软件的构造裁减标准C库函数到目标(mbio)板 定制IMAGE的存储器映射到目标(mbio)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第41页/共49页

45、第四十一页，共50页。不使用不使用(shyng)段的消除和程序的入口点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(chkn)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

46、 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.scf -info unused -entry 0 x0 -o prog.axf第42页/共49页第四十二页，共50页。输出输出(shch)选项选项 链接器产生ELF/DWARF2 格式的映像(yn xin)文件, 选择适当的调试器下载调试 为把elf映像(yn xin)文件转为 ROMmable格式 使用 fromelf, 例如.:fromelf image.axf -bin -o image.bin 产生binary格式的文件可烧入到适当的 ROM, Flash或 EPROM-Emulator, 等. 其他 ROMmable 格式的文件也可由 fromelf产生, 例如.: Motorola 32 bit Hex (-m32) Intel