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引 言
隨著對高處理能力、實時多任務、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用。ARM是目前嵌入式領域應用最廣泛的RISC微處理器結構，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)應用領域的領先地位。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，結合ARM系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試經(jīng)驗，對使用ARM標準庫進行應用程序開發(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應用系統(tǒng)開始執(zhí)行用戶應用程序，必須先將應用程序加載到執(zhí)行域，建立應用程序的執(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)行應用程序，可以應用庫函數(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<stdio．h>
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)的關鍵步驟。實際應用時需要根據(jù)具體的硬件環(huán)境和應用要求裁減C庫，提高代碼執(zhí)行效率。
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