嵌入式軟件開發之： 基于ARM處理器的嵌入式系統設計

本章主要介紹嵌入式應用程序的設計方法。本章中的一些實例程序是以ARM公司的Realview2.2為開發平臺。由于目前嵌入式應用環境相差非常大，這里主要是通過這些實例程序來更直接地介紹嵌入式應用系統的開發方法，具體的代碼因具體的嵌入式環境不同而有所差異。

13.1 基于ARM處理器的嵌入式系統設計

ARM系列處理器是RISC（Reducded Instruction Set Computing）處理器。很多基于ARM的高效代碼的程序設計策略都源于RISC處理器。和很多RISC處理器一樣，ARM系列處理器的內存訪問也要求數據對齊，即存取“字（Word）”數據時要求四字節對齊，地址的bits[1：0]=0b00；存取“半字（Halfwords）”時要求兩字節對齊，地址的bit[0]=0b0；存取“字節（Byte）”數據時要求該數據按其自然尺寸邊界（Natural Size Boundary）定位。

ARM編譯程序通常將全局變量對齊到自然尺寸邊界上，以便通過使用 LDR和STR指令有效地存取這些變量。

這種內存訪問方式與多數CISC（Complex Instruction Set Computing）體系結構不同，在CISC體系結構下，指令直接存取未對齊的數據。因而，當需要將代碼從CISC體系結構向 ARM處理器移植時，內存訪問的地址對齊問題必須予以注意。在RISC體系結構下，存取未對齊數據無論在代碼尺寸或是程序執行效率上，都將付出非常大的代價。

下面將從4個方面詳細討論在ARM體系結構下的程序設計：

· 未對齊指針；

· 結構體中的未對齊字段；

· 用于半字存取的Load指令；

· 移植代碼并檢測非對齊存取。

13.1.1 未對齊的數據指針

C和C++編程標準規定，指向某一數據類型的指針，必須和該類型的數據地址對齊方式一致，所以ARM編譯器期望程序中的C指針指向存儲器中字對齊地址，因為這可使編譯器生成更高效的代碼。

比如，如果定義一個指向int數據類型的指針，用該指針讀取一個字，ARM 編譯器將使用LDR指令來完成此操作。如果讀取的地址為4的倍數（即在一個字的邊界）即能正確讀取。但是，如果該地址不是4的倍數，那么，一條LDR指令返回一個循環移位結果，而不是執行真正的未對齊字載入。循環移位結果取決于該地址相對于字的邊界的偏移量和系統所使用的端序（Endianness）。例如，如果代碼要求從指針指向的地址0x8006載入數據，即要載入0x8006、0x8007、0x8008和0x8009 4個字節的內容。但是，在ARM處理器上，這個存取操作載入了0x8004、0x8005、0x8006和0x8007字節的內容。這就是在未對齊的地址上使用指針存取所得到的循環移位結果。

因而，如果想將指針定義到一個指定地址（該地址為非自然邊界對齊），那么在定義該指針時，必須使用__packed限定符來定義指針：

例如：

__packed int *pi; // 指針指向一個非字對其內存地址

使用了__packed限定符限定之后，ARM編譯器將產生字節存取命令（LDRB或STRB指令）來存取內存，這樣就不必考慮指針對齊問題。所生成的代碼是字節存取的一個序列，或者取決于編譯選項、跟變量對齊相關的移位和屏蔽。但這會導致系統性能和代碼密度的損失。

值得注意的是，不能使用__packed限定的指針來存取存儲器映射的外圍寄存器，因為ARM編譯程序可使用多個存儲器存取來獲取數據。因而，可以對實際存取地址附近的位置進行存取，而這些附近的位置可能對應于其他外部寄存器。當使用了位字段（Bitfield）時，ARM程序將訪問整個結構體，而非指定字段。

13.1.2 結構體中未對齊字段

與全局變量位于其自然尺寸邊界相同，結構體（Structure）中的域字段（Filed）也如此。也就是說編譯程序經常要在字段間插入填充字節（Padding）來確保域字段對齊。當編譯程序插入填充字節時，編譯器將產生以下警告信息。

#1301-D: padding inserted in struct mystruct

可以使用-remark編譯選項使編譯器產生備份信息，或使用-diag_warning選項選擇編譯器產生的備份信息。

如果不希望編譯器產生填充字節，可以使用__packed限定符來創建字段之間沒有填充字節的結構，且這些結構需要非對齊存取。

如果ARM編譯器能夠確定所訪問結構體的對齊方式，那么它就可以自動識別所存取結構體中的字段的對齊方式。在這些情況下，編譯程序盡可能地采用更有效的對齊字或半字存取方式。否則，編譯器將使用多個對齊存儲器存取（LDR、STR、LDM和STM）與固定移位和屏蔽相結合來存取存儲器中的字節。

對非對齊元素的存取是通過內聯還是通過調用一個函數來完成，由編譯程序-Ospace（默認，調用一個函數）和-Otime（執行非對齊存取內聯）選項來控制。

例如：

創建一個名為foo.c源文件。

__packed struct mystruct {

int aligned_i;

short aligned_s;

int unaligned_i;

};

struct mystruct S1;

int foo (int a, short b)

{

S1.aligned_i=a;

S1.aligned_s=b;

return S1.unaligned_i;

}

使用armcc -c -Otime foo.c編譯。所生成的代碼為：

MOV r2,r0

LDR r0,|L1.84|

MOV r12,r2,LSR #8

STRB r2,[r0,#0]

STRB r12,[r0,#1]

MOV r12,r2,LSR #16

STRB r12,[r0,#2]

MOV r12,r2,LSR #24

STRB r12,[r0,#3]

MOV r12,r1,LSR #8

STRB r1,[r0,#4]

STRB r12,[r0,#5]

ADD r0,r0,#6

BIC r3,r0,#3

AND r0,r0,#3

LDMIA r3,{r3,r12}

MOV r0,r0,LSL #3

MOV r3,r3,LSR r0

RSB r0,r0,#0x20

ORR r0,r3,r12,LSL r0

BX lr

其中，“|L1.84|”為結構體mystruct在內存中的地址。