基于ARM的嵌入式系统编程及相应的高效C编程

运行环境

资源约束。如为处理器数量和计算速度、数据内存以及程序内存大小、堆和栈的大小及使用方法、可使用的中断的数量和方式、输入/输出接口的数量和方式、电子硬盘的大小和文件存储方式等。
响应时间约束。如实时性、执行时间等。
安全性约束。如程序可靠性、保险性等。
底层硬件约束。如对底层硬件的了解、汇编语言的支持等。

硬件的访问

C语言的硬件直接访问主要通过宏定义或内嵌汇编来完成的。嵌入式C语言程序设计首先是C语言程序设计，必须符合C语言基本语法。嵌入式C语言程序设计又是面向嵌入式的应用，目标是开发安全可靠且按特定目标优化的嵌入式应用程序。

二汇编程序设计基本概念

伪操作：为完成汇编程序做各种准备工作，只在汇编过程中起作用，一旦汇编结束，它的作用也随之结束。
伪指令：完成伪操作的指令就是伪指令。在汇编时将被合适的指令代替。
伪指令类型：符号定义、数据定义、汇编控制、宏指令等。

1、符号定义伪指令

用于定义全局变量的GBLA、GBLL和GBLS
用于定义局部变量的LCLA、LCLL和LCLS
用于对变量赋值的SETA、SETL、SETS

GBLA 	Test1                ;定义一个全局的数字变量，变量名为Test1
        Test1 SETA 0xAA      ;将该变量赋值为0xaa
GBLL     Test2               ;定义一个全局的逻辑变量，变量名为Test2
         Test2 SETL {TRUE}  ;将该变量赋值为真
GBLS     Test3              ;定义一个全局的字符串变量，变量名为Test3
        Test3 SETS “Testing”

2、数据定义伪指令

• DCB
用于分配一片连续的字节存储单元并用指定的数据初始化。
• DCW（DCWU）
用于分配一片连续的半字存储单元并用指定的数据初始化。
• DCD（DCDU）
用于分配一片连续的字存储单元并用指定的数据初始化。
• DCFD（DCFDU）
用于为双精度的浮点数分配一片连续的字存储单元并用指定的数据初始化。
• DCFS（DCFSU）
用于为单精度的浮点数分配一片连续的字存储单元并用指定的数据初始化。
• DCQ（DCQU）
用于分配一片以8字节为单位的连续的存储单元并用指定的数据初始化。
• SPACE
用于分配一片连续的存储单元并初始化为0.
• MAP
用于定义一个结构化的内存表首地址
• FIELD
用于定义一个结构化的内存表的数据域。

3、数据定义伪指令详细解释

(1)标号 DCB  表达式

DCB伪指令用于分配一片连续的字节存储单元并用伪指令中指定的表达式初始化。其中，表达式可以为0～255的数字或字符串。DCB也可用“=”代替。

Str1 DCB  “This is a test！”  ；分配一片连续的字节存储单元并初始化

(2)标号 DCW（或DCWU） 表达式

DCW（或DCWU）伪指令用于分配一片连续的半字存储单元并用伪指令中指定的表达式初始化。其中，表达式可以为程序标号或数字表达式。用DCW分配的字存储单元是半字对齐的，而用DCWU分配的字存储单元并不严格半字对齐。

DataTest DCW 1，2，3	；分配一片连续的半字存储单元并初始化

(3)标号 DCD（或DCDU） 表达式

DCD（或DCDU）伪指令用于分配一片连续的字存储单元并用伪指令中指定的表达式初始化。其中，表达式可以为程序标号或数字表达式。DCD也可用“&”代替。用DCD分配的字存储单元是字对齐的，而用DCDU分配的字存储单元并不严格字对齐。

DataTest DCD 4，5，6	；分配一片连续的字存储单元并初始化。

(4)标号DCQ（或DCQU） 表达式

DCQ（或DCQU）伪指令用于分配一片以8个字节为单位的连续存储区域并用伪指令中指定的表达式初始化。用DCQ分配的存储单元是字对齐的，而用DCQU分配的存储单元并不严格字对齐。

DataTest DCQ 100，200	；分配一片连续的存储单元并初始化为指定的值。

(5)标号SPACE 表达式

SPACE伪指令用于分配一片连续的存储区域并初始化为0。其中，表达式为要分配的字节数。SPACE也可用“％”代替。

DataSpace SPACE 100	；分配连续100字节的存储单元并初始化为0。

(6)MAP 表达式{，基址寄存器}

MAP伪指令用于定义一个结构化的内存表的首地址。MAP也可用“＾”代替。表达式可以为程序中的标号或数学表达式，基址寄存器为可选项，当基址寄存器选项不存在时，表达式的值即为内存表的首地址，当该选项存在时，内存表的首地址为表达式的值与基址寄存器的和。MAP伪指令通常与FIELD伪指令配合使用来定义结构化的内存表。

MAP 0x100，R0	；定义结构化内存表首地址的值为0x100＋R0。

(7)标号FIELD 表达式
FIELD伪指令用于定义一个结构化内存表中的数据域。FILED也可用“#”代替。表达式的值为当前数据域在内存表中所占的字节数。

FIELD伪指令常与MAP伪指令配合使用来定义结构化的内存表。MAP伪指令定义内存表的首地址，FIELD伪指令定义内存表中的各个数据域，并可以为每个数据域指定一个标号供其他的指令引用。
注意MAP和FIELD伪指令仅用于定义数据结构，并不实际分配存储单元。

MAP 0x100 ；定义结构化内存表首地址的值为0x100。
A FIELD 16 ；定义A的长度为16字节，位置为0x100
B FIELD 32 ；定义B的长度为32字节，位置为0x110
S FIELD 256 ；定义S的长度为256字节，位置为0x130

(8)AREA 段名  属性1，属性2，……
AREA伪指令用于定义一个代码段或数据段。其中，段名若以数字开头，则该段名需用“|”括起来，如|1_test|。属性字段表示该代码段（或数据段）的相关属性，多个属性用逗号分隔。
常用的属性如下：

CODE属性：用于定义代码段，默认为READONLY。
DATA属性：用于定义数据段，默认为READWRITE。
READONLY属性：指定本段为只读，代码段默认为READONLY。
READWRITE属性：指定本段为可读可写，数据段的默认属性为READWRITE。

一个汇编语言程序至少要包含一个段，当程序太长时，也可以将程序分为多个代码段和数据段。

AREA Init，CODE，READONLY	；该伪指令定义了一个代码段，段名为Init，属性为只读

(9)ALIGN {表达式{，偏移量}}

ALIGN伪指令可通过添加填充字节的方式，使当前位置满足一定的对齐方式。其中，表达式的值用于指定对齐方式，可能的取值为2的幂，如1、2、4、8、16等。若未指定表达式，则将当前位置对齐到下一个字的位置。偏移量也为一个数字表达式，若使用该字段，则当前位置的对齐方式为：2的表达式次幂＋偏移量。

AREA Init，CODE，READONLY，ALIGN＝3	；指定后面的指令为8字节对齐。

(10)CODE16（或CODE32）
CODE16伪指令通知编译器，其后的指令序列为16位的Thumb指令。
CODE32伪指令通知编译器，其后的指令序列为32位的ARM指令。

注意他们只通知编译器其后指令的类型，并不能对处理器进行状态的切换。

(11)ENTRY

ENTRY伪指令用于指定汇编程序的入口点。在一个完整的汇编程序工程中至少要有一个ENTRY（也可以有多个，当有多个ENTRY时，程序的真正入口点由链接器指定），但在一个源文件里最多只能有一个ENTRY（可以没有）。

AREA Init，CODE，READONLY
ENTRY
；指定应用程序的入口点

(12)END

END伪指令用于通知编译器已经到了源程序的结尾。

(13)名称EQU 表达式 {，类型}

EQU伪指令用于为程序中的常量、标号等定义一个等效的字符名称，类似于C语言中的＃define。其中EQU可用“*”代替。名称为EQU伪指令定义的字符名称，当表达式为32位的常量时，可以指定表达式的数据类型，可以有三种类型：CODE16、CODE32和DATA

Addr EQU 0x55，CODE32
；定义Addr的值为0x55，且该处为32位的ARM指令。

(14)EXPORT 标号 {[WEAK]}
EXPORT伪指令用于在程序中声明一个全局的标号，该标号可在其他的文件中引用。EXPORT可用GLOBAL代替。标号在程序中区分大小写，[WEAK]选项声明其他的同名标号优先于该标号被引用。

AREA Init，CODE，READONLY
EXPORT Stest
；声明一个可全局引用的标号Stest
……
END

(15)IMPORT  标号 {[WEAK]}

IMPORT伪指令用于通知编译器要使用的标号在其他的源文件中定义，但要在当前源文件中引用，而且无论当前源文件是否引用该标号，该标号均会被加入到当前源文件的符号表中。标号在程序中区分大小写，[WEAK]选项表示当所有的源文件都没有定义这样一个标号时，编译器也不给出错误信息，在多数情况下将该标号置为0，若该标号为B或BL指令引用，则将B或BL指令置为NOP操作。

AREA Init，CODE，READONLY
IMPORT Main
；通知编译器当前文件要引用标号Main，但Main在其他源文件中定义
……
END

(16)EXTERN 标号{[WEAK]}

EXTERN伪指令用于通知编译器要使用的标号在其他的源文件中定义，但要在当前源文件中引用，如果当前源文件实际并未引用该标号，该标号就不会被加入到当前源文件的符号表中。标号在程序中区分大小写，[WEAK]选项表示当所有的源文件都没有定义这样一个标号时，编译器也不给出错误信息，在多数情况下将该标号置为0，若该标号为B或BL指令引用，则将B或BL指令置为NOP操作。

AREA Init，CODE，READONLY
EXTERN Main
；通知编译器当前文件要引用标号Main，但Main在其他源文件中定义
……
END

(17)GET 文件名
GET伪指令用于将一个源文件包含到当前的源文件中，并将被包含的源文件在当前位置进行汇编处理。可以使用INCLUDE代替GET。汇编程序中常用的方法是在某源文件中定义一些宏指令，用EQU定义常量的符号名称，用MAP和FIELD定义结构化的数据类型，然后用GET伪指令将这个源文件包含到其他的源文件中。使用方法与C语言中的“include”相似。GET伪指令只能用于包含源文件，包含目标文件需要使用INCBIN伪指令

(18)名称 RN 表达式

RN伪指令用于给一个寄存器定义一个别名。采用这种方式可以方便程序员记忆该寄存器的功能。其中，名称为给寄存器定义的别名，表达式为寄存器的编码。

Temp RN R0
；为R0定义一个别名Temp

三高效C编程

原则只对经常被调用且对性能影响较大的函数进行优化。
推荐使用多数ARM编译器和调试器都带的性能分析工具。
用源代码注释来评注那些不易理解的优化代码，以提高代码的可维护性。

(1)为了高效地执行一个函数，应该做到：
 使溢出变量的数量最少；
 确保最重要的和经常用到的变量被分配在寄存器。
 依赖编译器正常的寄存器分配策略来分配。

(2)寄存器的分配：

R0~R3：参数寄存器，在调用函数时，用来存放前4个函数参数和返回值。在函数内，如果把这些寄存器作为临时过渡寄存器来使用，则会破坏他们的值。

R8~R4：通用变量寄存器。调用函数必须保存被调用函数存放在这些寄存器中的变量值。

R9:通用变量寄存器。保存静态基本地址，即读写数据地址。

R10 :通用变量寄存器。保存堆栈边界地址。

R11: 通用变量寄存器。

R12: 通用临时过渡寄存器。函数调用时会破坏其中的值。

R13 :堆栈指针。

R14 :连接寄存器。函数调用时保存返回地址。

R15 :程序计数器。

(3)函数调用

一般说来，函数中最前面4个参数是通过ARM的前4个寄存器

(4)C和ARM汇编相互调用规则

当参数不超过4个时，可以使用寄存器R0‾R3来传递参数；当参数超过4个时，还可以使用数据栈来传递参数。
子程序结果结果为一个32位的整数时，可以通过寄存器R0返回；结果为一个64位整数时，可以通过寄存器R0和R1返回，依次类推。

(5)两个互相调用的例子

C调用ARM

#include <stdio.h>
int square(int i);
int main(void)
{
	int i;
	for(i=0;i<10;i++)
	{
	printf(“Square of %d is %d\n”,i,square(i));
	}
}

        AREA |1.text|, CODE, READONLY
	EXPORT square
square
	MUL r1,r0,r0 		;r1=r0*r0
	MOV r0,r1 		;r0=r1
	MOV pc,lr 		;return r0
	END
	BX lr

ARM调用C

//与汇编等效的c代码
#include <stdio.h>
int square(int i);
int main(void)
{
	int i;for(i=0;i<10;i++)
	{
		printf(“Square of %d is %d\n”,i,square(i));
	}
}

int square(int i)
{
	return i*i;
}

	AREA |2.text|, CODE, READONLY
	EXPORT main
	IMPORT |Lib$$Request$$armlib|,WEAK
	IMPORT __main ;C lib entry
	IMPORT printf

	i RN R4

main
	STMFD sp!,{i,lr}
	MOV i,#0
loop
	ADR r0,print_string
	MOV r1,i
	MUL r2,i,i
	BL printf
	ADD i,i,#1
	CMP i,#10
	BLT loop
	LDMFD sp!,{i,pc}
print_string
	DCB “Square of %d is %d\n”
	END