基于ARM的嵌入式系统程序开发

arm,中断，启动

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基于ARM 的嵌入式系统程序开发要点

整理: sailing sailing_9806@163.com

原作者：ARM-CHINA-040415A http://www.arm.com

（一）嵌入式程序开发过程...........................................................................................................1

1．嵌入式程序开发过程.........................................................................................................1

2．开发工具环境里面的库函数.............................................................................................2

2．1 裁剪访问静态数据的函数.....................................................................................3

2．2 裁减访问目标存储器的函数.................................................................................3

2．3 裁剪使用semihosting（半主机）机制实现的函数 ...........................................4

3．Semihosting (半主机) 机制 ...............................................................................................5

（二）系统的初始化过程...............................................................................................................6

1．中断向量表.........................................................................................................................6

2．初始化存储器系统.............................................................................................................7

2．1．存储器类型和时序配置.......................................................................................7

2．2．存储器地址分布（memory map）.......................................................................7

3．初始化堆栈.........................................................................................................................8

4．初始化有特殊要求的端口、设备.....................................................................................9

5．初始化应用程序执行环境.................................................................................................9

6．改变处理器模式...............................................................................................................10

7．呼叫主应用程序...............................................................................................................11

（三）如何满足嵌入式系统的灵活需求？.................................................................................12

1．ARM 还是Thumb？ ........................................................................................................12

2．堆栈的分配.......................................................................................................................14

3．ROM 还是RAM 在 0 地址处？...................................................................................14

4．存储器地址重映射（memory remap）...........................................................................15

5. 根据目标存储器系统分散加载映像（scatterloading）..................................................17

（四）异常处理机制的设计.........................................................................................................18

1．异常响应流程...................................................................................................................19

1．1 跳转范围...............................................................................................................19

1．2 异常分支...............................................................................................................20

2．异常处理函数的设计.......................................................................................................22

2．1 异常发生时处理器的动作...................................................................................22

2．2 进入异常处理循环后软件的任务.......................................................................23

2．3 异常的返回...........................................................................................................23

2．4 ARM 编译器对异常处理函数编写的扩展...........................................................24

2. 5 软件中断处理.......................................................................................................24

3．可重入中断设计...............................................................................................................25

（五） ARM/Thumb 的交互工作...............................................................................................27

1．需要交互的原因.............................................................................................................27

2．状态切换的实现.............................................................................................................27

3． ARM/Thumb 之间的函数调用 .....................................................................................28

4．交互程序之间的兼容性.................................................................................................30

- 2 -

5． V5 架构的扩展..............................................................................................................30

6． Thumb-2..........................................................................................................................30

（六）开发高效程序的技巧.........................................................................................................31

1．变量定义.........................................................................................................................31

2．参数传递.........................................................................................................................33

3．循环条件.........................................................................................................................33

4．条件执行.........................................................................................................................34

5．混合编程.........................................................................................................................35

6．性能分析.........................................................................................................................36

7．小结.................................................................................................................................36

【序】毕业在即，以前做的 ARM 和 uC/OS 的项目也忘的差不多了，近日将以前的项目温

习了下，对 ARM 程序开发的启动部分代码及中断程序的编写进行了详细研究。在网上获此

佳作《基于 ARM 的嵌入式系统程序开发要点》，对 ARM 上的裸机程序开发进行了详细陈

述，包括启动的中断向量的设置、存储器配置、堆栈初始化、应用程序环境的拷贝准备、主

程序的调用等以及 ARM 和 Thumb 代码的交互、重映射的处理，分析精妙，本人觉得把此

文研读透了应付嵌入式 ARM 的面试基本没问题，在此与大家共享。

蓝色部分是本人还有点疑问的，欢迎朋友们指正，谢谢。

sailor_forever

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基于ARM 的嵌入式系统程序开发要点

（一）嵌入式程序开发过程

ARM®系列微处理器作为全球16/32 位RISC 处理器市场的领先者，在许多

领域内得到了成功的应用。近年来，ARM 在国内的应用也得到了飞速的发展，

越来越多的公司和工程师在基于ARM 的平台上面开发自己的产品。与传统的

8/16位单片机相比，ARM 的性能和处理能力当然是遥遥领先的，但与之相应，

ARM 的系统设计复杂度和难度，较之传统的设计方法也大大提升了。

本文旨在通过讨论系统程序设计中的几个基本方面，来说明基于ARM 的嵌

入式系统程序开发的一些特点，并提出和解决了一些常见的问题。

文章分成几个相对独立的章节刊载。第一部分讨论基于ARM 的嵌入式程序

开发和移植过程中的一些基本概念。

1．嵌入式程序开发过程

不同于通用计算机和工作站上的软件开发工程，一个嵌入式程序的开发过程

具有很多特点和不确定性。其中最重要的一点是软件跟硬件的紧密耦合特性。

图-1：两类不同的嵌入式系统结构模型

这是两类简化的嵌入式系统层次结构图。由于嵌入式系统的灵活性和多样

性，上面图中各个层次之间缺乏统一的标准，几乎每一个独立的系统都不一样。

这样就给上层的软件设计人员带来了极大地困难。第一，在软件设计过程中过多

地考虑硬件，给开发和调试都带来了很多不便；第二，如果所有的软件工作都需

要在硬件平台就绪之后进行，自然就延长了整个的系统开发周期（可以先规划好

BSP或API，着手上次应用程序的开发，交给底层驱动人员按照规范编写API）。

这些都是应该从方法上加以改进和避免的问题。

为了解决这个问题，工程和设计人员提出了许多对策。首先在应用与驱动（或

API）这一层接口，可以设计成相对统一的一些接口函数，这对于具体的某一个

开发平台或在某个公司内部，是完全做得到的。这样一来，就大大提高了应用层

软件设计的标准化程度，方便了应用程序在跨平台之间的复用和移植。

对于驱动/硬件抽象这一层，因为直接驱动硬件，其标准化变得非常困难甚至

不太可能。但是为了简化程序的调试和缩短开发周期，我们可以在特定的EDA

工具环境下面进行开发，通过后再进行移植到硬件平台的工作。这样既可以保证

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程序逻辑设计的正确性，同时使得软件开发可平行甚至超前于硬件开发进程。

我们把脱离于硬件的嵌入式软件开发阶段称之为“PC 软件”的开发，可以

用下面的图来示意一个嵌入式系统程序的开发过程。

图-2：嵌入式系统产品的开发过程

在“PC 软件”开发阶段，可以用软件仿真，即指令集模拟的方法，来对用

户程序进行验证。在ARM 公司的开发工具中，ADS®内嵌的ARMulator 和

RealView® 开发工具中的ISS，都提供了这项功能。在模拟环境下，用户可以设

置ARM 处理器的型号、时钟频率等，同时还可以配置存储器访问接口的时序参

数。程序在模拟环境下运行，不但能够进行程序的运行流程和逻辑测试，还能够

统计系统运行的时钟周期数、存储器访问周期数、处理器运行时的流水线状态（有

效周期、等待周期、连续和非连续访问周期）等信息。这些宝贵的信息是在硬件

调试阶段都无法取得的，对于程序的性能评估非常有价值。

为了更加完整和真实地模拟一个目标系统，ARMulator 和ISS 还提供了一个

开放的API 编程环境。用户可以用标准C 来描述各种各样的硬件模块，连同工

具提供的内核模块一起，组成一个完整的“软”硬件环境。在这个环境下面开发

的软件，可以更大程度地接近最终的目标。

利用这种先进的EDA 工具环境，极大地方便了程序开发人员进行嵌入式开

发的工作。当完成一个“PC 软件”的开发之后，只要进行正确的移植，一个真

正的嵌入式软件就开发成功了。而移植过程是相对比较容易形成一套规范的流程

的，其中三个最重要的方面是:

 考虑硬件对库函数的支持

 符合目标系统上的存储器资源分布

 应用程序运行环境的初始化

2．开发工具环境里面的库函数

如果用户程序里调用了跟目标相关的一些库函数，则在应用前需要裁剪这些

函数以适合在目标上允许的要求。主要需要考虑以下三类函数：

 访问静态数据的函数

 访问目标存储器的函数

 使用semihosting（半主机）机制实现的函数

这里所指的C 库函数，除了ISO C 标准里面定义的函数以外，还包括由编

译工具提供的另外一些扩展函数和编译辅助函数。

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2．1 裁剪访问静态数据的函数

库函数里面的静态数据，基本上都是在头文件里面加以定义的。比如CTYPE

类库函数，其返回值都是通过预定义好的CTYPE 属性表来获得的。比如，想要

改变isalpha() 函数的缺省判断，则需要修改对应CTYPE 属性表里对字符属性的

定义。

2．2 裁减访问目标存储器的函数

有一类动态内存管理函数，如malloc() 等，其本身是独立于目标系统而运行

的；但是它所使用的存储器空间需要根据目标来确定。所以malloc() 函数本身

并不需要裁剪或移植，但那些设置动态内存区（地址和空间）的函数则是跟目标

系统的存储器分布直接相关的，需要进行移植。例如堆栈的初始化函数

__user_initial_stackheap()，是用来设置堆（heap）和栈（stack）地址的函数，显

然针对每一个具体的目标平台，该函数都需要根据具体的目标存储器资源进行正

确移植。

下面是对示例函数__user_initial_stackheap() 进行移植的一个例子：

__value_in_regs struct __initial_stackheap __user_initial_stackheap(

unsigned R0, unsigned SP, unsigned R2, unsigned SL)

{

struct __initial_stackheap config;

config.heap_base = (unsigned int) 0x11110000;

// config.stack_base = SP; // optional

return config;

}

请注意上面的函数体并不完全遵循标准C的关键字和语法规范，使用了ARM

公司编译器(ADS 或RealView Compilation tool) 里的C 语言扩展特性。关于编译

器特定的C 语言扩展，请参考相关的编译器说明，这里简单介绍函数

__user_initial_stackheap() 的功能，它主要是返回堆和栈的基地址。上面的程序中

只对堆(heap) 的基地址进行了设置（设成了0x11110000），也就是说用户把

0x11110000 开始的存储器地址用作了动态内存分配区（heap 区）。具体地址的

确定是要由用户根据自己的目标系统和应用情况来确定的，至少要满足以下条

件：

 0x11110000 开始的地址空间有效且可写（是RAM）

 该存储器空间不与其它功能区冲突（比如代码区、数据区、stack 区等）

因为__user_initial_stackheap() 函数的全部执行效果就是返回一些数值，所

以只要符合接口的调用标准，直接用汇编来实现看起来更加直观一些：

EXPORT __user_initial_stackheap

__user_initial_stackheap

LDR r0，0x11110000

MOV pc,lr

如果不对这个函数进行移植，编译过程中将使用缺省的设置，这个设置适用

于ARM 公司的Integrator 系列平台。

（注意：ARM 的编译/连接工具链也提供了绕过库函数来设置运行时存储器模型

的方法，即程序里手动配置堆栈，也可在链接脚本里配置，请参阅ARM 公司其

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杨帆_8318

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