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1、基于ARM的嵌入式程序开发要点ARM-CHINA-040415A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4/8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
2、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.(不带操作系统支持)(带操作系统支持)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
3、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.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应用(Application)驱动/板级支持包(Driver/BSP)硬件(Hardware)应用(Appl
4、ication)硬件抽象层(HAL)硬件(Hardware)操作系统(OS)标准接口函数(API)基于ARM的嵌入式程序开发要点ARM-CHINA-040415A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
5、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."PC软件"开发移植,测试产品发布图-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
6、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,
7、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移植移植开发/实验/测试平台最终产品基于ARM的嵌入式程序开发要点ARM-CHINA-040415A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,
8、除了ISOC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.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
