c库和嵌入式开发

 

引言

　　随着对高处理能力、实时多任务、超低功耗等方面需求的增长，高端嵌入式处理器已经进入了国内开发人员的视野，并在国内得到了普遍的重视和应用。 ARM是目前嵌入式领域应用最广泛的RISC微处理器结构，凭借低成本、低功耗、高性能等优点占据了嵌入式系统应用领域的领先地位。ADS是ARM公司推出的ARM集成开发环境，提供了对C和C++的支持，是目前开发ARM的主要工具。本文针对日益缩短的嵌入式开发周期，结合ARM系统开发调试经验，对使用ARM标准库进行应用程序开发作了比较系统的分析。

1  ARM标准库介绍

　　ADS提供了ANSI C和C++标准库，本文仅讨论ANSI C库，该库包含下面几个部分：

　　◇ ISO C库标准所定义的函数；
　　◇ 在semihosted环境下用来实现C库函数与目标相关的函数；
　　◇ C和C＋＋编译器要使用的helper函数。

　　该库提供的诸如文件输入输出之类的设备，使用了标准的ARM semihosted执行环境（semihosting是针对ARM目标机的一种机制，它能够根据应用程序代码的输入/输出请求，与运行有调度功能的主机通信，这种技术允许主机为通常没有输入和输出功能的目标硬件提供主机资源）。ARMulator、Angel和MultiICE都支持这个环境，可以使用ADS中提供的开发工具开发应用程序，然后在ARMulator或者是开发板上运行和调试该程序。如果要使应用系统独立于这个环境，则必须重新实现C库中依赖于这个环境的相关函数，根据用户系统的运行环境对C库进行适当的裁减。

　　使用ANSI标准C库进行程序开发，不仅可以提高开发效率而且可以增强程序的可移植性。在程序中使用库函数，必须先建立一个库函数可以执行的环境，这些工作都由库中的函数完成。当应用程序链接了C库中的函数时，C库中的函数将完成：

　　◇ 创建C程序所需的执行环境（建立栈，如果需要创建一个堆，初始化程序使用的部分库）；
　　◇ 调用main()函数开始执行C程序；
　　◇ 支持程序使用的ISO定义的函数；
　　◇ 捕获运行时的错误和信号，如果需要，根据错误终止执行或程序退出。

2  裁减ARM标准C函数库

　　标准库中包含了部分依赖于ARM semihosted执行环境的函数，这部分函数的函数名中包含有单个或两个下划线“_”，需要重新实现这部分函数。如果在程序中定义这些函数，则编译器就会使用新定义的函数，这个过程称为库函数的裁减。一般情况下，只需要重新定义很少的几个函数就可以使用C库。

　　ARM应用系统开始执行用户应用程序，必须先将应用程序加载到执行域，建立应用程序的执行环境。使用C库时，这些繁琐的工作就大部分由C函数来完成了。汇编程序完成系统初始化后，跳转到C程序的入口__main()(注意：不是main()，当C程序中定义了main()主函数时，编译器就会生成__main代码)。由__main()引导库函数完成C执行环境的初始化，具体过程如下：

　　◇ 将非启动代码的RO和RW执行域代码从加载域地址复制到执行域地址；
　　◇ 将ZI域清零；
　　◇ 跳转到__rt_entry。

　　调用__main()将大大简化汇编启动代码的编写，汇编代码仅需完成系统硬件的初始化，而没有必要将代码从加载域地址复制到执行域地址，以及 ZI域清零等工作。特别是当使用分布式加载时， __main()的作用就更加明显了。但是__main()并没有建立C库运行必须的环境，这项工作由__rt_entry()完成，主要调用过程为：

　　◇ 调用__rt_stackheap_init()建立堆和栈；
　　◇ 调用__rt_lib_init()初始化引用的库函数；如果需要，建立main()函数的参数argc和argv等；
　　◇ 调用main()函数，执行应用程序，可以应用库函数；
　　◇ 用main()函数的返回值作参数调用exit()。

　　__rt_entry并不是C函数，它是用ARM C库编程的起始点。__rt_entry不能用C语言实现，因为这时候堆栈还没有建立，堆栈由__rt_stackheap_init()来建立。

main()函数是用户代码的入口点。它运行时要求应用程序的运行环境的建立，可以调用相应的输入、输出函数。在main（）函数中，可以调用重新实现的C运行时库的函数来实现下面一些功能：

       ◇ 扩展数据栈和数据堆

       ◇ 调用需要回调的用户定义的函数

       ◇ 调用使用LOCALE和CTYPE的C运行时库的函数

       ◇ 完成浮点的运算

       ◇ 调用高级及低级的输入输出的函数

       ◇ 产生运行错误信息

 

上面简单介绍了C程序使用库函数时的调用过程，由__rt_stackheap_init()建立C库使用的内存模型——堆和栈。因为ARM库是建立在semihosted执行环境的，它实现的内存模型是基于这个环境的，所以必须修改这个内存模型建立机制。其中，必须重新实现的是__user_initial_stackheap()，因为默认的实现是基于semihosted执行环境的，该函数被__rt_stackheap_init()调用创建内存模型，其他两个函数没有默认的实现。

　__user_initial_stackheap()的函数原型为：__value_in_regs struct __initial_stackheap __user_initial_stackheap (unsigned  R0, unsigned SP, unsigned R2, unsigned SL)

　　结构体__initial_stackheap在rt_misc.h定义如下：

struct __initial_stackheap
{
　　unsigned heap_base, stack_base, heap_limit, stack_limit;
}

　　实现该函数，必须满足下面的条件：

　　◇ 使用不超过96字节的栈空间；
　　◇ 除了R12（ip）外不要污染其他寄存器；
　　◇ 将堆基址、栈基址、堆边界和栈边界分别存在R0~R3作为返回参数；
　　◇ 堆必须保持8个字节对齐。

　　实现例程如下：

#include <rt_misc.h>
__value_in_regs struct __initial_stackheap __user_initial_stackheap(
unsigned R0, unsigned SP, unsigned R2, unsigned SL)
{
　　struct __initial_stackheap config;
　　config.heap_base  = BASE_HEAP;/*堆基址 */
　　config.stack_base = BASE_STACK;/*栈基址 */
　　return config;
}

　　为了提高应用程序开发效率和可移植性，希望在目标系统上使用ARM库提供的标准输入输出库函数。

　　高层输入输出函数是不依赖于目标系统环境的，但是高层输入输出函数必须调用依赖于目标系统的底层函数,才能实现应用系统的输入输出。依据目标系统硬件环境重新定义这些底层函数，就可以使用库提供的标准input/output库函数了。下面以裁减ARM标准库提供的printf系列输出函数为例来作说明。

　　标准I/O库中最常用的是printf系列函数，包括_printf()、printf()、_fprintf()、fprintf()、 vprintf()和vfprintf()。所有这些函数非透明地使用__FILE,并且仅依赖于fputc()和ferror()两个函数。函数 _printf()和_fprintf()与printf()和fprintf()的区别仅在于前两个函数不能格式化浮点值。只要定义了自己的 __FILE版本和fputc()、ferror()函数，外加定义一个具有FILE类型的__stdout变量，就可以不作任何修改地使用printf 系列、fwrite()、fputs()和puts()函数了。

　　下面给出了具体实现的模板，可以根据实际需要修改。

#include <stdio.h>
struct __FILE
{
　　int handle;
　　/*用户需要的任何代码（如果使用文件仅是为了调试使用prinft在标准输出端输出信息，则不需要任何文件处理代码）*/
};
FILE __stdout;/*FILE在stdio.h中定义为：typedef struct_FILE FILE;*/
int fputc(int ch, FILE *f) {
　　/*用户实现的fputc代码。输出一个字符，可以根据需要实现*/
　　return ch;
}
int ferror(FILE *f) {
　　/* 用户实现的ferror代码 */
　　return EOF;
}

结语

　　本文分析了ARM标准库的工作机理，给出了裁减C库进行程序开发的关键步骤。实际应用时需要根据具体的硬件环境和应用要求裁减C库，提高代码执行效率。

李宏：硕士生，主要研究方向为通信抗干扰技术、高速数传、嵌入式系统在通信中的应用。
杨飞：硕士生，主要研究方向为高速数据传输。
张尔杨：博士生导师，主要研究方向为软件无线电、系统模拟、扩频通信、通信抗干扰技术、高速数传及全数字接收机技术