本章主要介紹嵌入式應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法。本章中的一些實(shí)例程序是以ARM公司的Realview2.2為開發(fā)平臺(tái)。由于目前嵌入式應(yīng)用環(huán)境相差非常大，這里主要是通過這些實(shí)例程序來更直接地介紹嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)方法，具體的代碼因具體的嵌入式環(huán)境不同而有所差異。
13.1 基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)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(nèi)存訪問也要求數(shù)據(jù)對(duì)齊，即存取“字（Word）”數(shù)據(jù)時(shí)要求四字節(jié)對(duì)齊，地址的bits[1：0]=0b00；存取“半字（Halfwords）”時(shí)要求兩字節(jié)對(duì)齊，地址的bit[0]=0b0；存取“字節(jié)（Byte）”數(shù)據(jù)時(shí)要求該數(shù)據(jù)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(duì)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(nèi)存訪問方式與多數(shù)CISC（Complex Instruction Set Computing）體系結(jié)構(gòu)不同，在CISC體系結(jié)構(gòu)下，指令直接存取未對(duì)齊的數(shù)據(jù)。因而，當(dāng)需要將代碼從CISC體系結(jié)構(gòu)向 ARM處理器移植時(shí)，內(nèi)存訪問的地址對(duì)齊問題必須予以注意。在RISC體系結(jié)構(gòu)下，存取未對(duì)齊數(shù)據(jù)無論在代碼尺寸或是程序執(zhí)行效率上，都將付出非常大的代價(jià)。
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注意 |
在ARM11處理器上，新增加了支持非內(nèi)存對(duì)齊數(shù)據(jù)訪問的硬件，此結(jié)構(gòu)在本章中不作討論。 |
下面將從4個(gè)方面詳細(xì)討論在ARM體系結(jié)構(gòu)下的程序設(shè)計(jì)：
· 未對(duì)齊指針；
· 結(jié)構(gòu)體中的未對(duì)齊字段；
· 用于半字存取的Load指令；
· 移植代碼并檢測(cè)非對(duì)齊存取。
13.1.1 未對(duì)齊的數(shù)據(jù)指針
C和C++編程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，指向某一數(shù)據(jù)類型的指針，必須和該類型的數(shù)據(jù)地址對(duì)齊方式一致，所以ARM編譯器期望程序中的C指針指向存儲(chǔ)器中字對(duì)齊地址，因?yàn)檫@可使編譯器生成更高效的代碼。
比如，如果定義一個(gè)指向int數(shù)據(jù)類型的指針，用該指針讀取一個(gè)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(shù)（即在一個(gè)字的邊界）即能正確讀取。但是，如果該地址不是4的倍數(shù)，那么，一條LDR指令返回一個(gè)循環(huán)移位結(jié)果，而不是執(zhí)行真正的未對(duì)齊字載入。循環(huán)移位結(jié)果取決于該地址相對(duì)于字的邊界的偏移量和系統(tǒng)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(shù)據(jù)，即要載入0x8006、0x8007、0x8008和0x8009 4個(gè)字節(jié)的內(nèi)容。但是，在ARM處理器上，這個(gè)存取操作載入了0x8004、0x8005、0x8006和0x8007字節(jié)的內(nèi)容。這就是在未對(duì)齊的地址上使用指針存取所得到的循環(huán)移位結(jié)果。
因而，如果想將指針定義到一個(gè)指定地址（該地址為非自然邊界對(duì)齊），那么在定義該指針時(shí)，必須使用__packed限定符來定義指針：
例如：
__packed int *pi; // 指針指向一個(gè)非字對(duì)其內(nèi)存地址
使用了__packed限定符限定之后，ARM編譯器將產(chǎn)生字節(jié)存取命令（LDRB或STRB指令）來存取內(nèi)存，這樣就不必考慮指針對(duì)齊問題。所生成的代碼是字節(jié)存取的一個(gè)序列，或者取決于編譯選項(xiàng)、跟變量對(duì)齊相關(guān)的移位和屏蔽。但這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)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(chǔ)器映射的外圍寄存器，因?yàn)锳RM編譯程序可使用多個(gè)存儲(chǔ)器存取來獲取數(shù)據(jù)。因而，可以對(duì)實(shí)際存取地址附近的位置進(jìn)行存取，而這些附近的位置可能對(duì)應(yīng)于其他外部寄存器。當(dāng)使用了位字段（Bitfield）時(shí)，ARM程序?qū)⒃L問整個(gè)結(jié)構(gòu)體，而非指定字段。
13.1.2 結(jié)構(gòu)體中未對(duì)齊字段
與全局變量位于其自然尺寸邊界相同，結(jié)構(gòu)體（Structure）中的域字段（Filed）也如此。也就是說編譯程序經(jīng)常要在字段間插入填充字節(jié)（Padding）來確保域字段對(duì)齊。當(dāng)編譯程序插入填充字節(jié)時(shí)，編譯器將產(chǎn)生以下警告信息。
#1301-D: padding inserted in struct mystruct
可以使用-remark編譯選項(xiàng)使編譯器產(chǎn)生備份信息，或使用-diag_warning選項(xiàng)選擇編譯器產(chǎn)生的備份信息。
如果不希望編譯器產(chǎn)生填充字節(jié)，可以使用__packed限定符來創(chuàng)建字段之間沒有填充字節(jié)的結(jié)構(gòu)，且這些結(jié)構(gòu)需要非對(duì)齊存取。
如果ARM編譯器能夠確定所訪問結(jié)構(gòu)體的對(duì)齊方式，那么它就可以自動(dòng)識(shí)別所存取結(jié)構(gòu)體中的字段的對(duì)齊方式。在這些情況下，編譯程序盡可能地采用更有效的對(duì)齊字或半字存取方式。否則，編譯器將使用多個(gè)對(duì)齊存儲(chǔ)器存取（LDR、STR、LDM和STM）與固定移位和屏蔽相結(jié)合來存取存儲(chǔ)器中的字節(jié)。
對(duì)非對(duì)齊元素的存取是通過內(nèi)聯(lián)還是通過調(diào)用一個(gè)函數(shù)來完成，由編譯程序-Ospace（默認(rèn)，調(diào)用一個(gè)函數(shù)）和-Otime（執(zhí)行非對(duì)齊存取內(nèi)聯(lián)）選項(xiàng)來控制。
例如：
創(chuàng)建一個(gè)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(jié)構(gòu)體mystruct在內(nèi)存中的地址。
從上例可以看出，所有對(duì)結(jié)構(gòu)體域成員的訪問都是通過字節(jié)訪問實(shí)現(xiàn)的，所以這種不對(duì)齊內(nèi)存訪問無論從代碼占用的存儲(chǔ)器空間，還是代碼的執(zhí)行時(shí)間上都要付出一定的代價(jià)。
然而，開發(fā)者可以給編譯器提供更多的信息，使其知道結(jié)構(gòu)體內(nèi)哪個(gè)字段是對(duì)齊的，哪個(gè)字段不是。為此，必須將未對(duì)齊字段聲明為__packed，并從struct本身除去__packed屬性。通過這種方法可以保證對(duì)struct中自然對(duì)齊成員的快速訪問。而且，哪個(gè)字段是未對(duì)齊的也更清楚，但這樣就增加了訪問struct結(jié)構(gòu)的難度，當(dāng)用戶從結(jié)構(gòu)中增加或刪除字段時(shí)需要特別小心。
修改上例中結(jié)構(gòu)體的定義，來減少訪問結(jié)構(gòu)體的開銷。具體代碼如下所示。
struct mystruct {
int aligned_i;
short aligned_s;
__packed int unaligned_i;
};
struct mystruct S1;
對(duì)修改后的程序進(jìn)行編譯，產(chǎn)生的匯編代碼如下所示。
MOV r2,r0
LDR r0,|L1.32|
STR r2,[r0,#0]
STRH r1,[r0,#4]
LDMIB r0,{r3,r12}
MOV r0,r3,LSR #16
ORR r0,r0,r12,LSL #16
BX lr
從編譯后的匯編代碼不難看出，對(duì)結(jié)構(gòu)體內(nèi)符號(hào)自然邊界對(duì)齊的域，編譯器直接使用相應(yīng)的Load/Store指令進(jìn)行訪問，而只有那些非自然邊界對(duì)齊的域，編譯器才進(jìn)行附加處理。這樣，從時(shí)間和空間兩方面減小了程序的開銷。
同一原理也適應(yīng)于聯(lián)合體結(jié)構(gòu)（unions）。使用在存儲(chǔ)器中未對(duì)齊的聯(lián)合組件的__packed屬性。
13.1.3 用于半字存取的非對(duì)齊 LDR指令
一些特殊情況下，ARM編譯程序可以生成非對(duì)齊LDR指令。特別是編譯程序從存儲(chǔ)器中載入半字時(shí)將使用該方法。這是因?yàn)椋ㄟ^使用相應(yīng)地址，所需的半字可以載入到寄存器的高半段（bits[31:16]），然后通過移位，將有效數(shù)據(jù)移到寄存器的低半段（bits[15：0]）。這樣做的目的是通過減少內(nèi)存訪問次數(shù)來減少程序的執(zhí)行時(shí)間。通過上面的方法，程序只需要一次存儲(chǔ)器的訪問，而使用LDRB指令做同樣的操作需要兩次存儲(chǔ)器的存取，而且還要為將這兩個(gè)字節(jié)合并在一起添加特殊的代碼。在ARM體系結(jié)構(gòu)v3和其早期版本中，通常使用該方法進(jìn)行所有的半字載入。但在ARMv4及其以后版本中，出現(xiàn)了專門的半字載入指令，這種方法逐漸被取代。但是，非對(duì)齊LDR指令仍可能會(huì)出現(xiàn)，比如在一個(gè)充填結(jié)構(gòu)中存取一個(gè)非對(duì)齊short域類型。
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注意 |
在RVCT中已經(jīng)不再支持ARMv3架構(gòu)。 |
13.1.4 移植代碼并檢測(cè)非對(duì)齊內(nèi)存訪問
在非RISC體系結(jié)構(gòu)的處理器上執(zhí)行的代碼中，可能會(huì)存在使用指針訪問非自然邊界對(duì)齊的數(shù)據(jù)類型。這種操作，在ARM體系結(jié)構(gòu)中是不允許的。這就給代碼的移植帶來很大困難。用戶必須識(shí)別并更改此類內(nèi)存訪問代碼才能使其在RISC體系結(jié)構(gòu)的處理器上正確執(zhí)行。
識(shí)別非對(duì)齊存取可能會(huì)很困難，因?yàn)槭褂梅菍?duì)齊地址進(jìn)行的載入或存儲(chǔ)操作會(huì)產(chǎn)生不正確的動(dòng)作。追蹤到底是哪部分的C源程序造成了這個(gè)問題是很困難的。
具有完整存儲(chǔ)器管理單元(MMUs)的ARM處理器，例如ARM920TTM，支持內(nèi)存對(duì)齊檢測(cè)功能，用戶可以通過設(shè)置MMU使處理器檢測(cè)每一次的內(nèi)存訪問以確保其被正確地對(duì)齊。如果出現(xiàn)非對(duì)齊內(nèi)存訪問，MMU將產(chǎn)生數(shù)據(jù)中斷。這樣就給追蹤出錯(cuò)代碼帶來了很大的方便。
對(duì)于一些簡單的沒有MMU的內(nèi)核，如ARM7TDMI，最好的方法是在ASIC（Application Specific Integrated Circuit）/ASSP（Application Specific Standard Product）內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)齊檢測(cè)?？梢栽黾訉ｉT的ARM內(nèi)核擴(kuò)展硬件，由其監(jiān)控每次數(shù)據(jù)的訪問的內(nèi)存大小和存取地址總線的最低有效位。在非對(duì)齊存取的情況下，可以通過配置ASIC/ASSP產(chǎn)生中斷信號(hào)（ABORT）。ARM公司建議在需要運(yùn)行移植代碼設(shè)備中包含這樣的ASIC/ASSP邏輯。
如果在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為當(dāng)出現(xiàn)非對(duì)齊的內(nèi)存訪問時(shí)產(chǎn)生異常，則必須安裝數(shù)據(jù)中斷異常處理程序（Data Abort Handler）。出現(xiàn)非對(duì)齊存取時(shí)，程序進(jìn)入數(shù)據(jù)中斷處理程序，并由此識(shí)別位于返回地址（在LR中保存的地址）減8(r14-8)的出錯(cuò)數(shù)據(jù)存取指令。
一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷異常，必須通過改變C源程序來修復(fù)非對(duì)齊的數(shù)據(jù)訪問。使用下列指令可有條件地完成修復(fù)：
#ifdef __arm
#define PACKED __packed
#else
#define PACKED
#endif
:
PACKED int *pi;
:
由于代碼大小和性能上的開銷，最好盡可能少采用存取非對(duì)齊數(shù)據(jù)。
ARM編譯器支持--pointer_alignment和--min_array_alignment與內(nèi)存對(duì)齊相關(guān)的編譯選項(xiàng)，詳見ARM相關(guān)文檔。
