默认情况下,C库利用semihosting机制来提供设备驱动级的功能,使得主机能够用作输入和输出设备。这种机制对于嵌入式开发十分有用,因为用于开发的硬件系统通常没有最终系统的输入和输出设备。
任何运行在实际硬件上的嵌入式应用程序,都必须在启动时实现一些基本的系统初始化。本节将对此予以详细讨论。
在创建多任务嵌入式系统时,最好有一个简单的方式来编写、装载及运行各自独立的任务。目前大多数的嵌入式系统不再使用自己定制的控制系统,而使用操作系统来简化这个过程。较高级的操作系统采用基于硬件的存储管理单元MMU来实现上述操作。
本章主要讲解C编译器在代码优化时遇到的一些问题。要编写高效的C语言源代码,必须了解C编译器对什么形式的代码有所改动,编译器涉及的处理器结构的限制,以及一些特殊的C编译器的限制。
因为ARM体系结构本身并不包含除法运算硬件,所以在ARM上实现除法是十分耗时的。ARM指令集中没有直接提供除法汇编指令,当代码中出现除法运算时,ARM编译器会调用C库函数(有符合除法调用_rt_sdiv,无符合除法调用_rt_udiv),来实现除法操作。根据除数和被除数的不同,32bit的除法运算一般要占有20-140个指令周期。
ARM指令都是可以条件执行的。在代码中使用条件执行指令可以减小代码密度并提高程序执行效率。典型的条件执行语句用在比较指令之后,形成程序的分支跳转结构。下面的例子显示了条件执行指令的典型用法。
通常,布尔表达式被用来检测某个数值是否在特定的范围内。例如,在图形窗口处理程序中,常使用布尔表达式判断屏幕中一个点是否在当前活动窗口范围内。
循环体是程序设计与优化的重点考虑对象。本节将着重讲解在ARM上处理for和while循环最有效的方法。
ARM处理器支持16个协处理器。在程序执行过程中,每个协处理器忽略属于ARM处理器和其他协处理器的指令。当一个协处理器硬件不能执行属于它的协处理器指令时,将产生一个未定义指令异常中断,在该异常中断处理程序中,可以通过软件模拟该硬件操作。比如,如果系统不包含向量浮点运算器,则可以选择浮点运算软件模拟包来支持向量浮点运算。
当第一代RISC微处理器刚出现时,标准存储器元件的速度比当时微处理器的速度快。很快,半导体工艺技术的进展被用来提高微处理器的速度。标准DRAM部件虽然也快了一些,但其发展的主要精力则放在提高存储容量上。
编译器通常将C语言中的Switch语句编译一个查找表(Table Lookup)以便跳转到合适的入口处。
编译器一项很重要的优化功能就是对寄存器的分配。与分配在寄存器中的变量相比,分配到内存的变量访问要慢得多。所以如何将尽可能多的变量分配到寄存器,是编程时应该重点考虑的问题。
ARM C编译器支持基本的数据类型:char、short、int、long long、float和double。表14.2说明了armcc对C语言所使用的数据类型的映射。
函数设计的基本原则是使其函数体尽量的小。这样编译器可以对函数做更多的优化。
大多数的ARM处理器硬件上并不支持浮点运算。但ARM上提供了以下几个选项来实现浮点运算。
当对源代码使用不同的编译器时,可能会出现一些移植上的问题,这时可以宏将一些ARM特有的关键字“打包”。
一些嵌入式系统使用多任务的操作和控制。这些系统必须提供一种机制来保证正在运行的任务不破坏其他任务的操作。即要防止系统资源和其他一些任务不受非法访问。要达到这一目的通常有软件保护和硬件保护两种途径。这里软件保护是指仅靠软件来保护系统资源。系统中无保护硬件或硬件没启动。在多任务的系统中,通常要运行操作系统来达到任务间同步与通信。
随着片上系统设计变得更加精密、复杂,ARM处理器已成为包含多个处理部件和子系统的系统核心处理器。每个ARM处理器都有一个特定的指令集架构ISA,ISA随着嵌入式市场的需求而发展。每一个ISA的发布都是相后兼容的,这使得在较早的架构版本上编写的代码也可以在后续版本上执行。
为了满足目前无线网络、汽车电子和消费类电子产品不断增长的市场需要,ARM公司在ARMv6中引入新的技术和结构组成,包括增强的DSP支持和对多处理器环境的支持。
在ARM汇编语言程序里,有一些特殊指令助记符,这些助记符与指令系统的助记符不同,没有相对应的操作码,通常称这些特殊指令助记符为伪操作标识符(directive),它们所完成的操作称为伪操作。伪操作在源程序中的作用是为完成汇编程序作各种准备工作的,这些伪操作仅在汇编过程中起作用,一旦汇编结束,伪操作的使命就完成。