Cortex-M軟件結(jié)構(gòu)

2022-07-15 15:39 作者:信盈達(dá) 0人讀過 | 我要投稿

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一? 程序映像

程序映像指的是程序存儲器，對于大多數(shù)芯片來講，一般為flash，flash中不僅存儲了用戶的程序代碼還有其它多種軟件部分：

向量表
復(fù)位處理/啟動代碼
C啟動代碼
應(yīng)用代碼
C運行時庫函數(shù)
其它數(shù)據(jù)

1 向量表

ARM Cortex-M處理器的向量表中包含每個異常和中斷的起始地址，而對于Cortex-M0和Cortex-M0+處理器復(fù)位后，向量表定義在存儲器空間的起始位置(地址為0x00000000)，向量表的第一個字節(jié)還定義了主棧指針的初始值，向量表是和設(shè)備相關(guān)的(取決于所支持的異常)，向量表一般是定義在啟動代碼中。

2 復(fù)位處理/啟動代碼

復(fù)位處理是可選的，若沒有復(fù)位處理，則會直接執(zhí)行C啟動代碼。復(fù)位處理中的代碼在處理器從復(fù)位中退出時會立刻執(zhí)行，有些情況下其中還會存在一些硬件初始化代碼。對于使用CMSIS-CORE(Cortex-M處理器用的軟件架構(gòu))的工程，復(fù)位處理執(zhí)行SystemInit()函數(shù)，其會在跳轉(zhuǎn)到C啟動代碼前設(shè)置時鐘和PLL。

啟動代碼一般由微控制器廠商提供，有時還會在工具鏈軟件中，其可能是C代碼或匯編代碼。

3 C啟動代碼

若使用C/C++或其他高級語言編程，處理器需要執(zhí)行一些程序代碼以設(shè)置程序執(zhí)行環(huán)境(如設(shè)置全局變量以及SRAM中的初始值)，對于加載時未初始化的數(shù)據(jù)存儲器中的變量，需要將他們初始化為0.若應(yīng)用需要使用malloc()等C函數(shù)，C啟動代碼還需要初始化堆存儲的數(shù)據(jù)變量，初始化后，C啟動代碼會跳轉(zhuǎn)到main程序開頭。

C啟動代碼會被工具鏈自動生成，因此是和工具鏈相關(guān)的，如果是完全用匯編編寫的程序，則可能會不存在啟動代碼。對于ARM編譯器，C啟動代碼的標(biāo)號為__main,而GNU C編譯器生成的啟動代碼標(biāo)號一般為_start.

4 應(yīng)用代碼

應(yīng)用代碼一般是從main()開始的，其中包括用以執(zhí)行所需任務(wù)的應(yīng)用程序代碼生成的指令，除了指令序列外，還有其它類型的數(shù)據(jù)：

變量初始值：函數(shù)或子例程中的局部變量需要被初始化，在程序執(zhí)行期間會設(shè)置這些初始值。
程序代碼中的常量，應(yīng)用代碼中的常量數(shù)據(jù)有多種：數(shù)據(jù)值、地址或外設(shè)寄存器以及常量字符串等。這些數(shù)據(jù)一般被稱為文本數(shù)據(jù)，且在程序映像中會以多個名為文本池的形式分組出現(xiàn)。
有些應(yīng)用可能還包含查找表、圖形映像數(shù)據(jù)(如位圖)等其他常量數(shù)據(jù)。

5 C庫代碼

在使用某些C/C++函數(shù)時，C庫代碼會被連接器插入程序映像中。另外，在進(jìn)行浮點運算和除法等數(shù)據(jù)處理任務(wù)時可能也會包含C庫代碼。Cortex-M0和Cortex-M0+處理器不支持除法指令，除法運算一般由C庫中的除法函數(shù)執(zhí)行。

為了應(yīng)對不同用途，有些開發(fā)工具會提供各種版本的C庫。例如，對于Keil MDK或ARM Development Studio 5(DS-5),可以選擇使用名為Microlib的特殊版本的C庫。Microlib面向微控制器應(yīng)用，并且體積非常小，但是無法提供標(biāo)準(zhǔn)C庫的所有特性。對于不需要很高的數(shù)據(jù)處理能力且存儲器需求非常緊張的應(yīng)用，Microlib是降低代碼大小的好方法。

對于不同的應(yīng)用，C庫代碼可能不會出現(xiàn)在簡單的C應(yīng)用(無C庫函數(shù)調(diào)用)或純匯編語言工程中。

向量表必須放在存儲器映像的開頭處，程序映像的其他部分就有沒有什么限制了。有些情況下，若程序存儲器中各部分的布局有特殊的要求，則可以利用連接器腳本控制程序映像的生成。

6 其他數(shù)據(jù)

程序映像中還包含其它數(shù)據(jù)，例如全局變量和靜態(tài)變量的初始值。

二? SRAM中的數(shù)據(jù)

處理器中的SRAM包含：

數(shù)據(jù)空間
?？臻g
堆空間

1 數(shù)據(jù)空間

存儲在RAM的末端，通常包含全局和靜態(tài)變量。局部變量可以存儲在處理器的寄存器中，或者放在棧中以減少RAM的使用，未使用函數(shù)中的局部變量不會占空存儲器空間。

2 ?？臻g

?？臻g，包括臨時數(shù)據(jù)存儲空間(一般的棧PUSH和POP操作)、局部變量的存儲空間、函數(shù)調(diào)用時的參數(shù)傳遞、以及異常流程中的寄存器保存等。

Thumb指令集在處理器數(shù)據(jù)訪問時非常高效，其使用棧指針(SP)相關(guān)的尋址模式，并且在很小的指令開銷下就可以訪問棧存儲中的這些數(shù)據(jù)。

3 堆空間

堆存儲是可選的，用于C函數(shù)中存儲器空間的動態(tài)分配，如 alloc()或malloc()和其他使用這個功能的函數(shù)。為了保證這些函數(shù)能夠正確分配存儲空間，C啟動代碼需要初始化堆存儲及其控制變量。

4 RAM空間分布

對于RAM處理器，還可以將程序代碼賦值到內(nèi)存中并從這里開始執(zhí)行，但是對于多數(shù)微控制器應(yīng)用，程序一般從Flash等非易失性存儲器中開始執(zhí)行。

將這些數(shù)據(jù)放到SRAM中的方法有很多種，一般是和工具鏈相關(guān)的。對于不具備OS的簡單應(yīng)用SRAM中存儲器分布情況如下圖。

對于有嵌入式OS的微控制器系統(tǒng)，每個任務(wù)的棧都是獨立的。許多OS都允許軟件開發(fā)人員定義每個任務(wù)/線程所需的棧大小，有些OS可能會將RAM分分割成多個部分，并將每個部分分配給一個任務(wù)，其中都包含各自的數(shù)據(jù)、棧和堆。

具有RTOS的多數(shù)系統(tǒng)都會使用下圖左側(cè)的數(shù)據(jù)布局，這里的全局和靜態(tài)變量以及堆存儲都是共用的。

三微控制器啟動流程

有些微控制器會包含一個獨立的ROM，其中存儲一段BootLoader程序，該程序會在微控制器執(zhí)行Flash存儲器中的用戶程序前啟動。這個過程是可選的，如果沒有這段代碼那么硬件復(fù)位之后，微控制器從向量表的首地址處取出一個字大小的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就是棧指針。然后開始執(zhí)行復(fù)位向量。