從文件角度了解Cortex-M開發(fā)（1）

今天痞子衡給大家講的是嵌入式開發(fā)里的 source 文件。

眾所周知，嵌入式開發(fā)屬于偏底層的開發(fā)，主要編程語言是 C 和匯編。所以本文要講的 source 文件主要指的就是 c 文件和匯編文件。

盡管在平常開發(fā)中，我們都只會關(guān)注自己創(chuàng)建的 .c/.h/.s 源文件，但實(shí)際上我們不知不覺中也跟很多不是我們創(chuàng)建的源文件在打交道，那么問題來了，一個完整的嵌入式工程（以基于 ARM Cortex-M 控制器的工程為例）到底會包含哪些 source 文件呢？

現(xiàn)在就到了痞子衡的 show time 了，痞子衡將這些文件按來源分為五類十種，下面痞子衡按類別逐一分析這些文件：

第一類：Provided by Committee
第一類文件由 C 標(biāo)準(zhǔn)委員會提供，該類文件伴隨著標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布而逐漸壯大。該類文件主要就是一種，即 C 標(biāo)準(zhǔn)庫。

1. C standard Library

大家都知道 C 語言是有標(biāo)準(zhǔn)的，常見的 C 標(biāo)準(zhǔn)有 ANSI C（C89）、C99、C11，而 C 標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫（C Standard library）就是所有符合 C 標(biāo)準(zhǔn)的頭文件的集合，以及常用的函數(shù)庫實(shí)現(xiàn)程序。C 標(biāo)準(zhǔn)庫由 Committee 制訂發(fā)布，通常會被包含在 IDE 里。列舉一些常見文件和函數(shù)如下，是不是覺得似曾相識？

/* 常用文件 */ assert.h，stdio.h，stddef.h，stdint.h，string.h ...

/* 常用定義 */ bool，NULL，uint8_t，uint16_t，uint32_t...

/* 常用函數(shù) */ assert()，printf()，memset()，memcpy()...

第二類：Provided by IDE(Compiler)

第二類文件由 IDE 提供，C 語言是編譯型語言，需要編譯器將 C 程序匯編成機(jī)器碼，所有便有了一些跟編譯器特性相關(guān)的函數(shù)庫。

2. Compiler Library
我們在開發(fā)嵌入式應(yīng)用時需要借助集成開發(fā)環(huán)境（IDE），常見的 IDE 有 GCC(GNUC)，Keil MDK(ARMCC)，IAR EWARM(ICCARM)，這些 IDE 都有配套的 C 編譯器，這些編譯器是各有特色的，為了充分展示各編譯器特色，配套的函數(shù)庫便應(yīng)運(yùn)而生。

編譯器函數(shù)庫是因 IDE 而異的，此處僅講一個例子以供參考，需要了解更多需查看各 IDE 手冊。

以 IAR EWARM 里的 DLib_Product_string.h 文件為例，該文件中重定義了 memcpy 的實(shí)現(xiàn):

#define _DLIB_STRING_SKIP_INLINE_MEMCPY

#pragma inline=forced_no_body

__EFF_NENR1NW2R1 __ATTRIBUTES void * memcpy(void * _D, const void * _S, size_t _N)

{

__aeabi_memcpy(_D, _S, _N);

return _D;

}

第三類：Provided by ARM

第三類文件由 ARM 提供，嵌入式程序的執(zhí)行靠的是控制器內(nèi)核（此處指的內(nèi)核便是 ARM 內(nèi)核），ARM 公司在設(shè)計(jì)內(nèi)核時，提供了一些內(nèi)核模塊的接口，開發(fā)者可以通過這些接口訪問內(nèi)核資源，CMSIS header 里就是這些內(nèi)核模塊資源的接口。

3. CMSIS header
完整的 CMSIS header 目錄應(yīng)該是下面這個樣子，而必須要關(guān)注的只有 /CMSIS/Include 下面的 core_cmx.h 文件

/CMSIS

/Core

/DAP /* ARM debugger 實(shí)現(xiàn) */

/Driver /* ARM 統(tǒng)一的常用外設(shè) driver API */

/DSP_Lib /* ARM 優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的 DSP Lib */

/Include /* ARM 內(nèi)核資源接口 */

/arm_xx.h

/cmsis_xx.h

/core_cmx.h

/Lib /* ARM 優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn) Lib */

/Pack

/RTOS /* ARM 推出的 RTOS- RTX */

/RTOS2

/SVD

/Utilities

core_cmx.h 文件里定義了內(nèi)核資源接口，里面最常用的三大模塊是 SCB，SysTick，NVIC，一個嵌入式開發(fā)的老手看到這些模塊應(yīng)該要向痞子衡揮手示意，來，讓痞子衡看見你們的雙手~~~

第四類：Provided by Chip Producer

第四類文件是由 ARM 芯片生產(chǎn)商提供，我們在選型一個 ARM 芯片時，除了看 ARM 內(nèi)核類型外，還得看芯片內(nèi)部外設(shè)資源，是這些外設(shè)導(dǎo)致了 ARM 芯片差異，于是便有了各大 ARM 廠商爭奇斗艷，比如 NXP(Freescale), ST, Microchip(Atmel)，ARM 廠商賦予了 ARM 芯片各種外設(shè)資源，同時也會提供這些外設(shè)資源的接口。該類別下文件有四種：

4. device.h：芯片頭文件，主要包含中斷號定義（xx_IRQn）、外設(shè)模塊類型定義(xx_Type) 、外設(shè)基地址定義（xx_BASE）。

/////////////////////////////////////////////////////

// 中斷號定義

typedef enum IRQn {

NotAvail_IRQn = -128,

/* Core interrupts */

NonMaskableInt_IRQn = -14,

HardFault_IRQn = -13,

...
SysTick_IRQn = -1,

/* Device specific interrupts */

WDT0_IRQn = 0,

...

} IRQn_Type;

////////////////////////////////////////////////////

// 外設(shè)寄存器定義

typedef struct {

__IO uint32_t MOD;

...

__IO uint32_t WINDOW;

} WWDT_Type;

#define WWDT_WINDOW_WINDOW_MASK (0xFFFFFFU)

#define WWDT_WINDOW_WINDOW_SHIFT (0U)

#define WWDT_WINDOW_WINDOW(x) (((uint32_t)(((uint32_t)(x)) << WWDT_WINDOW_WINDOW_SHIFT)) & WWDT_WINDOW_WINDOW_MASK)

////////////////////////////////////////////////////

// 外設(shè)基地址定義

#define WWDT0_BASE (0x5000E000u)

5. startup_device.s：芯片中斷向量表文件，主要包含中斷向量表定義（DCD xx_Handler） ，以及各中斷服務(wù)程序的弱定義（PUBWEAK）。Note：該文件因編譯器而異。

;;基于 IAR 的 startup_device.s 文件

MODULE ?cstartup

;; Forward declaration of sections.

SECTION CSTACK:DATA:NOROOT(3)

SECTION .intvec:CODE:NOROOT(2)

PUBLIC __vector_table

PUBLIC __Vectors_End

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

; 中斷向量表定義

DATA

__vector_table

DCD sfe(CSTACK)

DCD Reset_Handler

DCD NMI_Handler

DCD HardFault_Handler

...

DCD SysTick_Handler

; External Interrupts

DCD WDT0_IRQHandler

...

__Vectors_End

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

; 中斷服務(wù)程序弱定義

THUMB

PUBWEAK WDT0_IRQHandler

PUBWEAK WDT0_DriverIRQHandler

SECTION .text:CODE:REORDER:NOROOT(2)

WDT0_IRQHandler

LDR R0, =WDT0_DriverIRQHandler

BX R0

WDT0_DriverIRQHandler

B .

END

6. system_device.c/h：芯片系統(tǒng)初始化文件，主要包含全局變量 SystemCoreClock 定義（提供芯片內(nèi)核默認(rèn)工作頻率）、SystemInit()函數(shù)定義（完成最基本的系統(tǒng)初始化，比如 WDOG 初始化，RAM 使能等，這部分因芯片設(shè)計(jì)而異）。

7. device SDK Library：官方提供的芯片外設(shè) SDK driver 包文件，有了這個 SDK 包可以直接使用片內(nèi)外設(shè)設(shè)計(jì)自己的應(yīng)用，而不需要查看芯片手冊里的外設(shè)模塊寄存器去重寫外設(shè)驅(qū)動。當(dāng)然并不是每個廠商都有完善的 SDK 包，這取決于各廠商對軟件服務(wù)的重視程度。
// 來自于 NXP SDK 的 WWDT driver API

void WWDT_GetDefaultConfig(wwdt_config_t *config);

void WWDT_Init(WWDT_Type *base, const wwdt_config_t *config);

void WWDT_Deinit(WWDT_Type *base);

void WWDT_ClearStatusFlags(WWDT_Type *base, uint32_t mask);

void WWDT_Refresh(WWDT_Type *base);

第五類：Created by Developer

第五類文件是開發(fā)者自己創(chuàng)建，用于實(shí)現(xiàn)開發(fā)者自己的嵌入式應(yīng)用，分為應(yīng)用系統(tǒng)啟動文件，應(yīng)用系統(tǒng)初始化文件，應(yīng)用文件。其中應(yīng)用系統(tǒng)啟動和初始化文件屬于 main 函數(shù)之前的文件，一般可以通用，大部分開發(fā)者并不關(guān)心其具體內(nèi)容，但是了解其過程可以加深對嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理解。

8. reset.s：應(yīng)用系統(tǒng)復(fù)位啟動文件，了解 ARM 原理的都知道，image 前 8 個字節(jié)數(shù)據(jù)分別是芯片上電的初始 SP, PC，其中 PC 指向的便是本文件里的 Reset_Handler，這是芯片執(zhí)行的第一個函數(shù)入口，該函數(shù)主要用于完成應(yīng)用系統(tǒng)初始化工作，包含應(yīng)用中斷向量表重定向、調(diào)用芯片系統(tǒng)初始化、ARM 系統(tǒng)寄存器 rx 清零、初始化應(yīng)用程序各數(shù)據(jù)段、初始化 ARM 系統(tǒng)中斷、跳轉(zhuǎn) main 函數(shù)。

// 一段經(jīng)典的 startup code

SECTION .noinit : CODE

THUMB

import SystemInit

import init_data_bss

import main

import CSTACK$$Limit

import init_interrupts

EXTERN __vector_table

REQUIRE __vector_table

#define SCB_BASE (0xE000ED00)

#define SCB_VTOR_OFFSET (0x00000008)

PUBLIC Reset_Handler

EXPORT Reset_Handler

Reset_Handler

// Mask interrupts

cpsid i

// Set VTOR register in SCB first thing we do.

ldr r0,=__vector_table

ldr r1,=SCB_BASE

str r0,[r1, #SCB_VTOR_OFFSET]

// Init the rest of the registers

ldr r2,=0

ldr r3,=0

ldr r4,=0

ldr r5,=0

ldr r6,=0

ldr r7,=0

mov r8,r7

mov r9,r7

mov r10,r7

mov r11,r7

mov r12,r7

// Initialize the stack pointer

ldr r0,=CSTACK$$Limit

mov r13,r0

// Call the CMSIS system init routine

ldr r0,=SystemInit

blx r0

// Init .data and .bss sections

ldr r0,=init_data_bss

blx r0

// Init interrupts

ldr r0,=init_interrupts

blx r0

// Unmask interrupts

cpsie i

// Set argc and argv to NULL before calling main().

ldr r0,=0

ldr r1,=0

ldr r2,=main

blx r2

__done

B __done

END

9. startup.c：應(yīng)用系統(tǒng)初始化文件，該文件里主要包含兩個初始化函數(shù)，init_data_bss()、 init_interrupts()，data, bss 段數(shù)據(jù)的初始化是為了保證嵌入式系統(tǒng)中所有全局變量能有一個開發(fā)者指定的初值。由于 data，bss 段的位置是在鏈接階段確定的，所以此處需要配合 linker 文件才能找到正確的 data,bss 位置，linker 文件是因 IDE 而異的，所有本文件要想做到通用，必須增加各 IDE 條件編譯，此處僅以 IAR 下的實(shí)現(xiàn)為例：

// 基于 IAR 的 startup.c 文件

#if (defined(__ICCARM__))

#pragma section = ".intvec"

#pragma section = ".data"

#pragma section = ".data_init"

#pragma section = ".bss"

#pragma section = "CodeRelocate"

#pragma section = "CodeRelocateRam"

#endif

void init_data_bss(void)

{

#if defined(__ICCARM__)

uint8_t *data_ram, *data_rom, *data_rom_end;

uint8_t *bss_start, *bss_end;

uint8_t *code_relocate_ram, *code_relocate, *code_relocate_end;

uint32_t n;

// 初始化 data 段 .data section (initialized data section)

data_ram = __section_begin(".data");

data_rom = __section_begin(".data_init");

data_rom_end = __section_end(".data_init");

n = data_rom_end - data_rom;

if (data_ram != data_rom)

{

while (n--)

{

*data_ram++ = *data_rom++;

}

}

// 初始化 bss 段 .bss section (zero-initialized data)

bss_start = __section_begin(".bss");

bss_end = __section_end(".bss");

n = bss_end - bss_start;

while (n--)

{

*bss_start++ = 0;

}

// 初始化 CodeRelocate 段 （執(zhí)行在 RAM 中的函數(shù)（由 IAR 指定的 __ramfunc 修飾的函數(shù)））.

code_relocate_ram = __section_begin("CodeRelocateRam");

code_relocate = __section_begin("CodeRelocate");

code_relocate_end = __section_end("CodeRelocate");

n = code_relocate_end - code_relocate;

while (n--)

{

*code_relocate_ram++ = *code_relocate++;

}

#endif

}

void init_interrupts(void)

{

NVIC_ClearEnabledIRQs();

NVIC_ClearAllPendingIRQs();

}

10. application.c/h：應(yīng)用文件，此處便是主函數(shù)以及各功能函數(shù)的集合了，嵌入式老司機(jī)們，請開始你的表演~~~

void taskn(void)

{

// Your task code

}

int main(void)

{

printf("hello world/r/n");

taskn();

...

return 0;

}

至此，嵌入式開發(fā)里的各種來源的 source 文件痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~

審核編輯 黃昊宇