Cortex-M3的低层编程

Cortex-M3的低层编程􀁺概览􀁺汇编与C的接口􀁺典型的开发流程􀁺第一步工作􀁺与外界互动􀁺使用数据存储器􀁺使用互斥访问实现互斥锁操作􀁺使用位带实现互斥锁操作􀁺使用位段提取与查表跳转概览在CM3上编程，既可以使用C也可以使用汇编。可能还有其它语言的编译器，但是大多数人还是会在C与汇编的世界里游弋。C与汇编都有尺短寸长，不能互相取代。使用C能开发大型程序，而汇编则用于执行特种任务。在使用不同的工具链和芯片时，有大量的用法和用量都随之不同。因此，本书不会深入讲解怎样精通一个具体的工具链，也不会大谈如何把程序烧到板子上。在第19章和第20章会提到一些入门知识，具体内容还需查阅相关的文献和在线帮助文档。使用汇编如果工程比较小，使用纯汇编常常是可行的，而且你能随心欲地优化和控制程序。不过，你的开发周期会变长。尤其是当工程变大，需要处理比较复杂的数据结构，以及要管理函数库时，你将发现汇编会使工作量激增。各种地址和间接引用千头万绪；bug劈头盖脸；甚至好几天都改不完，简直就是自虐。当然，如果你想成为系统开发的大虾，就必须以“我不下地狱谁下地狱”的决心，去勇敢面对，后天下乐而乐。不论如何，时间宝贵。我们应该以C来实现程序的大框架，而本着好钢用在刀刃上的原则来使用汇编，因为只有在不多的特殊场合是非使用汇编语言不可的，它们是：•􀁺无法用C写成的函数，如操作特殊功能寄存器，以及实施互斥访问。•􀁺在危急关头执行处理的子程（如，NMI服务例程）。•􀁺存储器极度受限，只有使用汇编才可能把程序或数据挤进去。•􀁺执行频率非常高的子程，如操作系统的调度程序。•􀁺与处理器体系结构相关的子程，如上下文切换。•􀁺对性能要求极高的应用，如防空炮的火控系统。使用C用C写的程序可以移植，并且操作复杂数据结构时远远比汇编方便。但因为C是一种通用语言——至少是低等高级语言，它并不指定如何初始化具体的处理器（用于在main执行前准备好执行环境）。在解决这个问题时，不同的工具链都有自己的一套，因此最聪明的办法就是看一看工具链附带的示例程序。如果使用RealView开发套件（RVDS）或者KEIL的RealView微控制器开发套件(RVMDK)，则编译器和汇编器是ARM提供的，而且它们中都附带了很多示例。如果使用了GNU的工具链，则第19章以CodeSourceryGNU工具链为例，给出一个简单的示例（其它示例可以网上找）。尽管在使用了C后，大大加速了开发，但是底层的系统控制往往还需要汇编代码。很多编译器都允许你直接在C代码中插汇编，称为“内联汇编”；另外还允许你写独立的汇编模块，与编译后的C模块一起连接。以往，使用内联汇编的作法比较多，但是在ARM编译器中，不支持对Thumb‐2指令的内联汇编。取而代之的，是从RealViewC编译器的3.0版开始，新增了所谓“嵌入式汇编”的功能，它支持Thumb‐2指令。它让你可以在C程序中插入使用汇编语言编写的函数，例如：__asmvoidSetFaultMask(unsignedintnew_value){//在这里使用汇编代码实现本函数MSRFAULTMASK,new_value//把new_value写入FAULTMASK中BXLR//返回主程序（不可省略）}RealViewC编译器对嵌入式汇编的详细论述，在《RVCT3.0CompilerandLibraryGuide(Ref6)》中给出。在CM3中，嵌入式汇编还是比较需要的，因为常常会有访问特殊功能寄存器的时候。比如，在设置堆栈时，就要使用MRS/MSR指令。对于其它不能由编译器产生的指令，比如WFI/WFE、互斥访问、存储器隔离等指令，也必须用汇编显式给出。在以前的ARM处理器中，因为支持ARM/Thumb双重状态，往往需要所谓的“interworking”，且不同的源文件可能需要编译成不同状态下的代码。在CM3中不再有此需求，因为只使用了Thumb状态，从而工程管理清爽多了。当使用C开发程序时，推荐你开启CM3的双字对齐管理机制（在NVIC配置与控制寄存器中，把STKALIGN置位），代码形如：#defineNVIC_CCR((volatileunsignedlong*)(0xE000ED14))*NVIC_CCR＝*NVIC_CCR|0x200;//设置STKALIGN位这是用于确保系统能严格遵守AAPCS过程调用标准，个中细节请参阅第12章。汇编与C的接口在很多情况下，都需要让C程序模块与汇编程序模块互相交互，它们包括：•在C代码中使用了嵌入式汇编（或者是在GNU工具下，使用了内联汇编）•C程序呼叫了汇编程序，这些汇编程序是在独立的汇编源文件中实现的•汇编程序调用了C程序在这些情况下，必须知晓参数是如何传递的，以及值是如何返回的，才能在主调函数与子程序之间协同工作。这些交互的机制在ARM中有明确的规定，由文档《ARMArchitectureProcedureCallStandard(AAPCS,Ref5)》给出。不过，在大多数场合下的情况都比较简单：当主调函数需要传递参数（实参）时，它们使用R0‐R3。其中R0传递第一个，R1传递第2个……在返回时，把返回值写到R0中。在子程序中，可以随心所欲地使用R0‐R3，以及R12（回顾第9章，想想为什么会PUSH它们）。但若使用R4‐R11，则必须在使用之前先PUSH它们，使用后POP回来。可见，汇编程序使用R0‐R3,R12时会很舒服。但是如果换个立场——汇编要呼叫C函数，则考虑问题的方式就有所不同：必须意识到子程序可以随心所欲地改写R0‐R3,R12，却决不会改变R4‐R11。因此，如果在调用后还需要使用R0‐R3,R12，则在调用之前，必须先PUSH，从C函数返回后再POP它们，对R4‐R11则不用操心。在本章的示例程序中，绝大多数只是调用汇编子程序，它们只影响少量寄存器，或者会在返回前恢复寄存器的内容，所以往往没有严格遵守AAPCS。这主要是为了突出其它重点，简化程序，请读者不要钻牛角尖。典型的开发流程在开发基于CM3的应用程序时，常常有多种源程序和库，有些是自己写的，有些是别人已经写好的（尤其是底层的软件）。上述这些开发工具，在代码生成的流程都差不离。对于最基本的应用，也至少需要C编译器，连接器以及二进制文件处理工具。如果使用的是ARM的工具，如RVDS或RealView编译器工具（RVCT），则它们的流程如图10.1所示。其中的“分散加载脚本”是可选的，但是当存储器映射变得比较复杂时，则需要它。图10.1使用ARM工具链时的典型开发流程在上述基本工具之外，RVDS还提供了大量的其它实用程序，比如一个集成开发环境(IDE)以及调试器。欲知详情，可登录ARM网站（）第一步工作本章为提供了若干汇编写的例子，在实际应用中，这些程序都会用C写。但是以汇编的方式呈现，有助于让读者更深更好地理解CM3的工作内幕，以便在以后用C开发时心里更有底。这里给的程序都用ARM的汇编器(armasm)来汇编，其它工具可能对语法格式有些不同的要求。而且实际上，开发工具几乎都会把启动工作为你做好，让你根本不用去想还有启动代码的事（不过，这也妨碍了我们学习得更深入）。下面，就隆重请出本书第一个完整的示例程序（请参考向量表来阅读）STACK_TOPEQU0x20002000;SP初始值，常数AREA|HeaderCode|,CODEDCDSTACK_TOP;栈顶（MSP的）DCDStart;复位向量ENTRY;指示程序从这里开始执行Start;主程序开始;初始化寄存器MOVr0,#10;加载循环变量的初值MOVr1,#0;初始化运算结果的值;计算10+9+8+...+1loopADDr1,r0;R1+=R0SUBSr0,#1;R0自减，并且根据结果更新标志（有”S”后缀）BNEloop;if(R0!=0)gotoloop;;现在，运算结果在R1中deadloopBdeadloop;工作完成后，进入无穷循环END;标记文件结束这个例子非常简单，它只初始化了SP以及PC，以及初始化了需要使用的寄存器，然后就执行连加循环中。使用ARM工具来汇编该程序，命令为：$armasm--cpucortex-m3-otest1.otest1.s命令行中的“‐o”指示后面的是输出文件名——也就是test1.o，它也就是目标文件。接下来，我们就要使用连接器，连接各目标文件（本例中只有一个）并创建出一个可执行的映像（ELF），命令为：$armlink--rw_base0x20000000--ro_base0x0--map-otest1.elftest1.o这里，“‐‐ro_base0x0”的意思是说，把只读区（也就是程序ROM）的起始地址设为0；而“‐‐rw_base0x20000000”则指定读写区（数据存储器）从0x20000000开始（在本例中，我们没有定义任何RAM数据）。“‐‐map”选项则要求连接器给出存储器分配映射表，通过它，可以查看编译后的映像中内存的布局。最后，我们要生成二进制烧写文件，命令行为：$fromelf--bin--outputtest1.bintest1.elf如果想要看看生成的映像是否确实是我们想要的，还可以像这样对它做反汇编：$fromelf-c--outputtest1.listtest1.elf（其实基本上很少会做上步——译者注）如果一切都好，就可以把ELF映像或者二进制代码烧写到器件中了，也可使用模拟器来测试。与外界互动