嵌入式开发的特点进行简单的科普与回顾

本文为RISC-V嵌入式开发准备篇2：嵌入式开发的特点介绍。

本文的目的是对嵌入式开发的特点进行简单的科普与回顾，为后续详细介绍“RISC-V GCC工具链”和“RISC-V汇编语言程序设计”打下基础。注：本文力求通俗易懂，主要面向初学者，对嵌入式开发有所了解的读者可以忽略此文。

在本号上次发表的文章《编译过程简介》中介绍过，嵌入式系统的程序编译过程和开发有其特殊性，譬如：

嵌入式系统需要使用交叉编译与远程调试的方法进行开发。

需要自己定义引导程序。

需要注意减少代码体积（Code Size）。

需要移植printf从而使得嵌入式系统也能够打印输入。

使用Newlib作为C运行库。

每个特定的嵌入式系统都需要配套的板级支持包。

下文将分别予以介绍。

1 交叉编译和远程调试

在本号上次发表的文章《编译过程简介》中介绍了如何在Linux系统的PC电脑上开发一个Hello World程序，对其进行编译，然后运行在此电脑上。在这种方式下，我们使用PC电脑上的编译器编译出该PC电脑本身可执行的程序，这种编译方式称之为本地编译。

嵌入式平台上往往资源有限，嵌入式系统（譬如常见ARM MCU或8051单片机）的存储器容量通常只在几KB到几MB之间，且只有闪存而没有硬盘这种大容量存储设备，在这种资源有限的环境中，不可能将编译器等开发工具安装在嵌入式设备中，所以无法直接在嵌入式设备中进行软件开发。因此，嵌入式平台的软件一般在主机PC上进行开发和编译，然后将编译好的二进制代码下载至目标嵌入式系统平台上运行，这种编译方式属于交叉编译。

交叉编译可以简单理解为，在当前编译平台下，编译出来的程序能运行在体系结构不同的另一种目标平台上，但是编译平台本身却不能运行该程序，譬如，在x86平台的PC电脑上编写程序并编译成能运行在ARM平台的程序，编译得到的程序在x86平台上不能运行，必须放到ARM平台上才能运行。

与交叉编译同理，在嵌入式平台上往往也无法运行完整的调试器，因此当运行于嵌入式平台上的程序出现问题时，需要借助主机PC平台上的调试器来对嵌入式平台进行调试。这种调试方式属于远程调试。

常见的交叉编译和远程调试工具是GCC和GDB。在本号上次发表的文章《编译过程简介》中介绍了如何使用Linux自带的GCC本地编译一个Hello World程序并运行。但是，GCC不仅能作为本地编译器，还能作为交叉编译器；同理GDB不仅可以作为本地调试器，还可以作为远程调试器。

当作为交叉编译器之时，GCC通常有不同的命名，譬如：

arm-none-eabi-gcc和arm-none-eabi-gdb是面向裸机（Bare-Metal）ARM平台的交叉编译器和远程调试器。

所谓裸机（Bare-Metal）是嵌入式领域的一个常见形态，表示不运行操作系统的系统

而riscv-none-embed-gcc和riscv-none-embed-gdb是面向裸机RISC-V平台的交叉编译器和远程调试器。

本号后续发文《RISC-V GCC工具链的介绍》将介绍RISC-V GCC工具链的更多信息。

2 移植newlib或newlib-nano作为C运行库

newlib是一个面向嵌入式系统的C运行库。相对于本号上次发表的文章《编译过程简介》中介绍的glibc，newlib实现了大部分的功能函数，但体积却小很多。newlib独特的体系结构将功能实现与具体的操作系统分层，使之能够很好地进行配置以满足嵌入式系统的要求。由于专为嵌入式系统设计，newlib具有可移植性强、轻量级、速度快、功能完备等特点，已广泛应用于各种嵌入式系统中。

由于嵌入式操作系统和底层硬件的多样性，为了能够将C/C++语言所需要的库函数实现与具体的操作系统和底层硬件进行分层，newlib的所有库函数都建立在20个桩函数的基础上，这20个桩函数完成具体操作系统和底层硬件相关的功能：

I/O和文件系统访问（open、close、read、write、lseek、stat、fstat、fcntl、link、unlink、rename）；

扩大内存堆的需求（sbrk）；

获得当前系统的日期和时间（gettimeofday、times）；

各种类型的任务管理函数（execve、fork、getpid、kill、wait、_exit）；

这20个桩函数在语义、语法上与POSIX（Portable Operating System Interface of UNIX）标准下对应的20个同名系统调用完全兼容。

所以，如果需要移植newlib至某个目标嵌入式平台，成功移植的关键是在目标平台下找到能够与newlib桩函数衔接的功能函数或者实现这些桩函数。本号后续发文《基于HBird-E-SDK平台的软件开发与运行》将介绍蜂鸟E200的HBird-E-SDK平台如何实现移植实现newlib的桩函数。

注意：newlib的一个特殊版本newlib-nano版本进一步为嵌入式平台减少了代码体积（Code Size），因为newlib-nano提供了更加精简版本的malloc和printf函数的实现，并且对库函数使用GCC的-Os（侧重代码体积的优化）选项进行编译优化。

3 嵌入式引导程序和中断异常处理

在本号上次发表的文章《编译过程简介》中介绍了如何在Linux系统的PC电脑上开发一个Hello World程序，对其进行编译，然后运行在此电脑上。在这种方式下，程序员仅仅只需要关注Hello World程序本身，程序的主体由main函数组织而成，程序员可以无需关注Linux操作系统在运行该程序的main函数之前和之后需要做什么。事实上，在Linux操作系统中运行应用程序（譬如简单的Hello World）时，操作系统需要动态地创建一个进程、为其分配内存空间、创建并运行该进程的引导程序，然后才会开始执行该程序的main函数，待其运行结束之后，操作系统还要清除并释放其内存空间、注销该进程等。

从上述过程中可以看出，程序的引导和清除这些“脏活累活”都是由Linux这样的操作系统来负责进行。但是在嵌入式系统中，程序员除了开发以main函数为主体的功能程序之外，还需要关注如下两个方面：

引导程序：

嵌入式系统上电后需要对系统硬件和软件运行环境进行初始化，这些工作往往由用汇编语言编写的引导程序完成。

引导程序是嵌入式系统上电后运行的第一段软件代码。引导程序对于嵌入式系统非常关键，引导程序所执行的操作依赖于所开发的嵌入式系统的软硬件特性，一般流程包括：初始化硬件、设置异常和中断向量表、把程序拷贝到片上SRAM中、完成代码的重映射等，最后跳转到main函数入口。

本号后续发文《基于HBird-E-SDK平台的软件开发与运行》将结合HBird-E-SDK平台的引导程序实例了解引导程序的更多细节。

中断异常处理

中断和异常是嵌入式系统非常重要的一个环节，因此，嵌入式系统软件还必须正确地配置中断和异常处理函数。有关RISC-V架构的中断和异常的详细信息，请参见RISC-V中文书籍《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》 中第13章内容《不得不说的故事——中断和异常》。

本号后续发文《基于HBird-E-SDK平台的软件开发与运行》将结合HBird-E-SDK程序实例了解如何配置中断和异常处理函数。

4 嵌入式系统链接脚本

在本号上次发表的文章《编译过程简介》中介绍了如何在Linux系统的PC电脑上开发一个Hello World程序，对其进行编译，然后运行在此电脑上。在这种方式下，程序员也无需关心编译过程中的“链接”这一步骤所使用的链接脚本，无需为程序分配具体的内存空间。

但是在嵌入式系统中，程序员除了开发以main函数为主体的功能程序之外，还需要关注“链接脚本”为程序分配合适的存储器空间，譬如程序段放在什么区间、数据段放在什么区间等等。

本号后续发文《基于HBird-E-SDK平台的软件开发与运行》将结合HBird-E-SDK的“链接脚本”实例了解更多细节。

5 减少代码体积

嵌入式平台上往往存储器资源有限，嵌入式系统（譬如常见的ARM MCU或8051单片机）的存储器容量通常只在几KB到几MB之间，且只有闪存而没有硬盘这种大容量存储设备，在这种资源有限的环境中，程序的代码体积（Code Size）显得尤其重要，因此，有效地降低降低代码体积（Code Size）是嵌入式软件开发必须要考虑的问题，常见的方法如：

使用newlib-nano作为C运行库以取得较小代码体积（Code Size）的C库函数。

尽量少使用C语言的大型库函数，譬如在正式发行版本的程序中避免使用printf和scanf等函数。

如果在开发的过程中一定需要使用printf函数，可以使用某些自己实现的阉割版printf函数（而不是C运行库中提供的printf函数）以生成较小的代码体积。

除此之外，在C/C++语言的语法和程序开发方面也有众多技巧以取得更小的代码体积（Code Size）。

本号后续发文《基于HBird-E-SDK平台的软件开发与运行》将结合HBird-E-SDK平台实例了解更多“减少代码体积”的实现细节。减小代码体积（Code Size）的方法很多，本文在此不做一一赘述，请初学的读者自行查阅相关资料进行学习。

6 支持printf函数

在本号上次发表的文章《编译过程简介 》中介绍了如何在Linux系统的PC电脑上开发一个Hello World程序，程序中使用C语言的标准库函数printf打印了一个“Hello World”字符串。该程序在Linux系统里面运行的时候字符串被成功的输出到了Linux的终端界面上。在这个过程中，程序员无需关心Linux系统到底是如何将printf函数的字符串输出到Linux终端上的。事实上，如《编译过程简介》中所述，在Linux本地编译的程序会链接使用Linux系统的C运行库glibc，而glibc充当了应用程序和Linux操作系统之间的接口，glibc提供的 printf 函数就会调用如sys_write等操作系统的底层系统调用函数，从而能够将“字符串”输出到Linux终端上。

从上述过程中可以看出，由于有glibc的支持，所以printf函数能够在Linux系统中正确的进行输出。但是在嵌入式系统中，printf的输出却不那么容易了，基于如下几个原因：

嵌入式系统使用newlib作为C运行库，而newlib的C运行库所提供的printf函数最终依赖于如本文中所介绍的newlib桩函数write，因此必须实现此write函数才能够正确的执行printf函数。

嵌入式系统往往没有“显示终端”存在，譬如常见的单片机其作为一个黑盒子一般的芯片，根本没有显示终端。因此，为了能够支持显示输出，通常需要借助单片机芯片的UART接口将printf函数的输出重新定向到主机PC的COM口上，然后借助主机PC的串口调试助手显示出输出信息。同理，对于scanf输入函数，也需要通过主机PC的串口调试助手获取输入然后通过主机PC的COM口发送给单片机芯片的UART接口。

从以上两点可以看出，嵌入式平台的UART接口非常重要，往往扮演了输出管道的角色，为了能够将printf函数的输出定向到UART接口，需要实现newlib的桩函数write，使其通过编程UART的相关寄存器将字符通过UART接口输出。本号后续发文《基于HBird-E-SDK平台的软件开发与运行》将结合HBird-E-SDK平台移植printf函数的实例了解更多细节。

7 提供板级支持包

对于特定的嵌入式硬件平台，为了方便用户在硬件平台上开发嵌入式程序，硬件平台一般会提供板级支持包（Board Support Package，BSP）。板级支持包所包含的内容没有绝对的标准，通常说来，其必须包含如下内容：

底层硬件设备的地址分配信息

底层硬件设备的驱动函数

系统的引导程序

中断和异常处理服务程序

系统的链接脚本

如果使用newlib作为C运行库，一般还提供newlib桩函数的实现。

由于板级支持包往往会将很多底层的基础设施和移植工作搭建好，因此应用程序开发人员通常都无需关心本文第1.2节至第1.6节中描述的内容，能够从底层细节中被解放出来避免重复建设而出错。本号后续发文《基于HBird-E-SDK平台的软件开发与运行》将结合HBird-E-SDK平台的BSP实例了解更多细节。