从文件角度了解Cortex-M开发（1）

电子设计 2020-10-30 517

描述

今天痞子衡给大家讲的是嵌入式开发里的 source 文件。

众所周知，嵌入式开发属于偏底层的开发，主要编程语言是 C 和汇编。所以本文要讲的 source 文件主要指的就是 c 文件和汇编文件。

尽管在平常开发中，我们都只会关注自己创建的 .c/.h/.s 源文件，但实际上我们不知不觉中也跟很多不是我们创建的源文件在打交道，那么问题来了，一个完整的嵌入式工程（以基于 ARM Cortex-M 控制器的工程为例）到底会包含哪些 source 文件呢？

现在就到了痞子衡的 show time 了，痞子衡将这些文件按来源分为五类十种，下面痞子衡按类别逐一分析这些文件：

第一类：Provided by Committee
第一类文件由 C 标准委员会提供，该类文件伴随着标准的发布而逐渐壮大。该类文件主要就是一种，即 C 标准库。

1. C standard Library　

大家都知道 C 语言是有标准的，常见的 C 标准有 ANSI C（C89）、C99、C11，而 C 标准函数库（C Standard library）就是所有符合 C 标准的头文件的集合，以及常用的函数库实现程序。C 标准库由 Committee 制订发布，通常会被包含在 IDE 里。列举一些常见文件和函数如下，是不是觉得似曾相识？

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

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

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

第二类：Provided by IDE(Compiler)

第二类文件由 IDE 提供，C 语言是编译型语言，需要编译器将 C 程序汇编成机器码，所有便有了一些跟编译器特性相关的函数库。

2. Compiler Library
我们在开发嵌入式应用时需要借助集成开发环境（IDE），常见的 IDE 有 GCC(GNUC)，Keil MDK(ARMCC)，IAR EWARM(ICCARM)，这些 IDE 都有配套的 C 编译器，这些编译器是各有特色的，为了充分展示各编译器特色，配套的函数库便应运而生。

编译器函数库是因 IDE 而异的，此处仅讲一个例子以供参考，需要了解更多需查看各 IDE 手册。

以 IAR EWARM 里的 DLib_Product_string.h 文件为例，该文件中重定义了 memcpy 的实现:

#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;

}

第三类：Provided by ARM

第三类文件由 ARM 提供，嵌入式程序的执行靠的是控制器内核（此处指的内核便是 ARM 内核），ARM 公司在设计内核时，提供了一些内核模块的接口，开发者可以通过这些接口访问内核资源，CMSIS header 里就是这些内核模块资源的接口。

3. CMSIS header
完整的 CMSIS header 目录应该是下面这个样子，而必须要关注的只有 /CMSIS/Include 下面的 core_cmx.h 文件

/CMSIS

/Core

/DAP /* ARM debugger 实现 */

/Driver /* ARM 统一的常用外设 driver API */

/DSP_Lib /* ARM 优化实现的 DSP Lib */

/Include /* ARM 内核资源接口 */

/arm_xx.h

/cmsis_xx.h

/core_cmx.h

/Lib /* ARM 优化实现的标准 Lib */

/Pack

/RTOS /* ARM 推出的 RTOS- RTX */

/RTOS2

/SVD

/Utilities

core_cmx.h 文件里定义了内核资源接口，里面最常用的三大模块是 SCB，SysTick，NVIC，一个嵌入式开发的老手看到这些模块应该要向痞子衡挥手示意，来，让痞子衡看见你们的双手~~~

第四类：Provided by Chip Producer

第四类文件是由 ARM 芯片生产商提供，我们在选型一个 ARM 芯片时，除了看 ARM 内核类型外，还得看芯片内部外设资源，是这些外设导致了 ARM 芯片差异，于是便有了各大 ARM 厂商争奇斗艳，比如 NXP(Freescale), ST, Microchip(Atmel)，ARM 厂商赋予了 ARM 芯片各种外设资源，同时也会提供这些外设资源的接口。该类别下文件有四种：

4. device.h：芯片头文件，主要包含中断号定义（xx_IRQn）、外设模块类型定义(xx_Type) 、外设基地址定义（xx_BASE）。

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

// 中断号定义

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;

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

// 外设寄存器定义

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)

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

// 外设基地址定义

#define WWDT0_BASE (0x5000E000u)

5. startup_device.s：芯片中断向量表文件，主要包含中断向量表定义（DCD xx_Handler），以及各中断服务程序的弱定义（PUBWEAK）。Note：该文件因编译器而异。

;;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

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

; 中断向量表定义

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

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

; 中断服务程序弱定义

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：芯片系统初始化文件，主要包含全局变量 SystemCoreClock 定义（提供芯片内核默认工作频率）、SystemInit()函数定义（完成最基本的系统初始化，比如 WDOG 初始化，RAM 使能等，这部分因芯片设计而异）。

7. device SDK Library：官方提供的芯片外设 SDK driver 包文件，有了这个 SDK 包可以直接使用片内外设设计自己的应用，而不需要查看芯片手册里的外设模块寄存器去重写外设驱动。当然并不是每个厂商都有完善的 SDK 包，这取决于各厂商对软件服务的重视程度。
// 来自于 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);

第五类：Created by Developer

第五类文件是开发者自己创建，用于实现开发者自己的嵌入式应用，分为应用系统启动文件，应用系统初始化文件，应用文件。其中应用系统启动和初始化文件属于 main 函数之前的文件，一般可以通用，大部分开发者并不关心其具体内容，但是了解其过程可以加深对嵌入式系统结构的理解。

8. reset.s：应用系统复位启动文件，了解 ARM 原理的都知道，image 前 8 个字节数据分别是芯片上电的初始 SP, PC，其中 PC 指向的便是本文件里的 Reset_Handler，这是芯片执行的第一个函数入口，该函数主要用于完成应用系统初始化工作，包含应用中断向量表重定向、调用芯片系统初始化、ARM 系统寄存器 rx 清零、初始化应用程序各数据段、初始化 ARM 系统中断、跳转 main 函数。

// 一段经典的 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：应用系统初始化文件，该文件里主要包含两个初始化函数，init_data_bss()、 init_interrupts()，data, bss 段数据的初始化是为了保证嵌入式系统中所有全局变量能有一个开发者指定的初值。由于 data，bss 段的位置是在链接阶段确定的，所以此处需要配合 linker 文件才能找到正确的 data,bss 位置，linker 文件是因 IDE 而异的，所有本文件要想做到通用，必须增加各 IDE 条件编译，此处仅以 IAR 下的实现为例：

// 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（执行在 RAM 中的函数（由 IAR 指定的 __ramfunc 修饰的函数））.

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：应用文件，此处便是主函数以及各功能函数的集合了，嵌入式老司机们，请开始你的表演~~~

void taskn(void)

{

// Your task code

}

int main(void)

{

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

taskn();

...

return 0;

}

至此，嵌入式开发里的各种来源的 source 文件痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~

审核编辑黄昊宇

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