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因為嵌入式應用領(lǐng)域的多樣性，每一個(gè)系統都具有各自的特點(diǎn)。在進(jìn)行系統程序設計的時(shí)候，一定要進(jìn)行具體分析，充分利用這些特點(diǎn)，揚長(cháng)避短。 結合 ARM 架構本身的一些特點(diǎn)，在這里討論幾個(gè)常見(jiàn)的要點(diǎn)。 1．ARM 還是 Thumb？ 在討論 ARM 還是 Thumb 之前，先說(shuō)明 ARM 內核型號和 ARM 結構體系之間的區別和聯(lián)系。 如圖-1所示，ARM 的結構體系主要從版本 4 開(kāi)始，發(fā)展到了現在的版本 6，結構體系的變化，對程序員而言最直接的影響就是指令集的變化。結構體系的演變意味著(zhù)指令集的不斷擴展，值得慶幸的是 ARM 結構體系的發(fā)展一直保持了向上兼容，不會(huì )造成老版本程序在新結構體系上的不兼容。 
圖-1 ARM 結構體系和處理器家族的演變發(fā)展 在圖中的橫坐標上，顯示了每一個(gè)體系結構上都含有眾多的處理器型號，這是在同一體系結構下根據硬件配置和存儲器系統的不同而作的進(jìn)一步細分。 需要注意的是通常我們用來(lái)區分 ARM 處理器家族的 ARM7、ARM9 或 ARM10，可能跨越不同的體系結構。 在A(yíng)RM的體系結構版本4與5中， 還可以再細分出幾個(gè)小的擴展版本： V4T、V5TE和V5TEJ，其區別如圖-2中所示，這些后綴名也反映在各自擁有的處理器型號上面，可以進(jìn)行直觀(guān)的分辨。V6 結構體系因為包含了以前版本的所有特性，所以不需要再進(jìn)行分類(lèi)。
圖-2 結構體系特征 上面介紹了整個(gè) ARM 處理器家族的分布，主要是說(shuō)明在一個(gè)特定的平臺上編寫(xiě)程序的時(shí)候，一定要先弄清楚目標的特性和一些細微的差別，特別是需要具體優(yōu)化特征的時(shí)候。 從 ARM 體系結構 V4T 以后，最大的變化是增加了一套 16 位的指令集——Thumb。到底在一個(gè)具體應用中要否采用 Thumb呢？首先我們來(lái)分析一下 ARM和 Thumb 各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢。先看下面一張性能分析圖：
圖-3 ARM 和 Thumb指令集的比較 圖中的縱坐標是測試向量 Dhrystone 在 20MHz 頻率下運行 1 秒鐘的結果， 其值越大表明性能越好；橫坐標是系統存儲器系統的數據總線(xiàn)寬度。結果表明： (a) 當系統具有32 位的數據總線(xiàn)寬度時(shí)，ARM 比 Thumb有更好的性能表現。 (b) 當系統的數據總線(xiàn)寬度小于32 位時(shí)，Thumb比 ARM 的性能更好。 由此可見(jiàn)， 并不是32位的ARM指令集性能一定強于16位的Thumb指令集，要具體情況具體分析�？疾靷�(gè)中的原因，其實(shí)不難發(fā)現，因為當在一個(gè) 16 位存儲器系統里面取1 條 32位指令的時(shí)候，需要耗費2 個(gè)存儲器訪(fǎng)問(wèn)周期；比之 32位的系統，其速度正好大概下降一半左右。而 16 位指令在 32 位存儲器系統或16 位存儲器系統里的表現基本相同。正是存儲器造成的系統瓶頸導致了這個(gè)有趣的差別。 除了在窄帶寬系統里面的性能優(yōu)勢外， Thumb 指令的另外一個(gè)好處是代碼尺寸。同樣一段 C 代碼，用 Thumb 指令編譯的結果，其長(cháng)度大約只占 ARM 編譯結果的 65%左右，可以明顯地節省存儲器空間。在大多數情況下，緊湊的代碼和窄帶寬的存儲器系統，還會(huì )帶來(lái)功耗上的優(yōu)勢。 當然，如果在 32 位的系統上面，并且對系統性能要求很高的情況下，ARM是一個(gè)更好的選擇。畢竟在這種情況下，只有 32 位的指令集才能完全發(fā)揮 32位處理器的優(yōu)勢來(lái)。 因此，選擇 ARM 還是 Thumb，需要從存儲器開(kāi)銷(xiāo)和性能要求兩方面加以權衡考慮。 2．堆棧的分配 在圖-3 中，橫坐標上還有一種情況，就是 16 位的存儲器寬度，但是堆�？臻g是 32 位的。這種情況下無(wú)論 ARM 還是 Thumb，其性能表現都比單純的 16 位存儲器系統情況下要好。這是因為 ARM 和 Thumb 其指令集雖然分 32 位和 16位，但是堆棧全部是采用32 位的。因此在 16 位堆棧和 32 位堆棧的不同環(huán)境下，其性能當然都會(huì )相差很多。這種差別還跟具體的應用程序密切相關(guān)，如果一個(gè)程 序堆棧的使用頻率相當高，則這種性能差異很大；反之則要小一些。 在基于 ARM 的系統中，堆棧不僅僅被用來(lái)進(jìn)行諸如函數調用、中斷響應等時(shí)候的現場(chǎng)保護，還是程序局部變量和函數參數傳遞（如果大于4個(gè)）的存儲空間。所以出于系統整體性能考慮，要給堆棧分配相對訪(fǎng)問(wèn)速度最快、數據寬度最大的存儲器空間。 一個(gè)嵌入式系統通常存在多種多樣的存儲器類(lèi)型。設計的時(shí)候一定要先清楚每一種存儲器的訪(fǎng)問(wèn)速度，地址分配和數據線(xiàn)寬度。然后根據不同程序和目標模塊對存儲器的不同要求進(jìn)行合理分配，以期達到最佳配置狀態(tài)。 3．ROM 還是 RAM 在 0 地址處？ 顯然當系統剛啟動(dòng)的時(shí)候，0 地址處肯定是某種類(lèi)型的 ROM，里面存儲了系統的啟動(dòng)代碼。 但是很多靈活的系統設計中， 0 地址處的存儲器類(lèi)型是可映射的。也就是說(shuō)，可以通過(guò)軟件的方法，把別的存儲器（主要是快速的 RAM）分配以0 起始的地址。 這種做法的最主要目的之一是提高系統對中斷的反應速度。因為每一個(gè)中斷發(fā)生的時(shí)候，ARM 都需要從 0 地址處的中斷向量表開(kāi)始其中斷響應流程，顯然把中斷向量表放在 RAM 里，比放在 ROM 里有更快的訪(fǎng)問(wèn)速度。因此，如果系統提供了這一類(lèi)的地址重映射功能，軟件設計者一定要加以利用。 下面是一個(gè)典型的經(jīng)過(guò) 0 地址重映射之后的存儲空間分布圖，注意盡可能把速度要求最高的部分放置在系統里面訪(fǎng)問(wèn)速度最快、帶寬最寬的 RAM 里面。
圖-4 系統存儲器分布的實(shí)例 4．存儲器地址重映射（memory remap） 存儲器地址重映射是當前很多先進(jìn)控制器所具有的功能。在上一節中已經(jīng)提到了 0 地址處存儲器重映射的例子，簡(jiǎn)而言之，地址重映射就是可以通過(guò)軟件配置來(lái)改變一塊存儲器物理地址的一種機制或方法。 當一段程序對運行自己的存儲器進(jìn)行重映射的時(shí)候，需要特別注意保證程序執行流程在重映射前后的承接關(guān)系。下面是一種典型的存儲器地址重映射情況：
圖-5 存儲器重映射舉例 1 系統上電后的缺省狀態(tài)是 0地址上放有 ROM，這塊 ROM 有兩個(gè)地址：從0起始和從0x10000 起始，里面存儲了初始化代碼。當進(jìn)行地址 remap以后，從 0起始的地址被定向到了 RAM 上，ROM 則只保留有唯一的從 0x10000 起始的地址了。 如果存儲在 ROM 里的 Reset_Handler 一直在0 – 0x4000的地址上運行，則當執行完remap以后，下面的指令將從RAM 里預取，必然會(huì )導致程序執行流程的中斷。根據系統特點(diǎn)，可以用下面的辦法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題： （1） 上電后系統從 0 地址開(kāi)始自動(dòng)執行，設計跳轉指令在 remap 發(fā)生前使 PC指針指向0x10000 開(kāi)始的 ROM 地址中去，因為不同地址 指向的是同一塊ROM，所以程序能夠順利執行。 （2） 這時(shí)候 0 - 0x4000的地址空間空閑， 不被程序引用， 執行remap后把 RAM引進(jìn)。因為程序一直在 0x10000 起始的 ROM 空間里 運行，remap 對運行流程沒(méi)有任何影響。 （3） 通過(guò)在 ROM 里運行的程序，對 RAM 進(jìn)行相應的代碼和數據拷貝，完成應用程序運行的初始化。 下面是一段實(shí)現上述步驟的例程： ------------------------------------------------------------------------------------------------------- ENTRY ；啟動(dòng)時(shí)，從 0 開(kāi)始，設法跳轉到“真”的ROM 地址（0x10000 開(kāi)始的空間里） LDR pc, =start ；insert vector table here … Start ；Begin of Reset_Handler ； 進(jìn)行 remap設置 LDR r1, =Ctrl_reg ；假定控制 remap的寄存器 LDR r0, [r1] ORR r0, r0, #Remap_bit ；假定對控制寄存器進(jìn)行 remap設置 STR r0, [r1] ；接下去可以進(jìn)行從 ROM 到 RAM 的代碼和數據拷貝 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 除此之外，還有另外一種常見(jiàn)的remap方式，如下圖：
圖-6 存儲器重映射舉例 2 原來(lái) RAM 和 ROM 各有自己的地址， 進(jìn)行重映射以后 RAM 和 ROM 的地址都發(fā)生了變化，這種情況下，可以采用以下的方案： （1） 上電后，從 0 地址的 ROM 開(kāi)始往下執行。 （2） 根據映射前的地址，對 RAM 進(jìn)行必要的代碼和數據拷貝。 （3） 拷貝完成后，進(jìn)行 remap操作。 （4） 因為 RAM 在 remap 前準備好了內容，使得 PC 指針能繼續在 RAM 里取到正確的指令。 不同的系統可能會(huì )有多種靈活的 remap方案，根據上面提到的兩個(gè)例子，可以總結出最根本的考慮是： 要使程序指針在 remap以后能繼續往下得到正確的指令。 5. 根據目標存儲器系統分散加載映像（scatterloading） Scatterloading 文件是 ARM 的工具鏈里面的一個(gè)特性，作為程序編譯過(guò)程中給連接器使用的一個(gè)參數，用來(lái)指定最終生成的目標映像文件運行時(shí)的分布狀態(tài)。如果用戶(hù)程序映像只是如圖7 所示的最簡(jiǎn)狀態(tài)，所有的可執行代碼都集合放置在一起，那么可以不使用 Scatterloading 文件，直接用連接器的命令行選項就能夠完成設置： RO = 0x00000：表示映像的第一條指令開(kāi)始地址； RW = 0x10000：表示變量區的起始地址，變量區一定要位于 RAM 區。
圖-7 簡(jiǎn)單的映像分布舉例 但是一個(gè)復雜的系統可能會(huì )把映像分割成幾個(gè)部分。如圖 8，系統中存在多種類(lèi)型的存儲器，不能的代碼部分根據執行性能優(yōu)化的考慮分布與不同的地方。
圖-8 復雜的映像分布舉例 這時(shí)候不能通過(guò)簡(jiǎn)單的 RO、RW 參數來(lái)完成實(shí)現上述配置，就要用到scatterloading 文件了。在 scatterloading文件里，可以給編譯出來(lái)的各個(gè)目標模塊指定運行地址，下面的例子是針對圖8 的。 FLASH 0x20000 0x8000 { FLASH 0x20000 0x8000 { init.o (Init, +First) * (+RO) } 32bitRAM 0x0000 { vectors.o (Vect, +First) handlers.o (+RO) } STACK 0x1000 UNINIT { stackheap.o (stack) } : : 16bitRAM 0x10000 { * (+RW,+ZI) } HEAP 0x15000 UNINIT { stackheap.o (heap) } } 關(guān)于 scatterloading文件的詳細語(yǔ)法，請參閱 ARM 公司的相關(guān)手冊。 引證文獻 1. 辛鑫.蒙建波.羅根 由 C到ARM匯編指令及程序優(yōu)化 [期刊論文] -單片機與嵌入式系統應用2007(06) 2. 楊志強 嵌入式系統設計與發(fā)展 [期刊論文] -青海師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2005(03) 3. 鄧海峰.余慧英.袁可風(fēng) 一種嵌入式圖像處理平臺的設計與實(shí)現 [期刊論文] -計算機應用2005(z1) 4. 劉志勇 基于A(yíng)RM的無(wú)線(xiàn)視頻傳輸硬件系統的初步研究與開(kāi)發(fā) [學(xué)位論文] 碩士2005 5. 劉峰雷 ARM9在新一代元件參數分析儀中的應用 [學(xué)位論文] 碩士2005 6. 王雷 基于A(yíng)RM微處理器的應用研究 [學(xué)位論文] 碩士2005 7. 韓冰 車(chē)流量檢測信號處理系統設計 [學(xué)位論文] 碩士2005 作 者：ARM中國 費浙平 來(lái) 源：?jiǎn)纹瑱C與嵌入式系統應用2003（10） |
