基于Ｃ語言的ＡＲＭ嵌入式程序設(shè)計教學(xué)探討

文章編號：1672-5913(2008)06-0098-02

摘要：本文探討了基于C語言的ARM嵌入式程序設(shè)計課程中學(xué)生反映不好掌握的一些知識點。

關(guān)鍵詞：ARM嵌入式；C語言；程序設(shè)計；技巧

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

引言

嵌入式C語言程序設(shè)計是利用基本的C語言知識，面向嵌入式工程實際應(yīng)用進(jìn)行程序設(shè)計語言。如何能夠在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中熟練、正確地運用C語言開發(fā)出高質(zhì)量的應(yīng)用程序，是學(xué)習(xí)嵌入式程序設(shè)計的關(guān)鍵。下面介紹基于C語言的ARM嵌入式程序設(shè)計課程中學(xué)生反映不好掌握的一些難點。

1變量定義

先看下面一個例子：

char a; char a;

short b; char c;

char c; short b;

int d; int d;

這里定義的4個變量形式都一樣，只是次序不同，卻導(dǎo)致了在最終映像中不同的數(shù)據(jù)布局，如圖1所示。顯然，第2種方式節(jié)約了更多的存儲空間(Pad為無意義的填充數(shù)據(jù))。

由此可見，在變量聲明時，最好把所有相同類型的變量放在一起定義，這樣可以優(yōu)化存儲器布局。

圖1變量在數(shù)據(jù)區(qū)里的布局

對于局部變量類型的定義，一般情況下，人們總是設(shè)法使用short或char來定義變量，以節(jié)省存儲空間；但是，當(dāng)一個函數(shù)的局部變量數(shù)目有限時，其結(jié)果恰恰相反。因為編譯器會把局部變量分配給內(nèi)部寄存器，每個變量占用一個寄存器，如圖2所示。假定a1是任意可能的寄存器存儲函數(shù)的局部變量，同樣完成加1的操作，32位的int型變量最快，只用1條加法指令。而8位和16位變量，完成加法操作后，還需要在32位的寄存器中進(jìn)行括號擴(kuò)展，其中有符號的變量，要用邏輯左移(LSL)和算術(shù)右移(ASR)2條指令才能完成符號擴(kuò)展；無符號的變量，要使用1條邏輯“與”(AND)指令對符號位進(jìn)行清0。所以，使用32位int或unsingedint局部變量最有效率。

圖2不同類型局部變量的編譯結(jié)果

變量定義中，為了精簡程序，程序員總是竭力避免使用冗余變量。通常情況下這是正確的，但也有例外。

例如：冗余變量的使用與否比較。

int f(void);

int g(void);

int errs;

void test1(void)

{

errs+=f();

errs+=g();

}

void test2(void)

{

int localerrs=errs;

localerrs+=f();

localerrs+=g();

errs=localerrs;

}

在第一種情況test1()里，每次訪問全局變量errs時，都要先從相應(yīng)的存儲器Load到寄存器里，經(jīng)f()或g()函數(shù)調(diào)用后再Store回原來的存儲區(qū)里面。在這個例子里，一共要進(jìn)行2次這樣的Load/Store操作(第一次是Load，第2次是Store)。而在第2種情況test2()里，局部變量localerrs被分配以寄存器，這樣一來，整個函數(shù)就只需1次Load/Store訪問全局變量存儲器。減少存儲器訪問的次數(shù)對于系統(tǒng)性能的改善是非常有好處的。

2參數(shù)傳遞

為了使單獨編譯的C語言程序和匯編程序能夠互相調(diào)用，定義了統(tǒng)一的函數(shù)過程調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)ATPCS(ARM-Thumb Procedure Call Standard)。ATPCS定義了寄存器組中的{R0～R3}作為參數(shù)傳遞和結(jié)果返回寄存器。如果參數(shù)數(shù)目超過4個，則使用堆棧進(jìn)行傳遞。由于內(nèi)部寄存器的訪問速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于存儲器，所以要盡量使參數(shù)傳遞在寄存器里面進(jìn)行，即應(yīng)盡量把函數(shù)的參數(shù)控制在4個以下。例如：從C語言中直接調(diào)用匯編語言函數(shù)：

extern void strcopy(char *d，const char *s);

int main(void){

const char src=“Source”;

char dest[10];

…

strcopy(dest，src);

…

}

AREAStrCopy，CODE，READONLY

EXPORT strcopy

strcopy

LDRBR2，[R1]，#1

STRBR2，[R0]，#1

CMP R2，#0

BNE strcopy

MOVPC，LR

END

例子中的函數(shù)strcopy(dest，src)用匯編來實現(xiàn)。根據(jù)ATPCS的定義，函數(shù)參數(shù)從左到右由寄存器進(jìn)行傳遞，所以在匯編中可直接由R0和R1進(jìn)行引用。這樣，在C語言和匯編語言之間進(jìn)行相互調(diào)用就容易實現(xiàn)了。

3循環(huán)條件

計數(shù)循環(huán)是程序中十分常用的流程控制結(jié)構(gòu)。在C語言中，常用下面累加計數(shù)的循環(huán)形式：

for(loop=1;loop<=limit;loop++)

這種累加計數(shù)的方法符合一般的自然思維習(xí)慣，所以下面這種遞減計數(shù)方法很少使用：

for(loop= limit;loop!=0;loop--)

這2種循環(huán)形式在邏輯上并沒有效率差異，但是映射到具體的體系結(jié)構(gòu)中時，就產(chǎn)生了很大的不同，如圖3所示。

圖3不同的循環(huán)條件設(shè)置比較

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，累加法比遞減法多用了1條指令，當(dāng)循環(huán)次數(shù)比較大時，這2段代碼就會在性能上產(chǎn)生明顯的差異。

其本質(zhì)原因是：當(dāng)進(jìn)行一個非0常數(shù)比較時，必須用專門的CMP指令來執(zhí)行；而當(dāng)一個變量與0進(jìn)行比較時，ARM指令則可直接利用條件執(zhí)行的特性(NE)來進(jìn)行判別。因此，在ARM的體系結(jié)構(gòu)下編程，最好采用遞減至0的方法來設(shè)置循環(huán)條件。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁合慶等. 從C到嵌入式C編程語言[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

[2] 田澤. 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[3] 杜春雷. ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[4] 桑楠. 嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用開發(fā)技術(shù)[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社，2002.