引 言
隨着對高處理能力、實時多任務、超低功耗等方面需求的增長，高端嵌入式處理器已經進入了國內開發人員的視野，並在國內得到了普遍的重視和應用。 ARM 是目前嵌入式領域應用最廣泛的 RISC 微處理器結構，憑藉低成本、低功耗、高性能等優點佔據了嵌入式系統應用領域的領先地位。 ADS 是 ARM 公司推出的 ARM 集成開發環境，提供了對 C 和 C++ 的支持，是目前開發 ARM 的主要工具。本文針對日益縮短的嵌入式開發週期，結合 ARM 系統開發調試經驗，對使用 ARM 標準庫進行應用程序開發作了比較系統的分析。
1 ARM 標準庫介紹
ADS 提供了 ANSI C 和 C++ 標準庫，本文僅討論 ANSI C 庫，該庫包含下面幾個部分：
◇ IS0 C 庫標準所定義的函數；
◇ 在 semlhosted 環境下用來實現 C 庫函數與目標相關的函數；
◇ C 和 C++ 編譯器要使用的 heIper 函數。
該庫提供的諸如文件輸入輸出之類的設備，使用了標準的 ARM semihosted 執行環境 (semihosting 是針對 ARM 目標機的一種機制，它能夠根據應用程序代碼的輸入 / 輸出請求，與運行有調度功能的主機通信，這種技術允許主機爲通常沒有輸入和輸出功能的目標硬件提供主機資源 ) 。 ARMulator 、 Angel 和 Multi-lCE 都支持這個環境，可以使用 ADs 中提供的開發工具開發應用程序，然後在 ARMulator 或者是開發板上運行和調試該程序。如果要使應用系統獨立於這個環境，則必須重新實現 C 庫中依賴於這個環境的相關函數，根據用戶系統的運行環境對 C 庫進行適當的裁減。
使用 ANSI 標準 C 庫進行程序開發，不僅可以提高開發效率而且可以增強程序的可移植性。在程序中使用庫函數，必須先建立一個庫函數可以執行的環境，這些工作都由庫中的函數完成。當應用程序鏈接了 C 庫中的函數時， C 庫中的函數將完成：
◇ 創建 C 程序所需的執行環境 ( 建立棧，如果需要創建一個堆，初始化程序使用的部分庫 ) ；
◇ 調用 main() 函數開始執行 C 程序；
◇ 支持程序使用的 Is0 定義的函數；
◇ 捕獲運行時的錯誤和信號，如果需要，根據錯誤終止執行或程序退出。
2 裁減 ARM 標準 C 函數庫
標準庫中包含了部分依賴於 ARM semihosted 執行環境的函數，這部分函數的函數名中包含有單個或兩個下劃線 “-” ，需要重新實現這部分函數。如果在程序中定義這些函數，則編譯器就會使用新定義的函數，這個過程稱爲庫函數的裁減。一般情況下，只需要重新定義很少的幾個函數就可以使用 C 庫。
ARM 應用系統開始執行用戶應用程序，必須先將應用程序加載到執行域，建立應用程序的執行環境。使用 C 庫時，這些繁瑣的工作就大部分由 c 函數來完成了。彙編程序完成系統初始化後，跳轉到 C 程序的人口 _main()( 注意：不是 main() ，當 C 程序中定義了 main() 主函數時，編譯器就會生成 _main 代碼 ) 。由 _main() 引導庫函數完成 C 執行環境的初始化，具體過程如下：
◇ 將非啓動代碼的 RO 和 RW 執行域代碼從加載域地址複製到執行域地址；
◇ 將 ZI 域清零；
◇ 跳轉到 _rt_entry 。
調用 _main() 將大大簡化彙編啓動代碼的編寫，彙編代碼僅需完成系統硬件的初始化，而沒有必要將代碼從加載域地址複製到執行域地址，以及 ZI 域清零等工作。特別是當使用分佈式加載時 _main() 的作用就更加明顯了。但是 _main() 並沒有建立 C 庫運行必須的環境，這項工作由 _rt_entry() 完成，主要調用過程爲：
◇ 調用 _rt_stackheap_init() 建立堆和棧；
◇ 調用 _rt_lib_init() 初始化引用的庫函數；如果需要，建立 main() 函數的參數 argc 和 argv 等；
◇ 調用 main() 函數，執行應用程序，可以應用庫函數；
◇ 用 main() 函數的返回值作參數調用 exit() 。
_rt_entry 並不是 C 函數，它是用 ARM C 庫編程的起始點。 _rt_entry 不能用 C 語言宴現，因爲這時候堆棧還沒有建立，堆棧由＿ rt_stackheap_init() 來建立。
上面簡單介紹了 C 程序使用庫函數時的調用過程，由 _rt—stackheap_init() 建立 C 庫使用的內存模型－－堆和棧。因爲 ARM 庫是建立在 semihosted 執行環境的，它實現的內存模型是基於這個環境的，所以必須修改這個內存模型建立機制。表 1 列出了需要重新實現的函數，實現了這些函數，應用程序就可以脫離宿主機環境獨立運行了。其中，必須重新實現的是＿ user initial ＿ stackheap() ，因爲默認的實現是基於 semihosted 執行環境的，該函數被＿ n ＿ stackheap ＿ init() 調用創建內存模型，其他兩個函數沒有默認的實現。
實現該函數，必須滿足下面的條件：
◇ 使用不超過 96 字節的棧空間；
◇ 除了 R12(ip) 外不要污染其他寄存器；
◇ 將堆基址、棧基址、堆邊界和棧邊界分別存在 RO ～ R3 作爲返回參數；
◇ 堆必須保持 8 個字節對齊。
實現例程如下：
爲了提高應用程序開發效率和可移植性，希望在目標系統上使用 ARM 庫提供的標準輸人輸出庫函數。
高層輸入輸出函數是不依賴於目標系統環境的，但是高層輸入輸出函數必須調用依賴於目標系統的底層函數，才能實現應用系統的輸入輸出。依據目標系統硬件環境重新定義這些底層函數，就可以使用庫提供的標準 input ／ output 庫函數了。下面以裁減 ARM 標準庫提供的 printf 系列輸出函數爲例來作說明。
標準 I/O 庫中最常用的是 printf 系列函數，包括 _printf() 、 printf() 、 _fprintf() 、 fprintf() 、 vprintf() 和 vfprintf() 。所有這些函數非透明地使用 _FILE ，並且僅依賴於 fputc() 和 ferror() 兩個函數。函數 _printf() 和 _fprintf() 與 printf() 和 fprintf() 的區別僅在於前兩個函數不能格式化浮點值。只要定義了自己的 _FILE 版本和 fputc() 、 ferror() 函數，外加定義一個具有 FILE 類型的 _stdout 變量，就可以不作任何修改地使用 printf 系列、 fwrite() 、 fputs() 和 puts() 函數了。
下面給出了具體實現的模板，可以根據實際需要修改。
#include<stdio ． h>
struct__FILE
{
int handle ； /* 用戶需要的任何代碼 ( 如果使用文件僅是爲了調試使用 prinft 在標準輸出端輸出信息，則不需要任何文件處理代碼 )*/
} ；
FlLE_stdout ； /*FILE 在 stdio.h 中定義爲： typedef struct_
FILE FILE ； */
int fputc(int ch ， FILE*f)
{ /* 用戶實現的 fpute 代碼。輸出一個字符，可以根據需要實現 */
return ch ；
}
int ferror(FILE*f)
{ /* 用戶實現的 ferror 代碼 */
return EOF ；
}
結語
本文分析了 ARM 標準庫的工作機理，給出了裁減 C 庫進行程序開發的關鍵步驟。實際應用時需要根據具體的硬件環境和應用要求裁減 C 庫，提高代碼執行效率。
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