本文主要介绍了在不加载操作系统的情况下,如何使用IAR软件平台进行基于ARM的嵌入式系统开发,包括了底层驱动、I/O控制,中断控制等程序设计。
引言
在项目开发,特别是中小型项目开发中,为了降低开发难度和开发成本,常选择不加载操作系统的方案。本文选择IAR嵌入式开发平台,在不加载操作系统的前提下,使用C语言（约95％）和汇编语言（约5％）,对以ATMEL公司的AT91M40800芯片（ARM7TDMI内核）为主芯片的工业控制系统进行了软件开发。
图1 系统硬件结构
图2 系统软件框架
硬件构架
系统的整体硬件框架如图1所示,该系统基本包括了目前工业控制系统所需要的各种功能,其软件开发十分具有代表性。
IAR集成开发环境
IAR开发平台是瑞典IAR公司开发的基于最新C/C++编译和调试技术的综合开发平台。该平台是一套完整的集成开发环境,可以完成创建工程、编辑文件、编译、汇编、连接和调试应用程序的所有工作;同一个工作空间可放多个工程;可针对单个源文件,一组源文件或者全部源文件进行配置;提供工程模板,支持几乎所有ARM内核;提供ANSI标准C编译器、ISO/ANSI C 和嵌入式C++库;支持包括Wiggler JTAG接口等多种JTAG;提供了多种代码优化方式。
IAR生成的目标代码分为调试版本（Debug）和发行版本（Release）两种。其中Debug目标代码的地址定义在SRAM中,将被下载到SRAM中执行;Release目标代码的地址定义在Flash中,最终大部分在Flash中执行。在程序编译之前需要根据模板编写Debug.xcl和Release.xcl这两个内存分配文件。在IAR提供的工程模板基础上,需要修改的地方有：
-DROMSTART=2000000 -DROMEND=200FFFF //ROM的地址段
-Z(CODE)INTVEC=00-3F -DRAMSTART=2010000 -DRAMEND=207FFFF //RAM的地址段
-D_USR_STACK_SIZE=20000 //栈的大小
-D_SVC_STACK_SIZE=50
-D_FIQ_STACK_SIZE=100
-D_ABT_STACK_SIZE=50
-D_UND_STACK_SIZE=50
-D_IRQ_STACK_SIZE=1000
-D_HEAP_SIZE=2000 //堆的大小
启动代码设计
通常C语言是从main函数开始执行的,在没有操作系统的情况下,对main函数的初始化工作由启动代码来完成,包括硬件初始化、堆栈初始化、各种寄存器的初始化等。
在完成所有的初始化工作以后,用一条跳转指令进入C程序的main函数,程序的控制权转移到C程序。
驱动程序设计
系统的软件框架如图2所示。驱动程序包括设备驱动程序、中断程序以及中断服务程序。首先以Flash驱动设计为例。根据Flash的Datasheet及硬件设计,有以下定义：
#define FLASH_BASE ((volatile USHORT *)(0x01000000)) /*FLASH的基地址*/
/*定义flash的操作代码*/
#define FLASH_SEQ_ADD1 (0x5555)
#define FLASH_SEQ_ADD2 (0x2AAA)
#define FLASH_CODE1 ((USHORT)(0xAA))
#define FLASH_CODE2 ((USHORT)(0x55))
#define ID_IN_CODE ((USHORT)(0x90))
#define ID_OUT_CODE ((USHORT)(0xF0))
#define WRITE_CODE ((USHORT)(0xA0))
#define CHIP_ERASE_CODE ((USHORT)(0x10))
然后编写FLASH功能函数。下面的函数用于验证FLASH的设备ID号：
-ramfunc-farfunc BOOL FLASH_Test(void)
{ //输入命令序列,manuf_code表示生产编号,device_code表示设备编号
USHORT manuf_code,device_ code;
*(FLASH_BASE + FLASH_ SEQ_ADD1) = FLASH_CODE1;
*(FLASH_BASE + FLASH_ SEQ_ADD2) = FLASH_CODE2;
*(FLASH_BASE + FLASH_ SEQ_ADD1) = ID_IN_CODE; //读取生产编号和设备编号
manuf_code = *FLASH_BASE ;
device_code = *(FLASH_BASE + 1) ; //退出产品认证模式
*(FLASH_BASE + FLASH_ SEQ_ADD1) = ID_OUT_CODE; //判断读出的生产编号和设备编号是否正确
return ((manuf_code== 0x001f)%26amp;%26amp;(device_code==0x00c0));
}
中断发生时,ARM内核运行状态会由一般模式（System %26amp; User）进入其它几种模式（包括FIQ、IRQ等）,因此需要保护正在运行的现场（r0"r12通用寄存器）,同时将ARM状态寄存器（CPSR和SPSR）入栈。中断程序使用汇编语言保护寄存器,而中断服务程序可以使用C语言编写。这里以控制步进电机运动的定时器中断为例：
tc0_handler
stmfd sp!, {r14} ;保护寄存器入栈
mrs r14, SPSR
stmfd sp!, {r14}
mrs r14, CPSR
stmfd sp!, {r0-r12,r14}
IMPORT Interrupt_Tc0
ldr r0,=Interrupt_Tc0 ;此处跳转进入C语言中断服务程序Interrupt_Tc0( )
mov lr,pc
bx r0 IntExit ;中断服务程序完毕
ldmia sp!,{r0-r12,r14} ;恢复现场
msr CPSR_cxsf, r14
ldmia sp!,{r14}
msr SPSR_cxsf,r14
ldmia sp!, {r14}
subs pc,lr,#4
值得注意的是,ARM的除法运算采用软件除法方式,会用到r14寄存器,所以也必须加以保护,在中断服务程序完毕后恢复现场,将寄存器依次出栈。
结语
在本系统的开发过程中有如下体会：
1、尽量少用占用大量存储空间的变量（如int buffer[4096]）,系统开销太大,可能造成系统崩溃。
2、慎重使用malloc()这样的内存分配函数。如果使用,一定要在使用完毕后调用free()函数释放内存空间,否则容易造成内存泄漏,甚至系统崩溃。
3、要注意IAR编译器的所有警告信息,仔细查看警告信息的意义。
4、一些经常调用且需要快速处理的模块,考虑使用汇编完成。
5、生成 Release版本目标代码时,Release目录下的exe目录内即为目标文件,而List目录内的*.map文件包含了目标文件内存分配的具体情况,可以根据里面的信息判断内存分配是否存在问题。
按照以上开发方式开发出的某款工控产品,经过了严格测试后,已经推向市场,其可靠性和稳定性均得到了验证。