上期主要介绍了基于ARM的嵌入式系统软件开发中，怎样来对必要的C库函数进行移植和重定向，以及如何根据不同的目标存储器系统进行程序编译和连接设置。本期介绍程序中的存储器分配和如何根据设置正确初始化系统。
放置堆栈和heap
Scatterloading机制提供了一种指定代码和静态数据布局的方法。下面介绍如何放置应用程序的堆栈和heap。
* _user_initial_stackheap重定向
应用程序的堆栈和heap是在C库函数初始化过程中建立起来的。可以通过重定向对应的子程序来改变堆栈和heap的位置，在ADS的库函数中，即_user_initial_stackheap()函数。
_user_initial_stackheap()可以用C或汇编来实现，它必须返回如下参数：
r0：heap基地址；
r1：堆栈基地址；
r2：heap长度限制值(需要的话)；
r3：堆栈长度限制值。
当用户使用分散装载功能的时候，必须重调用_user_initial_stackheap()，否则连接器会报错：
Error： L6218E： Undefined symbol Image$$ZI$$Limit (referred from sys_stackheap.o)
图9 重定向_user_initial_stackheap()
*存储器模型
ADS提供了两种实时存储器模型。缺省时为one-region，应用程序的堆栈和heap位于同一个存储器区块，使用的时候相向生长，当在heap区分配一块存储器空间时需要检查堆栈指针。另一种情况是堆栈和heap使用两块独立的存储器区域。对于速度特别快的RAM，可选择只用来作堆栈使用。为了使用这种two-region模型，用户需要导入符号 use_two_region_memory，heap使用需要检查heap的长度限制值。
对这两种模型来说，缺省情况下对堆栈的生长都不进行检查。用户可以在程序编译时使用 -apcs/swst 编译器选项来进行软件堆栈检查。如果使用two-region模型，必须得在执行_user_initial_stackheap时指定一个堆栈限制值。
系统复位和初始化
目前情况，一般假设程序从C库函数的初始化入口_main开始执行。实际上，所有的嵌入式程序在启动时都要执行一些系统级的初始化操作。在此讨论这方面的内容。
初始化过程
图10 基本初始化过程
图10中显示了一个基于ARM的嵌入式系统的基本初始化过程。可以看到，在_main之前加入了一个复位处理模块reset handler，它在系统上电复位时立即启动。标识为$sub$$main的新代码块在进入主程序之前执行。
复位处理模块reset handler通常是一小段汇编代码，在系统复位时执行。它至少完成应用程序中使用到的所有处理器模式的堆栈初始化工作。对于含有本地存储器系统的内核 (比如含cache的ARM内核)，配置工作也必须在这一段初始化过程中完成。当完成系统初始化之后，通常程序会跳向_main，开始C库函数的初始化过程。
系统初始化过程一般还包括另外一些内容，中断使能等，这些大多安排在C库函数的初始化完成之后执行。$sub$$main()完成这部分功能。
向量表(vector table)
所有的ARM系统都有一张中断向量表当出现异常需要处理时，必须调用向量表。向量表一般要位于0地址处。
存储器配置
*ROM/RAM重定向
当系统启动的时候，为了保证0地址处有正确的启动代码存在，需要非易失性的存储器。
一种简单的方法，就是把系统0x0000开始的一块地址分配给ROM。其缺点是，由于ROM的访问速度比RAM慢很多，当执行中断响应需要从中断向量表跳转时，会给系统性能带来损失；同时，在ROM中的向量表内容也不能被用户程序动态修改。
图11 ROM/RAM重定向和映射
另外一种可行的方案如图11所示。ROM位于地址0x1000开始的地方，但是在系统复位时又被存储器控制器映射到0x0000地址处。这样当系统启动之后，在地址0x0000看到的是ROM，系统执行这块ROM中的启动代码，启动代码跳转到真正的ROM的地址，并让存储器控制器移除对ROM的地址映射。这时0x0000地址处的存储器又恢复回了RAM。__main中的代码把向量表copy到0x0000处的RAM中去，使得异常时能被正确响应。
表1
表1 为ARM汇编中执行ROM/RAM重定向和映射的一个例子。它以ARM公司的Integrator平台为基础的，该方法适用于类似ROM/RAM重定向方法的所有平台。第一条指令完成从ROM的映射地址(0x00000)到真实地址的跳转。地址标号instruct_2是ROM的真实地址 (0x180004)。然后通过设置Integrator平台上的相应控制寄存器，移除ROM的地址映射。代码在系统一启动就被执行。所有关于地址重定向 /映射的操作必须在C库函数初始化之前完成。
*本地存储器配置
许多ARM处理器都有片上存储器系统，如cache和紧密耦合存储器(TCM)、存储器管理单元(MMU)或存储器保护单元(MPU)。这些设备都要在系统初始化过程中正确配置，并且有一些特殊的要求需要考虑。
由前文可知，_main中的C库函数初始化代码负责程序运行时的存储器系统设置。因此，整个存储器系统本身必须得在__main之前完成初始化工作，如MMU或MPU必须在reset handler里面完成配置。
紧密耦合存储器(TCM)的初始化同样须在_main之前完成(通常在MMU/MPU之前)，因为一般程序都需要把代码和数据分散装入TCM。需要注意的是当TCM被使能后，不再访问被TCM屏蔽的存储器。
关于cache的一致性问题，如果cache在_main之前使能的话，那么当_main里面进行从装载区到执行区的代码和数据拷贝时(因为在拷贝过程中指令和数据在本质上都是被当作数据处理)，指令会出现在数据缓冲区。避免此问题的方法是在C库函数初始化完成后再使能cache。
*Scatter loading与存储器配置
无论是通过ROM/RAM重定向还是MMU配置的方法，如果系统在启动和运行时存储器分布不一致，scatterloading文件中的定义就要按照系统重定向后的存储器分布情况进行。
以上文ROM/RAM重定向为例：
LOAD_ROM 0x10000 0x8000
{
EXE_ROM 0x10000 0x8000
{
reset_handler.o ( RO, FIRST)
...
}
RAM 0x0000 0x4000
{
vectors.o ( RO, FIRST)
...
}
}
装载区LOAD_ROM被放置在0x10000处，代表了重定向之后代码和数据的装载地址。
堆栈的初始化
程序中可能用到的处理器模式，都需要定义一个堆栈指针。
表2
在表2中，堆栈位于 stack_base标识的地址中。这个符号可以是存储器系统中的一个直接地址，也可以在另外的汇编文件中定义，由scatter文件来定义分配地址。表 2代码为FIQ和IRQ模式各分配了一个256字节的堆栈，用户可以用同样的方法为其他模式也分配堆栈。最简单的方法就是进入相应的模式，然后为SP寄存器指定相应的值。如果想使用软件堆栈检查，还必须指定一个堆栈长度限制值。
堆栈指针和堆栈限制的数值会作为参数自动传递到C库函数的初始化代码__user_initial_stackheap中，在__user_initial_stackheap中不应该修改这些值。
硬件初始化 $sub$$main()
一般来说，应该把所有的系统初始化代码与主应用程序分离开来，但是有几个例外，比如cache和中断的使能，需要在C库函数初始化之后执行。
表3
表3代码显示了如何使用 $sub和 $supper 。连接器把呼叫main()的函数替换成呼叫$sub$$main()，完成cache和中断的使能，并最终跳向main()。
执行模式考虑
为主应用程序选择一个处理器执行模式非常重要，这取决于系统的初始化代码。
许多在启动过程中使用到的功能，如MMU/MPU的配置、中断的使能等，只能在特权级模式下进行。如果需要在特权极模式下运行自己的应用程序，只要在退出初始化过程之前改变到相应的模式就行了，没有其他任何问题。
如果使用user模式，必须保证所有只能在特权模式下执行的功能完成之后，才能进入user模式。因为system模式和user模式使用相同的寄存器组， reset handler应该从system模式退出，_user_initial_stackheap在system模式下完成应用程序堆栈的初始化。这样在处理器进入user模式后，所有的堆栈空间都已经被正确设置好了。
对存储器布局的进一步考虑
在scatter文件中分配硬件地址
虽然可以在一个scatter文件中描述代码和数据的分散布局，但是目标硬件中的外设寄存器，堆栈和heap配置仍然直接采用硬件地址在程序源代码中进行设置。如果把所有存储器地址相关的信息都在scatter文件中进行定义，避免在源文件中引用绝对硬件地址，对程序的工程化管理是有大好处的。
*在scatter文件中定义目标外设地址
通常外设寄存器的地址在程序文件或头文件中定义，也可以声明一个结构类型指向外设寄存器，结构的地址定位在scatter文件中完成。
举例来说，目标定时器上有2个32位的寄存器，可以用表4来映射这些寄存器。为了把结构放置在指定的存储器地址上面，创建一个新的执行区(见表5)。scatter文件便把timer_regs结构定位在了地址0x40000000。
表4
表5
注意，在启动过程当中这些寄存器的内容不需要清零，改变寄存器的内容可能影响系统状态。在执行区上加UNINIT属性可以防止ZI数据在初始化过程中被清零。
在scatter文件中分配堆栈和heap
在许多情况下，用scatter文件来定义堆栈和heap的地址会带来一些好处，主要有：所有的存储器分配信息集中在一个文件里；改变堆栈和heap的地址只要重新连接就行了，不需要重新编译。
*显式地放置符号
在ADS1.2环境下，这是最简单的方法。在前文中引用过2个符号stack_base和heap_base，这2个符号在汇编模块中创建，在scatter文件中各自的执行区里定位(见表6)。
表6
表7
表7文件中，heap基地址定位在0x20000上，堆栈基地址位于0x40000。现在heap和堆栈的位置就可以非常方便地进行编辑了。
*使用连接器产生的符号
这种方法需要在目标文件中指定好heap和堆栈的长度。这在一定程度上减弱了本节开头描述的两个优点。
首先在汇编源程序中定义heap和堆栈的长度。关键词SPACE用来保留一块存储器空间，NOINT则可以阻止清零操作(见表8)。注意在这里的源文件中并不需要地址标号。
表8
然后这些部分就可以在scatter文件中对应的执行区里定位了(见表9)。连接器产生的符号指向每一个执行区的基地址和长度限制，这些符号可以被 _user_initial_stackheap调用的重定向代码使用。在代码中使用DCD来给这些值定义更有意义的名字，可以增强代码的可读性(见表 10)。
表9
表10
文件把heap基地址定位在0x15000，堆栈地址定位在0x4000。Heap和堆栈的位置可以通过编辑对应执行区的地址方便地改变。