中斷調(diào)用方式的ARM二次開(kāi)發(fā)接口設(shè)計(jì)

　　通過(guò)對(duì)現(xiàn)有嵌入式二次開(kāi)發(fā)技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)3個(gè)問(wèn)題。問(wèn)題一，現(xiàn)有嵌入式二次開(kāi)發(fā)技術(shù)主要是直接給用戶提供系統(tǒng)函數(shù)的OBJ中間文件，以及函數(shù)聲明的頭文件。用戶通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)編寫(xiě)自己的程序，進(jìn)行編譯鏈接后直接燒錄進(jìn)芯片進(jìn)行使用，但是這樣會(huì)造成芯片存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)。問(wèn)題二是系統(tǒng)程序函數(shù)的安全問(wèn)題，它直接給用戶提供系統(tǒng)OBJ中間文件，通過(guò)反編譯能夠很容易地破解出原有系統(tǒng)函數(shù)，系統(tǒng)程序的保密性將大大地降低。問(wèn)題三是用戶編寫(xiě)程序的復(fù)雜性問(wèn)題，一般專業(yè)的嵌入式工程師編寫(xiě)的系統(tǒng)函數(shù)考慮到重用性，會(huì)把一些過(guò)程細(xì)分為多個(gè)子函數(shù)，普通用戶為實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能也需要調(diào)用多個(gè)函數(shù)，對(duì)于二次開(kāi)發(fā)十分不利。函數(shù)一般采用嵌入式專業(yè)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行命名，普通用戶很難通過(guò)函數(shù)名直接了解此函數(shù)具體的用途。

1 存在的問(wèn)題與解決方法

圖1 基于嵌入式系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)程序結(jié)構(gòu)示意圖

　　二次開(kāi)發(fā)接口的構(gòu)架如圖1所示，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)接口可以輕松地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序和用戶應(yīng)用程序的分離。

　　通過(guò)這種應(yīng)用程序和系統(tǒng)程序的分離方式，可以輕松地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序的升級(jí)和應(yīng)用程序的通用。

1.1 Flash存儲(chǔ)問(wèn)題

　　系統(tǒng)程序中自帶函數(shù)Funtion1實(shí)體、Funtion3實(shí)體，如果用戶自己定制的應(yīng)用程序中還需使用到Funtion1和Funtion3這2個(gè)函數(shù)，則在編譯應(yīng)用程序文件的時(shí)候，編譯器會(huì)從系統(tǒng)提供的OBJ文件中把Funtion1和Funtion3這2個(gè)函數(shù)的實(shí)體再次編譯鏈接進(jìn)入bin文件，從而造成bin文件的冗余。當(dāng)把應(yīng)用程序的bin文件燒錄至Flash中時(shí)會(huì)浪費(fèi)大量的空間資源。其結(jié)果如圖2所示。

圖2 Flash ROM存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖

　　針對(duì)Flash的冗余問(wèn)題，筆者提出了一個(gè)方案，就是在應(yīng)用程序中保存的不是系統(tǒng)函數(shù)本身，而是其地址，當(dāng)運(yùn)行到那個(gè)函數(shù)的時(shí)候則實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)到指定地址，函數(shù)運(yùn)行完成后跳轉(zhuǎn)回來(lái)，應(yīng)用程序繼續(xù)執(zhí)行下去。

1.2 系統(tǒng)函數(shù)的安全問(wèn)題

　　因?yàn)槭褂没?.1節(jié)中的地址直接跳轉(zhuǎn)方式，所以不需再向用戶提供函數(shù)體本身，而是提供函數(shù)體的地址，相對(duì)于原始方法來(lái)說(shuō)進(jìn)行反編譯更難。

1.3 簡(jiǎn)化代碼編寫(xiě)難度

　　可以針對(duì)用戶群進(jìn)行函數(shù)的二次封裝，把一些實(shí)現(xiàn)整體動(dòng)作的函數(shù)，重新打包成一個(gè)新的函數(shù)，函數(shù)名直接采用直譯方式命名，更易明白。比如顯示屏特定位置顯示字符的過(guò)程，可以直接把清屏、輸出指針移動(dòng)、輸出字符這3個(gè)函數(shù)封閉在一起。

2 改進(jìn)方案

　　在實(shí)現(xiàn)接口的設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)2個(gè)問(wèn)題。第1個(gè)問(wèn)題，在給用戶提供可用函數(shù)庫(kù)的時(shí)候需要提供所有函數(shù)的地址，對(duì)于二次接口的編寫(xiě)者來(lái)說(shuō)工作量比較大。第2個(gè)問(wèn)題，在系統(tǒng)程序更新后，所有函數(shù)在Flash中存放的地址會(huì)發(fā)生變動(dòng)，在更新以前編寫(xiě)的應(yīng)用程序都需要重新定義函數(shù)地址才可以再次使用。這一點(diǎn)不利于用戶應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，沒(méi)有考慮到應(yīng)用程序的通用性。

　　通過(guò)研究中斷過(guò)程發(fā)現(xiàn)，可以借鑒DOS中斷響應(yīng)時(shí)的跳轉(zhuǎn)原理來(lái)解決以上2個(gè)問(wèn)題。比如21號(hào)DOS的中斷調(diào)用：

MOV AH 4CH

INT 21H

是返回DOS系統(tǒng)的通過(guò)給AH寄存器賦值4CH，然后調(diào)用INT 21H指令，計(jì)算機(jī)就會(huì)根據(jù)AH寄存器中的值執(zhí)行相應(yīng)的操作。其中，4CH返回DOS系統(tǒng)，還可以給AH寄存器賦其他值[2]。

　　同理這里提出了一種基于上面函數(shù)地址跳轉(zhuǎn)的改進(jìn)方法，即通過(guò)設(shè)置一個(gè)中間跳轉(zhuǎn)函數(shù)（這里函數(shù)名設(shè)置為SysCallLib）來(lái)解決接口的設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的 2個(gè)問(wèn)題。改進(jìn)的基于地址跳轉(zhuǎn)方法的實(shí)現(xiàn)效果如圖3所示。通過(guò)這種方法，把SysCallLib函數(shù)體固定在特定的地址，用戶只需要知道一個(gè)地址即可實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)。SysCallLib函數(shù)體內(nèi)部通過(guò)Case語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部函數(shù)的跳轉(zhuǎn)。

圖3 改進(jìn)的基于地址跳轉(zhuǎn)方法的Flash ROM存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖

3 二次開(kāi)發(fā)接口的建立

3.1 GCC開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立

　　GNU 工具鏈在ARM產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中使用的很廣泛，有些為ARM打造的開(kāi)發(fā)工具也是基于GNU 工具鏈的。在目前，支持CM3的GNU工具鏈可以由CodeSourcery網(wǎng)站免費(fèi)下載。

　　而GNU的C編譯器則在以后支持CortexM3。和其他ARM開(kāi)發(fā)工具相似，GNU工具鏈也包含了編譯器、匯編器和鏈接器，使得源代碼既可以使用C語(yǔ)言，也可以使用匯編完成，基于GNU工具鏈的開(kāi)發(fā)模式圖如圖4 所示[3]。

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