单片机指针替换原理
21ic 2024-06-14

引言

CortexM0/M0+是RISC类型的低端ARM内核,其指令集与高端ARM兼容,在性能、功耗和价格方面远优于传统的以8051、68S08/12等为代表的8/16位CISC(复杂指令流)CPU。目前,各半导体厂商纷纷以之替代原有的8/16位MCU内核,32位ARM MCU全面替代8/16位MCU已是大势所趋。

CortexM0+将CortexM0的3级流水线简化为2级,并进一步降低功耗、提高性能,这些优点使得CortexM0+成为目前8/16位处理器较好的替代者。不过

替代8/16位MCU的低端ARM往往内存资源非常有限,目前典型的CortexM0/M0+ MCU往往仅有2 KB、4 KB或8 KB,最多16 KB片内RAM。Flash一般也不大于64KB。对这类MCU编程,使用短指针变量就够了。而目前ARM处理器的集成开发环境(IDE)中的C编译器,延续CortexM3/M4的使用传统,仍使用32位长指针变量。这无形中多占用了1倍的RAM资源。这里以飞思卡尔ARM CortexM0+处理器中的Kinetis 系列MCU为例,说明如何使用16位短指针替代32位长指针,以便在将原有的以8/16位MCU为核心的产品升级到采用32位ARM内核时,不增加系统开销。特别是若使用了实时操作系统,系统的内存会更加紧张。在专门面向CortexM0/M0+的集成开发环境(IDE)推出前,可使用本文提供的替换方法,以降低系统的RAM开销,提升系统的性能。


1 指针替换原理

32位ARM内核的内部寄存器都是32位的,其寻址空间可以达到4 GB,通常也应使用32位的地址指针。但在数据空间、程序空间和I/O空间都不大于64 KB的情况下,可以采用1个32位基地址加1个16位偏移量的方法,合成ARM需要的长指针。

以CortexM0+为内核的MCU,其SRAM、FLASH很少超过64 KB,一般使用16位的偏移量指针就能满足需要。

以Freescale公司的KL25Z128 MCU为例,有16 KB SRAM和128 KB FLASH存储空间。其SRAM的地址范围是0x1FFF_F000~0x2000_2FFF[1],使用16位的偏移量指针便可以满足寻址范围的要求。

图1说明了长指针替换方法的基本原理,通过使用一个32位的RAM基地址,完成原始32位绝对地址与相对基地址的16位相对偏移地址的相互转化。

其转化关系如下所示:

Address_32bits=Address_16bits+Address_base(1)

Address_16bits=Address_32bits-Address_base(2)

对于KL25Z128 ,Address_base基地址值可选择为0x1FFF_F000。通过以上方法的转化,32位的地址空间0x1FFF_F000~0x2000_2FFF(16 KB)可以转化为16位的地址空间0x0000~0x3FFF(16 KB)。


2 指针替换方案


2.1 常量形式实现方案

以下使用Freescale公司推荐的IDE CodeWarrior v10.5予以说明。

typedef unsigned short pointer_16;

#define address_base 0x1ffff000Lu

/*定义基地址*/

#define addr_16(pt_addr_32)((unsigned short)((unsignedint)pt_addr_32 - address_base))

/*32位地址指针转换为16位地址“指针”*/

#define addr_32(pt_addr_16)((unsigned int)((unsigned int)pt_addr_16 + address_base))

/*16位地址“指针”转换为32位地址“指针”*/

程序中利用宏定义了一个32位常数的基地址,显然也可以使用一个全局变量或寄存器变量来存储基地址。在将长指针变量pt_addr_32转化为16位地址“指针”时,需先将指针变量pt_addr_32做强制类型转化,变为32位无符号数后再进行基地址扣除的计算。该段代码还声明了一个16位无符号数的数据类型pointer_16,用来定义或存储16位地址偏移量,例如使用如下语句来定义一个16位的指针变量:

pointer_16 pt16_data = addr_16(&data);

pt16_data的值便是指向data的16位“指针”(转化而成的16位地址偏移量值),编译器编译出的汇编代码如下所示:

69pt16_data = addr_16(&data);

00000a06:ldr r3,[pc,#72]//R3指向data

00000a08:uxth r2,r3//16位 R3送32位 R2

00000a0a:adds r3,r7,#4//R3指向pt16_data

00000a0c:movs r1,#128//R1 = 0x80

00000a0e:lsls r1,r1,#5//生成基地址补码

00000a10:adds r2,r2,r1//R2=32位指针-基地址

00000a12:strh r2,[r3,#0]//存储R2低16位

00000a50:1FFF_F020//存储data地址

需要将16位地址转化为长指针时,以下面的整型数据赋值操作为例:

int temp = *(int*) (addr_32(pt16_data));

数据data的值赋值给了变量temp,其中int数据类型可以替换成任意其他的数据类型(例如unsigned int、unsigned short、short、unsigned char、char等)。


2.2 高组寄存器优化方案

CortexM系列内核是专门为ARM MCU设计的,仅支持无条件执行的Thumb指令。CortexM0/M0+使用ARMv6指令集,而CortexM3/M4使用ARMv7指令集。ARMv6 对ARMv7做了高度简化,仅保留了其中56条指令。指令中除个别32位指令外,都是16位指令。CortexM0/M0+的内部寄存器结构与高端ARM兼容,但低端MCU应用往往不需要那么多寄存器,CortexM0/M0+仅提供了R0~R12共13个通用寄存器。这些通用寄存器分为两部分:低组寄存器(Low registers,R0~R7),高组寄存器(High registers,R8~R12)[2]。CortexM0/M0+牺牲了大量面向高组寄存器的指令,尽量减少32位指令的使用。实际上CortexM0/M0+的指令集中仅有以下3条指令支持高组寄存器R8~R12:

MOV ,;寄存器间数据传送

ADD, ;基地址+偏移量

CMP, ;地址的比较

这里Rd和Rm之一可以是高组寄存器。可以看出,对于高组寄存器,ARMv6仅保留了高低组寄存器间数据传递、不影响标志位的加法运算和单独的地址比较这3种操作,其用处显然是为了支持将高组寄存器用于地址运算。

目前基于gcc的主流ARMC编译器对CortexM0/M0+的高组寄存器采取尽量不予使用的策略,在定义指针变量时,仅使用长指针。而分析ARMv6指令集的设计初衷,显然应该用高组寄存器和相关指令。这对于旨在替代8/16位MCU的低成本ARM器件非常必要。

实际上,应用程序中可通过MOV指令将R8~R11初始化成“寄存器常数”,而以后不再改变它们的值。例如可以令:

R8,= 0用于低寄存器的快速清零

R9,=RAM基地址用于拼接长指针

R10,= I/O模块基地址

R11,=库函数基地址

当FLASH存储器空间不大于64 KB时,函数指针无需设定基地址,可以直接使用低16位作为16位指针。对于超过64 KB的FLASH,可以使用库函数基地址,采用类似分页的方法实现16位指针替换。

最后一个高组寄存器R12可在响应中断时和R0~R3,PC、SP一同自动入栈,是用户可以使用的寄存器变量。

2.1节中提出的宏定义方案形式上简单清楚,但展开后需要多条指令才能完成。将Address_base作为寄存器变量,存放在R8~R12中的某个高组寄存器中,而不是使用宏定义常量或全局变量。由于C语言不能直接对通用寄存器进行操作,需通过将汇编嵌入到C语言中实现长指针的替换。在程序初始化时,将R8~R12中的一个寄存器初始化为Address_base的值,例如下面给出的语句:

asm("LDR r1, =0x1ffff000"); //R1=基地址

asm("MOV R9, R1"); //R9=R1,即基地址

R9寄存器初始化后无需再修改,是一个“寄存器常数”。对于已经存储在R0中的长指针,则使用如下汇编代码,很容易将其转化为16位地址:

asm("MOV R1, R9");//R1=基地址

asm("SUB R0, R0, R1"); //R0=R0-R1,R0低16位即16位

//短指针值

代码首先将R9寄存器存储的基地址转移到R1寄存器,随后利用单条指令完成从R0寄存器所存长指针值减去R1中存储的基地址,并将所得结果保存在R0中。执行完成后,R0低16位便是转化后的16位地址。16位地址转化为长指针是类似的转化形式(SUB指令换为ADD指令),在此不再赘述。这种方法充分利用了内核提供的高组寄存器,并且简化了指针转化的算法,减少了所需指令的数目,提高了运行效率,缩短了转换时间,降低MCU因指针替换而产生的时间损失。转换所需指令数目也压缩到两条,减少转换过程所带来的额外指令代码的存储空间开销。


3 指针替换结果

μC/OS(含μC/OSII、μC/OSIII)是适用于低成本MCU的多任务实时内核。以μC/OS为例,当最大任务数为10时,整个内核需使用12个全局指针型变量,而非指针型变量仅需占用8字节RAM空间。若使用默认的长指针模式,共需12×4+8=56字节;若改用短指针,则需使用12×2+8=32字节。任务数目、任务间通信机制增多时,指针变量的使用将更频繁,本文介绍的方法所节约的RAM空间也更加显著。在CortexM0/M0+处理器替代8/16位MCU的应用中,非常有必要使用短指针。

最新版本的μC/OSIII针对带有计算前导零硬件指令(CLZ)的CortexM3/M4处理器进行了重大改进,提高了其优先级任务搜索的效率。但CortexM0/M0+的ARMv6指令集简化掉了CLZ指令,故不适宜使用μC/OSIII。这里以运行μC/OSII v2.92(最多256个任务)为例,说明指针替换效果。实际上对于内存紧张的MCU,μC/OSII v2.82及以下的版本(最多64个任务)就足够用了。

μC/OSII每个任务都需要使用任务控制块TCB(Task Control Block)的数据结构,来维护任务相关的信息[3]。在μC/OSII v2.92中,每个任务的TCB数据结构包含9个指针变量,采用本文描述的16位指针替换方法后,每个任务控制块均可以节省18字节的RAM空间。在μC/OSII中还存在很多数据结构,均包含着大量的指针变量。这些数据结构采用本文描述的方法所节约的RAM空间如表1所列。

表1 μC/OSII数据结构内存占用情况对比

注:其中X为OS_LOWEST_PRIO,由用户进行配置,典型值为63。表中内存占用大小是笔者根据ucos_ii.h文件进行统计的,实际占用内存可能会由于用户配置不同而略有差异。

可以看出,以16位短指针替代ARM编译器默认的32位长

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