引言

CortexM0/M0+是RISC類型的低端ARM內(nèi)核，其指令集與高端ARM兼容，在性能、功耗和價(jià)格方面遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的以8051、68S08/12等為代表的8/16位CISC（復(fù)雜指令流）CPU。目前，各半導(dǎo)體廠商紛紛以之替代原有的8/16位MCU內(nèi)核，32位ARM MCU全面替代8/16位MCU已是大勢所趨。

CortexM0+將CortexM0的3級(jí)流水線簡化為2級(jí)，并進(jìn)一步降低功耗、提高性能，這些優(yōu)點(diǎn)使得CortexM0+成為目前8/16位處理器較好的替代者。不過

替代8/16位MCU的低端ARM往往內(nèi)存資源非常有限，目前典型的CortexM0/M0+ MCU往往僅有2 KB、4 KB或8 KB，最多16 KB片內(nèi)RAM。Flash一般也不大于64KB。對(duì)這類MCU編程，使用短指針變量就夠了。而目前ARM處理器的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)中的C編譯器，延續(xù)CortexM3/M4的使用傳統(tǒng)，仍使用32位長指針變量。這無形中多占用了1倍的RAM資源。這里以飛思卡爾ARM CortexM0+處理器中的Kinetis 系列MCU為例，說明如何使用16位短指針替代32位長指針，以便在將原有的以8/16位MCU為核心的產(chǎn)品升級(jí)到采用32位ARM內(nèi)核時(shí)，不增加系統(tǒng)開銷。特別是若使用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的內(nèi)存會(huì)更加緊張。在專門面向CortexM0/M0+的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)推出前，可使用本文提供的替換方法，以降低系統(tǒng)的RAM開銷，提升系統(tǒng)的性能。

1 指針替換原理

32位ARM內(nèi)核的內(nèi)部寄存器都是32位的，其尋址空間可以達(dá)到4 GB，通常也應(yīng)使用32位的地址指針。但在數(shù)據(jù)空間、程序空間和I/O空間都不大于64 KB的情況下，可以采用1個(gè)32位基地址加1個(gè)16位偏移量的方法，合成ARM需要的長指針。

以CortexM0+為內(nèi)核的MCU，其SRAM、FLASH很少超過64 KB，一般使用16位的偏移量指針就能滿足需要。

以Freescale公司的KL25Z128 MCU為例，有16 KB SRAM和128 KB FLASH存儲(chǔ)空間。其SRAM的地址范圍是0x1FFF_F000～0x2000_2FFF[1]，使用16位的偏移量指針便可以滿足尋址范圍的要求。

圖1說明了長指針替換方法的基本原理，通過使用一個(gè)32位的RAM基地址，完成原始32位絕對(duì)地址與相對(duì)基地址的16位相對(duì)偏移地址的相互轉(zhuǎn)化。

其轉(zhuǎn)化關(guān)系如下所示：

Address_32bits=Address_16bits+Address_base(1)

Address_16bits=Address_32bits-Address_base(2)

對(duì)于KL25Z128 ，Address_base基地址值可選擇為0x1FFF_F000。通過以上方法的轉(zhuǎn)化，32位的地址空間0x1FFF_F000~0x2000_2FFF(16 KB)可以轉(zhuǎn)化為16位的地址空間0x0000~0x3FFF(16 KB)。

2 指針替換方案

2.1 常量形式實(shí)現(xiàn)方案

以下使用Freescale公司推薦的IDE CodeWarrior v10.5予以說明。

typedef unsigned short pointer_16;

#define address_base 0x1ffff000Lu

/*定義基地址*/

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

/*32位地址指針轉(zhuǎn)換為16位地址“指針”*/

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

/*16位地址“指針”轉(zhuǎn)換為32位地址“指針”*/

程序中利用宏定義了一個(gè)32位常數(shù)的基地址，顯然也可以使用一個(gè)全局變量或寄存器變量來存儲(chǔ)基地址。在將長指針變量pt_addr_32轉(zhuǎn)化為16位地址“指針”時(shí)，需先將指針變量pt_addr_32做強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)化，變?yōu)?2位無符號(hào)數(shù)后再進(jìn)行基地址扣除的計(jì)算。該段代碼還聲明了一個(gè)16位無符號(hào)數(shù)的數(shù)據(jù)類型pointer_16，用來定義或存儲(chǔ)16位地址偏移量，例如使用如下語句來定義一個(gè)16位的指針變量：

pointer_16 pt16_data = addr_16(&data);

pt16_data的值便是指向data的16位“指針”（轉(zhuǎn)化而成的16位地址偏移量值），編譯器編譯出的匯編代碼如下所示：

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//生成基地址補(bǔ)碼

00000a10:adds r2,r2,r1//R2=32位指針-基地址

00000a12:strh r2,[r3,#0]//存儲(chǔ)R2低16位

00000a50:1FFF_F020//存儲(chǔ)data地址

需要將16位地址轉(zhuǎn)化為長指針時(shí)，以下面的整型數(shù)據(jù)賦值操作為例：

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

數(shù)據(jù)data的值賦值給了變量temp，其中int數(shù)據(jù)類型可以替換成任意其他的數(shù)據(jù)類型(例如unsigned int、unsigned short、short、unsigned char、char等)。

2.2 高組寄存器優(yōu)化方案

CortexM系列內(nèi)核是專門為ARM MCU設(shè)計(jì)的，僅支持無條件執(zhí)行的Thumb指令。CortexM0/M0+使用ARMv6指令集，而CortexM3/M4使用ARMv7指令集。ARMv6 對(duì)ARMv7做了高度簡化，僅保留了其中56條指令。指令中除個(gè)別32位指令外，都是16位指令。CortexM0/M0+的內(nèi)部寄存器結(jié)構(gòu)與高端ARM兼容，但低端MCU應(yīng)用往往不需要那么多寄存器，CortexM0/M0+僅提供了R0~R12共13個(gè)通用寄存器。這些通用寄存器分為兩部分：低組寄存器(Low registers，R0~R7)，高組寄存器(High registers，R8~R12)[2]。CortexM0/M0+犧牲了大量面向高組寄存器的指令，盡量減少32位指令的使用。實(shí)際上CortexM0/M0+的指令集中僅有以下3條指令支持高組寄存器R8~R12：

MOV ,；寄存器間數(shù)據(jù)傳送

ADD, ；基地址+偏移量

CMP, ；地址的比較

這里Rd和Rm之一可以是高組寄存器。可以看出，對(duì)于高組寄存器，ARMv6僅保留了高低組寄存器間數(shù)據(jù)傳遞、不影響標(biāo)志位的加法運(yùn)算和單獨(dú)的地址比較這3種操作，其用處顯然是為了支持將高組寄存器用于地址運(yùn)算。

目前基于gcc的主流ARMC編譯器對(duì)CortexM0/M0+的高組寄存器采取盡量不予使用的策略，在定義指針變量時(shí)，僅使用長指針。而分析ARMv6指令集的設(shè)計(jì)初衷，顯然應(yīng)該用高組寄存器和相關(guān)指令。這對(duì)于旨在替代8/16位MCU的低成本ARM器件非常必要。

實(shí)際上，應(yīng)用程序中可通過MOV指令將R8~R11初始化成“寄存器常數(shù)”，而以后不再改變它們的值。例如可以令：

R8，= 0用于低寄存器的快速清零

R9，=RAM基地址用于拼接長指針

R10，= I/O模塊基地址

R11，=庫函數(shù)基地址

當(dāng)FLASH存儲(chǔ)器空間不大于64 KB時(shí)，函數(shù)指針無需設(shè)定基地址，可以直接使用低16位作為16位指針。對(duì)于超過64 KB的FLASH，可以使用庫函數(shù)基地址，采用類似分頁的方法實(shí)現(xiàn)16位指針替換。

最后一個(gè)高組寄存器R12可在響應(yīng)中斷時(shí)和R0~R3，PC、SP一同自動(dòng)入棧，是用戶可以使用的寄存器變量。

2.1節(jié)中提出的宏定義方案形式上簡單清楚，但展開后需要多條指令才能完成。將Address_base作為寄存器變量，存放在R8~R12中的某個(gè)高組寄存器中，而不是使用宏定義常量或全局變量。由于C語言不能直接對(duì)通用寄存器進(jìn)行操作，需通過將匯編嵌入到C語言中實(shí)現(xiàn)長指針的替換。在程序初始化時(shí)，將R8~R12中的一個(gè)寄存器初始化為Address_base的值，例如下面給出的語句：

asm("LDR r1, =0x1ffff000"); //R1=基地址

asm("MOV R9, R1"); //R9=R1，即基地址

R9寄存器初始化后無需再修改，是一個(gè)“寄存器常數(shù)”。對(duì)于已經(jīng)存儲(chǔ)在R0中的長指針，則使用如下匯編代碼，很容易將其轉(zhuǎn)化為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

//短指針值

代碼首先將R9寄存器存儲(chǔ)的基地址轉(zhuǎn)移到R1寄存器，隨后利用單條指令完成從R0寄存器所存長指針值減去R1中存儲(chǔ)的基地址，并將所得結(jié)果保存在R0中。執(zhí)行完成后，R0低16位便是轉(zhuǎn)化后的16位地址。16位地址轉(zhuǎn)化為長指針是類似的轉(zhuǎn)化形式(SUB指令換為ADD指令)，在此不再贅述。這種方法充分利用了內(nèi)核提供的高組寄存器，并且簡化了指針轉(zhuǎn)化的算法，減少了所需指令的數(shù)目，提高了運(yùn)行效率，縮短了轉(zhuǎn)換時(shí)間，降低MCU因指針替換而產(chǎn)生的時(shí)間損失。轉(zhuǎn)換所需指令數(shù)目也壓縮到兩條，減少轉(zhuǎn)換過程所帶來的額外指令代碼的存儲(chǔ)空間開銷。

3 指針替換結(jié)果

μC/OS(含μC/OSII、μC/OSIII)是適用于低成本MCU的多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核。以μC/OS為例，當(dāng)最大任務(wù)數(shù)為10時(shí)，整個(gè)內(nèi)核需使用12個(gè)全局指針型變量，而非指針型變量僅需占用8字節(jié)RAM空間。若使用默認(rèn)的長指針模式，共需12×4+8=56字節(jié)；若改用短指針，則需使用12×2+8=32字節(jié)。任務(wù)數(shù)目、任務(wù)間通信機(jī)制增多時(shí)，指針變量的使用將更頻繁，本文介紹的方法所節(jié)約的RAM空間也更加顯著。在CortexM0/M0+處理器替代8/16位MCU的應(yīng)用中，非常有必要使用短指針。

最新版本的μC/OSIII針對(duì)帶有計(jì)算前導(dǎo)零硬件指令(CLZ)的CortexM3/M4處理器進(jìn)行了重大改進(jìn)，提高了其優(yōu)先級(jí)任務(wù)搜索的效率。但CortexM0/M0+的ARMv6指令集簡化掉了CLZ指令，故不適宜使用μC/OSIII。這里以運(yùn)行μC/OSII v2.92（最多256個(gè)任務(wù)）為例，說明指針替換效果。實(shí)際上對(duì)于內(nèi)存緊張的MCU，μC/OSII v2.82及以下的版本（最多64個(gè)任務(wù)）就足夠用了。

μC/OSII每個(gè)任務(wù)都需要使用任務(wù)控制塊TCB(Task Control Block)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，來維護(hù)任務(wù)相關(guān)的信息[3]。在μC/OSII v2.92中，每個(gè)任務(wù)的TCB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含9個(gè)指針變量，采用本文描述的16位指針替換方法后，每個(gè)任務(wù)控制塊均可以節(jié)省18字節(jié)的RAM空間。在μC/OSII中還存在很多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，均包含著大量的指針變量。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用本文描述的方法所節(jié)約的RAM空間如表1所列。

表1 μC/OSII數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)存占用情況對(duì)比

注：其中X為OS_LOWEST_PRIO，由用戶進(jìn)行配置，典型值為63。表中內(nèi)存占用大小是筆者根據(jù)ucos_ii.h文件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的，實(shí)際占用內(nèi)存可能會(huì)由于用戶配置不同而略有差異。

可以看出，以16位短指針替代ARM編譯器默認(rèn)的32位長指針，能使CortexM0/M0+ MCU對(duì)RAM資源的占用接近8/16位MCU。這一點(diǎn)對(duì)“全面替代”是十分重要的。 70

結(jié)語

以ARM CortexM0/M0+為內(nèi)核的32位MCU以其性能、功耗和價(jià)格的優(yōu)勢，“全面替代”以8051/52、68S08/12等為代表的8/16位MCU已是大勢所趨。而目前主流ARM IDE中的C編譯器僅支持長指針變量。若將原有的8/16位MCU應(yīng)用程序移植到內(nèi)存資源相當(dāng)?shù)腁RM MCU上，大量長指針變量的使用可能會(huì)導(dǎo)致RAM資源不足，而改用更大內(nèi)存的MCU無疑會(huì)增加產(chǎn)品成本。通過使用CortexM0/M0+內(nèi)核的高組寄存器操作指令，可以實(shí)現(xiàn)長短指針的轉(zhuǎn)換，極大地節(jié)約RAM占用量，為既有應(yīng)用的順利移植提供幫助。

當(dāng)然，長短指針的轉(zhuǎn)換操作會(huì)帶來額外的運(yùn)行時(shí)間的開銷，轉(zhuǎn)換指令也帶來代碼存儲(chǔ)量的增加。在一定程度上，這種方法是通過增加程序存儲(chǔ)量和運(yùn)行周期的代價(jià)來換取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的減少。由于ARM精簡指令集的結(jié)構(gòu)，其指令編碼長度和執(zhí)行速度上都有提升，可以部分抵銷程序存儲(chǔ)量和運(yùn)行周期的開銷，而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的矛盾則更加突出和棘手。本文介紹的方法對(duì)此作出了有益嘗試。

本文介紹的方法需要對(duì)已有代碼進(jìn)行一定的改造，筆者希望ARM編譯器能盡快提供面向CortexM0/M0+內(nèi)核的短指針優(yōu)化編譯選項(xiàng)，為完成ARM對(duì)8/16位MCU內(nèi)核的“全面替代”提供良好的支持。