本文為RISC-V嵌入式開發(fā)準(zhǔn)備篇2：嵌入式開發(fā)的特點(diǎn)介紹。

本文的目的是對嵌入式開發(fā)的特點(diǎn)進(jìn)行簡單的科普與回顧，為后續(xù)詳細(xì)介紹“RISC-V GCC工具鏈”和“RISC-V匯編語言程序設(shè)計”打下基礎(chǔ)。注：本文力求通俗易懂，主要面向初學(xué)者，對嵌入式開發(fā)有所了解的讀者可以忽略此文。

在本號上次發(fā)表的文章《編譯過程簡介》中介紹過，嵌入式系統(tǒng)的程序編譯過程和開發(fā)有其特殊性，譬如：

嵌入式系統(tǒng)需要使用交叉編譯與遠(yuǎn)程調(diào)試的方法進(jìn)行開發(fā)。

需要自己定義引導(dǎo)程序。

需要注意減少代碼體積（Code Size）。

需要移植printf從而使得嵌入式系統(tǒng)也能夠打印輸入。

使用Newlib作為C運(yùn)行庫。

每個特定的嵌入式系統(tǒng)都需要配套的板級支持包。

下文將分別予以介紹。

1 交叉編譯和遠(yuǎn)程調(diào)試

在本號上次發(fā)表的文章《編譯過程簡介》中介紹了如何在Linux系統(tǒng)的PC電腦上開發(fā)一個Hello World程序，對其進(jìn)行編譯，然后運(yùn)行在此電腦上。在這種方式下，我們使用PC電腦上的編譯器編譯出該P(yáng)C電腦本身可執(zhí)行的程序，這種編譯方式稱之為本地編譯。

嵌入式平臺上往往資源有限，嵌入式系統(tǒng)（譬如常見ARM MCU或8051單片機(jī)）的存儲器容量通常只在幾KB到幾MB之間，且只有閃存而沒有硬盤這種大容量存儲設(shè)備，在這種資源有限的環(huán)境中，不可能將編譯器等開發(fā)工具安裝在嵌入式設(shè)備中，所以無法直接在嵌入式設(shè)備中進(jìn)行軟件開發(fā)。因此，嵌入式平臺的軟件一般在主機(jī)PC上進(jìn)行開發(fā)和編譯，然后將編譯好的二進(jìn)制代碼下載至目標(biāo)嵌入式系統(tǒng)平臺上運(yùn)行，這種編譯方式屬于交叉編譯。

交叉編譯可以簡單理解為，在當(dāng)前編譯平臺下，編譯出來的程序能運(yùn)行在體系結(jié)構(gòu)不同的另一種目標(biāo)平臺上，但是編譯平臺本身卻不能運(yùn)行該程序，譬如，在x86平臺的PC電腦上編寫程序并編譯成能運(yùn)行在ARM平臺的程序，編譯得到的程序在x86平臺上不能運(yùn)行，必須放到ARM平臺上才能運(yùn)行。

與交叉編譯同理，在嵌入式平臺上往往也無法運(yùn)行完整的調(diào)試器，因此當(dāng)運(yùn)行于嵌入式平臺上的程序出現(xiàn)問題時，需要借助主機(jī)PC平臺上的調(diào)試器來對嵌入式平臺進(jìn)行調(diào)試。這種調(diào)試方式屬于遠(yuǎn)程調(diào)試。

常見的交叉編譯和遠(yuǎn)程調(diào)試工具是GCC和GDB。在本號上次發(fā)表的文章《編譯過程簡介》中介紹了如何使用Linux自帶的GCC本地編譯一個Hello World程序并運(yùn)行。但是，GCC不僅能作為本地編譯器，還能作為交叉編譯器；同理GDB不僅可以作為本地調(diào)試器，還可以作為遠(yuǎn)程調(diào)試器。

當(dāng)作為交叉編譯器之時，GCC通常有不同的命名，譬如：

arm-none-eabi-gcc和arm-none-eabi-gdb是面向裸機(jī)（Bare-Metal）ARM平臺的交叉編譯器和遠(yuǎn)程調(diào)試器。

所謂裸機(jī)（Bare-Metal）是嵌入式領(lǐng)域的一個常見形態(tài)，表示不運(yùn)行操作系統(tǒng)的系統(tǒng)

而riscv-none-embed-gcc和riscv-none-embed-gdb是面向裸機(jī)RISC-V平臺的交叉編譯器和遠(yuǎn)程調(diào)試器。

本號后續(xù)發(fā)文《RISC-V GCC工具鏈的介紹》將介紹RISC-V GCC工具鏈的更多信息。

2 移植newlib或newlib-nano作為C運(yùn)行庫

newlib是一個面向嵌入式系統(tǒng)的C運(yùn)行庫。相對于本號上次發(fā)表的文章《編譯過程簡介》中介紹的glibc，newlib實(shí)現(xiàn)了大部分的功能函數(shù)，但體積卻小很多。newlib獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu)將功能實(shí)現(xiàn)與具體的操作系統(tǒng)分層，使之能夠很好地進(jìn)行配置以滿足嵌入式系統(tǒng)的要求。由于專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，newlib具有可移植性強(qiáng)、輕量級、速度快、功能完備等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中。

由于嵌入式操作系統(tǒng)和底層硬件的多樣性，為了能夠?qū)/C++語言所需要的庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)與具體的操作系統(tǒng)和底層硬件進(jìn)行分層，newlib的所有庫函數(shù)都建立在20個樁函數(shù)的基礎(chǔ)上，這20個樁函數(shù)完成具體操作系統(tǒng)和底層硬件相關(guān)的功能：

I/O和文件系統(tǒng)訪問（open、close、read、write、lseek、stat、fstat、fcntl、link、unlink、rename）；

擴(kuò)大內(nèi)存堆的需求（sbrk）；

獲得當(dāng)前系統(tǒng)的日期和時間（gettimeofday、times）；

各種類型的任務(wù)管理函數(shù)（execve、fork、getpid、kill、wait、_exit）；

這20個樁函數(shù)在語義、語法上與POSIX（Portable Operating System Interface of UNIX）標(biāo)準(zhǔn)下對應(yīng)的20個同名系統(tǒng)調(diào)用完全兼容。

所以，如果需要移植newlib至某個目標(biāo)嵌入式平臺，成功移植的關(guān)鍵是在目標(biāo)平臺下找到能夠與newlib樁函數(shù)銜接的功能函數(shù)或者實(shí)現(xiàn)這些樁函數(shù)。本號后續(xù)發(fā)文《基于HBird-E-SDK平臺的軟件開發(fā)與運(yùn)行》將介紹蜂鳥E200的HBird-E-SDK平臺如何實(shí)現(xiàn)移植實(shí)現(xiàn)newlib的樁函數(shù)。

注意：newlib的一個特殊版本newlib-nano版本進(jìn)一步為嵌入式平臺減少了代碼體積（Code Size），因?yàn)閚ewlib-nano提供了更加精簡版本的malloc和printf函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，并且對庫函數(shù)使用GCC的-Os（側(cè)重代碼體積的優(yōu)化）選項進(jìn)行編譯優(yōu)化。

3 嵌入式引導(dǎo)程序和中斷異常處理

在本號上次發(fā)表的文章《編譯過程簡介》中介紹了如何在Linux系統(tǒng)的PC電腦上開發(fā)一個Hello World程序，對其進(jìn)行編譯，然后運(yùn)行在此電腦上。在這種方式下，程序員僅僅只需要關(guān)注Hello World程序本身，程序的主體由main函數(shù)組織而成，程序員可以無需關(guān)注Linux操作系統(tǒng)在運(yùn)行該程序的main函數(shù)之前和之后需要做什么。事實(shí)上，在Linux操作系統(tǒng)中運(yùn)行應(yīng)用程序（譬如簡單的Hello World）時，操作系統(tǒng)需要動態(tài)地創(chuàng)建一個進(jìn)程、為其分配內(nèi)存空間、創(chuàng)建并運(yùn)行該進(jìn)程的引導(dǎo)程序，然后才會開始執(zhí)行該程序的main函數(shù)，待其運(yùn)行結(jié)束之后，操作系統(tǒng)還要清除并釋放其內(nèi)存空間、注銷該進(jìn)程等。

從上述過程中可以看出，程序的引導(dǎo)和清除這些“臟活累活”都是由Linux這樣的操作系統(tǒng)來負(fù)責(zé)進(jìn)行。但是在嵌入式系統(tǒng)中，程序員除了開發(fā)以main函數(shù)為主體的功能程序之外，還需要關(guān)注如下兩個方面：

引導(dǎo)程序：

嵌入式系統(tǒng)上電后需要對系統(tǒng)硬件和軟件運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行初始化，這些工作往往由用匯編語言編寫的引導(dǎo)程序完成。

引導(dǎo)程序是嵌入式系統(tǒng)上電后運(yùn)行的第一段軟件代碼。引導(dǎo)程序?qū)τ谇度胧较到y(tǒng)非常關(guān)鍵，引導(dǎo)程序所執(zhí)行的操作依賴于所開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)的軟硬件特性，一般流程包括：初始化硬件、設(shè)置異常和中斷向量表、把程序拷貝到片上SRAM中、完成代碼的重映射等，最后跳轉(zhuǎn)到main函數(shù)入口。

本號后續(xù)發(fā)文《基于HBird-E-SDK平臺的軟件開發(fā)與運(yùn)行》將結(jié)合HBird-E-SDK平臺的引導(dǎo)程序?qū)嵗私庖龑?dǎo)程序的更多細(xì)節(jié)。

中斷異常處理

中斷和異常是嵌入式系統(tǒng)非常重要的一個環(huán)節(jié)，因此，嵌入式系統(tǒng)軟件還必須正確地配置中斷和異常處理函數(shù)。有關(guān)RISC-V架構(gòu)的中斷和異常的詳細(xì)信息，請參見RISC-V中文書籍《手把手教你設(shè)計CPU——RISC-V處理器篇》 中第13章內(nèi)容《不得不說的故事——中斷和異常》。

本號后續(xù)發(fā)文《基于HBird-E-SDK平臺的軟件開發(fā)與運(yùn)行》將結(jié)合HBird-E-SDK程序?qū)嵗私馊绾闻渲弥袛嗪彤惓Ｌ幚砗瘮?shù)。

4 嵌入式系統(tǒng)鏈接腳本

在本號上次發(fā)表的文章《編譯過程簡介》中介紹了如何在Linux系統(tǒng)的PC電腦上開發(fā)一個Hello World程序，對其進(jìn)行編譯，然后運(yùn)行在此電腦上。在這種方式下，程序員也無需關(guān)心編譯過程中的“鏈接”這一步驟所使用的鏈接腳本，無需為程序分配具體的內(nèi)存空間。

但是在嵌入式系統(tǒng)中，程序員除了開發(fā)以main函數(shù)為主體的功能程序之外，還需要關(guān)注“鏈接腳本”為程序分配合適的存儲器空間，譬如程序段放在什么區(qū)間、數(shù)據(jù)段放在什么區(qū)間等等。

本號后續(xù)發(fā)文《基于HBird-E-SDK平臺的軟件開發(fā)與運(yùn)行》將結(jié)合HBird-E-SDK的“鏈接腳本”實(shí)例了解更多細(xì)節(jié)。

5 減少代碼體積

嵌入式平臺上往往存儲器資源有限，嵌入式系統(tǒng)（譬如常見的ARM MCU或8051單片機(jī)）的存儲器容量通常只在幾KB到幾MB之間，且只有閃存而沒有硬盤這種大容量存儲設(shè)備，在這種資源有限的環(huán)境中，程序的代碼體積（Code Size）顯得尤其重要，因此，有效地降低降低代碼體積（Code Size）是嵌入式軟件開發(fā)必須要考慮的問題，常見的方法如：

使用newlib-nano作為C運(yùn)行庫以取得較小代碼體積（Code Size）的C庫函數(shù)。

盡量少使用C語言的大型庫函數(shù)，譬如在正式發(fā)行版本的程序中避免使用printf和scanf等函數(shù)。

如果在開發(fā)的過程中一定需要使用printf函數(shù)，可以使用某些自己實(shí)現(xiàn)的閹割版printf函數(shù)（而不是C運(yùn)行庫中提供的printf函數(shù)）以生成較小的代碼體積。

除此之外，在C/C++語言的語法和程序開發(fā)方面也有眾多技巧以取得更小的代碼體積（Code Size）。

本號后續(xù)發(fā)文《基于HBird-E-SDK平臺的軟件開發(fā)與運(yùn)行》將結(jié)合HBird-E-SDK平臺實(shí)例了解更多“減少代碼體積”的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。減小代碼體積（Code Size）的方法很多，本文在此不做一一贅述，請初學(xué)的讀者自行查閱相關(guān)資料進(jìn)行學(xué)習(xí)。

6 支持printf函數(shù)

在本號上次發(fā)表的文章《編譯過程簡介 》中介紹了如何在Linux系統(tǒng)的PC電腦上開發(fā)一個Hello World程序，程序中使用C語言的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)printf打印了一個“Hello World”字符串。該程序在Linux系統(tǒng)里面運(yùn)行的時候字符串被成功的輸出到了Linux的終端界面上。在這個過程中，程序員無需關(guān)心Linux系統(tǒng)到底是如何將printf函數(shù)的字符串輸出到Linux終端上的。事實(shí)上，如《編譯過程簡介》中所述，在Linux本地編譯的程序會鏈接使用Linux系統(tǒng)的C運(yùn)行庫glibc，而glibc充當(dāng)了應(yīng)用程序和Linux操作系統(tǒng)之間的接口，glibc提供的 printf 函數(shù)就會調(diào)用如sys_write等操作系統(tǒng)的底層系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，從而能夠?qū)ⅰ白址陛敵龅絃inux終端上。

從上述過程中可以看出，由于有g(shù)libc的支持，所以printf函數(shù)能夠在Linux系統(tǒng)中正確的進(jìn)行輸出。但是在嵌入式系統(tǒng)中，printf的輸出卻不那么容易了，基于如下幾個原因：

嵌入式系統(tǒng)使用newlib作為C運(yùn)行庫，而newlib的C運(yùn)行庫所提供的printf函數(shù)最終依賴于如本文中所介紹的newlib樁函數(shù)write，因此必須實(shí)現(xiàn)此write函數(shù)才能夠正確的執(zhí)行printf函數(shù)。

嵌入式系統(tǒng)往往沒有“顯示終端”存在，譬如常見的單片機(jī)其作為一個黑盒子一般的芯片，根本沒有顯示終端。因此，為了能夠支持顯示輸出，通常需要借助單片機(jī)芯片的UART接口將printf函數(shù)的輸出重新定向到主機(jī)PC的COM口上，然后借助主機(jī)PC的串口調(diào)試助手顯示出輸出信息。同理，對于scanf輸入函數(shù)，也需要通過主機(jī)PC的串口調(diào)試助手獲取輸入然后通過主機(jī)PC的COM口發(fā)送給單片機(jī)芯片的UART接口。

從以上兩點(diǎn)可以看出，嵌入式平臺的UART接口非常重要，往往扮演了輸出管道的角色，為了能夠?qū)rintf函數(shù)的輸出定向到UART接口，需要實(shí)現(xiàn)newlib的樁函數(shù)write，使其通過編程UART的相關(guān)寄存器將字符通過UART接口輸出。本號后續(xù)發(fā)文《基于HBird-E-SDK平臺的軟件開發(fā)與運(yùn)行》將結(jié)合HBird-E-SDK平臺移植printf函數(shù)的實(shí)例了解更多細(xì)節(jié)。

7 提供板級支持包

對于特定的嵌入式硬件平臺，為了方便用戶在硬件平臺上開發(fā)嵌入式程序，硬件平臺一般會提供板級支持包（Board Support Package，BSP）。板級支持包所包含的內(nèi)容沒有絕對的標(biāo)準(zhǔn)，通常說來，其必須包含如下內(nèi)容：

底層硬件設(shè)備的地址分配信息

底層硬件設(shè)備的驅(qū)動函數(shù)

系統(tǒng)的引導(dǎo)程序

中斷和異常處理服務(wù)程序

系統(tǒng)的鏈接腳本

如果使用newlib作為C運(yùn)行庫，一般還提供newlib樁函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

由于板級支持包往往會將很多底層的基礎(chǔ)設(shè)施和移植工作搭建好，因此應(yīng)用程序開發(fā)人員通常都無需關(guān)心本文第1.2節(jié)至第1.6節(jié)中描述的內(nèi)容，能夠從底層細(xì)節(jié)中被解放出來避免重復(fù)建設(shè)而出錯。本號后續(xù)發(fā)文《基于HBird-E-SDK平臺的軟件開發(fā)與運(yùn)行》將結(jié)合HBird-E-SDK平臺的BSP實(shí)例了解更多細(xì)節(jié)。