C標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫（C Standard library）是所有符合標(biāo)準(zhǔn)的頭文件（head file）的集合，以及常用的函數(shù)庫實現(xiàn)程序，例如I/O 輸入輸出和字符串控制。不像 COBOL、Fortran 和 PL/I等編程語言，在 C 語言的工作任務(wù)里不會包含嵌入的關(guān)鍵字，所以幾乎所有的 C 語言程序都是由標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫的函數(shù)來創(chuàng)建的。

大多 C 標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫在設(shè)計上做得相當(dāng)不錯。有些少部分的，會為了商業(yè)優(yōu)勢和利益，會把某些舊函數(shù)視同錯誤或提出警告。字符串輸入函數(shù) gets（）（以及 scanf（） 讀取字符串輸入的使用上）是很多緩存溢出的原因，而且大多的程序設(shè)計指南會建議避免使用它。另一個較為奇特的函數(shù)是 strtok（），它原本是作為早期的詞匯分析用途，但是它非常容易出錯（fragile），而且很難使用。

嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是由單個程序?qū)崿F(xiàn)整個控制邏輯。

從應(yīng)用對象上加以定義，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。國內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。

嵌入式開發(fā)中一般都不使用標(biāo)準(zhǔn)C庫中的malloc函數(shù)原因

這是因為內(nèi)存有限啊，嵌入式的內(nèi)存就只有幾十K到幾百K，當(dāng)然指的嵌入式應(yīng)該是單片機，不能運行Linux系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，可以上Linux系統(tǒng)的嵌入式就可以使用標(biāo)準(zhǔn)C開發(fā)了，同樣具有malloc函數(shù)。

主要原因是內(nèi)存太小的問題，深層次的原因是由于標(biāo)準(zhǔn)C庫的內(nèi)存管理的容易產(chǎn)生碎片，不利于在小內(nèi)存運行。

通過自己實現(xiàn)內(nèi)存管理，從本質(zhì)上是預(yù)先分配一大段內(nèi)存（嵌入式中就是一個大的數(shù)組），那后在依據(jù)需要保存的對象大小，按特定的方式分配的。比如，你需要存儲的記錄為256字節(jié)，假設(shè)需要存取16條記錄，那么，就需要分配256＊16=4096字節(jié)，這樣就需要4k的數(shù)組才可以分配了，這樣就避免了內(nèi)存碎片。當(dāng)然這是以靈活性為代價的，如果是可變的，處理方式就比較復(fù)雜了，一般在單片機中需要避免，可以分區(qū)域（多分配幾個數(shù)組），取最大長度。

使用ARM標(biāo)準(zhǔn)C庫進(jìn)行嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)

隨著對高處理能力、實時多任務(wù)、超低功耗等方面需求的增長，高端嵌入式處理器已經(jīng)進(jìn)入了國內(nèi)開發(fā)人員的視野，并在國內(nèi)得到了普遍的重視和應(yīng)用。ARM是目前嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的RISC微處理器結(jié)構(gòu)，憑借低成本、低功耗、高性能等優(yōu)點占據(jù)了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。ADS是ARM公司推出的ARM集成開發(fā)環(huán)境，提供了對C和C++的支持，是目前開發(fā)ARM的主要工具。本文針對日益縮短的嵌入式開發(fā)周期，結(jié)合ARM系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試經(jīng)驗，對使用ARM標(biāo)準(zhǔn)庫進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)作了比較系統(tǒng)的分析。

1 ARM標(biāo)準(zhǔn)庫介紹

ADS提供了ANSI C和C++標(biāo)準(zhǔn)庫，本文僅討論ANSI C庫，該庫包含下面幾個部分：

ISO C庫標(biāo)準(zhǔn)所定義的函數(shù)；

在semlhosted環(huán)境下用來實現(xiàn)C庫函數(shù)與目標(biāo)相關(guān)的函數(shù)；

C和C++編譯器要使用的heIper函數(shù)。

該庫提供的諸如文件輸入輸出之類的設(shè)備，使用了標(biāo)準(zhǔn)的ARM semihosted執(zhí)行環(huán)境（semihosting是針對ARM目標(biāo)機的一種機制，它能夠根據(jù)應(yīng)用程序代碼的輸入/輸出請求，與運行有調(diào)度功能的主機通信，這種技術(shù)允許主機為通常沒有輸入和輸出功能的目標(biāo)硬件提供主機資源）。ARMulator、Angel和Multi-lCE都支持這個環(huán)境，可以使用ADs中提供的開發(fā)工具開發(fā)應(yīng)用程序，然后在ARMulator或者是開發(fā)板上運行和調(diào)試該程序。如果要使應(yīng)用系統(tǒng)獨立于這個環(huán)境，則必須重新實現(xiàn)C庫中依賴于這個環(huán)境的相關(guān)函數(shù)，根據(jù)用戶系統(tǒng)的運行環(huán)境對C庫進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟脺p。

使用ANSI標(biāo)準(zhǔn)C庫進(jìn)行程序開發(fā)，不僅可以提高開發(fā)效率而且可以增強程序的可移植性。在程序中使用庫函數(shù)，必須先建立一個庫函數(shù)可以執(zhí)行的環(huán)境，這些工作都由庫中的函數(shù)完成。當(dāng)應(yīng)用程序鏈接了C庫中的函數(shù)時，C庫中的函數(shù)將完成：

創(chuàng)建C程序所需的執(zhí)行環(huán)境（建立棧，如果需要創(chuàng)建一個堆，初始化程序使用的部分庫）；

調(diào)用main（）函數(shù)開始執(zhí)行C程序；

支持程序使用的Is0定義的函數(shù)；

捕獲運行時的錯誤和信號，如果需要，根據(jù)錯誤終止執(zhí)行或程序退出。

2 裁減ARM標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)庫

標(biāo)準(zhǔn)庫中包含了部分依賴于ARM semihosted執(zhí)行環(huán)境的函數(shù)，這部分函數(shù)的函數(shù)名中包含有單個或兩個下劃線“-”，需要重新實現(xiàn)這部分函數(shù)。如果在程序中定義這些函數(shù)，則編譯器就會使用新定義的函數(shù)，這個過程稱為庫函數(shù)的裁減。一般情況下，只需要重新定義很少的幾個函數(shù)就可以使用C庫。

ARM應(yīng)用系統(tǒng)開始執(zhí)行用戶應(yīng)用程序，必須先將應(yīng)用程序加載到執(zhí)行域，建立應(yīng)用程序的執(zhí)行環(huán)境。使用C庫時，這些繁瑣的工作就大部分由c函數(shù)來完成了。匯編程序完成系統(tǒng)初始化后，跳轉(zhuǎn)到C程序的人口_main（）（注意：不是main（），當(dāng)C程序中定義了main（）主函數(shù)時，編譯器就會生成_main代碼）。由_main（）引導(dǎo)庫函數(shù)完成C執(zhí)行環(huán)境的初始化，具體過程如下：

將非啟動代碼的RO和RW執(zhí)行域代碼從加載域地址復(fù)制到執(zhí)行域地址；

將ZI域清零；

跳轉(zhuǎn)到_rt_entry。

調(diào)用_main（）將大大簡化匯編啟動代碼的編寫，匯編代碼僅需完成系統(tǒng)硬件的初始化，而沒有必要將代碼從加載域地址復(fù)制到執(zhí)行域地址，以及ZI域清零等工作。特別是當(dāng)使用分布式加載時_main（）的作用就更加明顯了。但是_main（）并沒有建立C庫運行必須的環(huán)境，這項工作由_rt_entry（）完成，主要調(diào)用過程為：

調(diào)用_rt_stackheap_init（）建立堆和棧；

調(diào)用_rt_lib_init（）初始化引用的庫函數(shù)；如果需要，建立main（）函數(shù)的參數(shù)argc和argv等；

調(diào)用main（）函數(shù)，執(zhí)行應(yīng)用程序，可以應(yīng)用庫函數(shù)；

用main（）函數(shù)的返回值作參數(shù)調(diào)用exit（）。

_rt_entry并不是C函數(shù)，它是用ARM C庫編程的起始點。_rt_entry不能用C語言宴現(xiàn)，因為這時候堆棧還沒有建立，堆棧由＿ rt_stackheap_init（）來建立。

上面簡單介紹了C程序使用庫函數(shù)時的調(diào)用過程，由_rt—stackheap_init（）建立C庫使用的內(nèi)存模型－－堆和棧。因為ARM庫是建立在semihosted執(zhí)行環(huán)境的，它實現(xiàn)的內(nèi)存模型是基于這個環(huán)境的，所以必須修改這個內(nèi)存模型建立機制。表1列出了需要重新實現(xiàn)的函數(shù)，實現(xiàn)了這些函數(shù)，應(yīng)用程序就可以脫離宿主機環(huán)境獨立運行了。其中，必須重新實現(xiàn)的是＿user initial＿stackheap（），因為默認(rèn)的實現(xiàn)是基于semihosted執(zhí)行環(huán)境的，該函數(shù)被＿n＿stackheap＿init（）調(diào)用創(chuàng)建內(nèi)存模型，其他兩個函數(shù)沒有默認(rèn)的實現(xiàn)。

實現(xiàn)該函數(shù)，必須滿足下面的條件：

使用不超過96字節(jié)的?？臻g；

除了R12（ip）外不要污染其他寄存器；

將堆基址、棧基址、堆邊界和棧邊界分別存在RO～R3作為返回參數(shù)；

堆必須保持8個字節(jié)對齊。

實現(xiàn)例程如下：

為了提高應(yīng)用程序開發(fā)效率和可移植性，希望在目標(biāo)系統(tǒng)上使用ARM庫提供的標(biāo)準(zhǔn)輸人輸出庫函數(shù)。

高層輸入輸出函數(shù)是不依賴于目標(biāo)系統(tǒng)環(huán)境的，但是高層輸入輸出函數(shù)必須調(diào)用依賴于目標(biāo)系統(tǒng)的底層函數(shù)，才能實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的輸入輸出。依據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)硬件環(huán)境重新定義這些底層函數(shù)，就可以使用庫提供的標(biāo)準(zhǔn)input／output庫函數(shù)了。下面以裁減ARM標(biāo)準(zhǔn)庫提供的printf系列輸出函數(shù)為例來作說明。

標(biāo)準(zhǔn)I/O庫中最常用的是printf系列函數(shù)，包括_printf（）、printf（）、_fprintf（）、fprintf（）、vprintf（）和vfprintf（）。所有這些函數(shù)非透明地使用_FILE，并且僅依賴于fputc（）和ferror（）兩個函數(shù)。函數(shù)_printf（）和_fprintf（）與printf（）和fprintf（）的區(qū)別僅在于前兩個函數(shù)不能格式化浮點值。只要定義了自己的_FILE版本和fputc（）、ferror（）函數(shù)，外加定義一個具有FILE類型的_stdout變量，就可以不作任何修改地使用printf系列、fwrite（）、fputs（）和puts（）函數(shù)了。

下面給出了具體實現(xiàn)的模板，可以根據(jù)實際需要修改。

#include《stdio．h》

struct__FILE

{

int handle；

/*用戶需要的任何代碼（如果使用文件僅是為了調(diào)試使用prinft在標(biāo)準(zhǔn)輸出端輸出信息，則不需要任何文件處理代碼）*/

}；

FlLE_stdout；/*FILE在stdio.h中定義為：typedef struct_

FILE FILE；*/

int fputc（int ch，F(xiàn)ILE*f）{

/*用戶實現(xiàn)的fpute代碼。輸出一個字符，可以根據(jù)需要實現(xiàn)*/

return ch；

}

int ferror（FILE*f）{

/*用戶實現(xiàn)的ferror代碼*/

return EOF；

}

結(jié)語

本文分析了ARM標(biāo)準(zhǔn)庫的工作機理，給出了裁減C庫進(jìn)行程序開發(fā)的關(guān)鍵步驟。實際應(yīng)用時需要根據(jù)具體的硬件環(huán)境和應(yīng)用要求裁減C庫，提高代碼執(zhí)行效率。