[专题][交流]AVR绝对定位面面观——代码篇

Gorgon_Meducer · 发表于 2012-2-27 13:13:29

AVR Mega系列单片机是广大电子爱好者所熟悉和喜爱的。在后51时代，
它以易开发——使用以C和BASIC为代表的高级语言；易使用——内部集成
了大量常用的外设模块；高性能——同等时钟下是传统C51执行效率的12
倍；低功耗——用水果电池就可以驱动等特点占据了相当的市场份额，得
到了广泛的应用。

<font color=blue>什么是AVR的绝对定位呢？
简单说就是在C语言环境下将工程中某个函数或者数据放在AVR存储器
中自己“心仪”的位置。对代码来说，定位的最小单位是函数；对数据来
说，定位的最小对象是全局变量、静态局部变量和全局常量。举例来说，
在下面的代码片断里，全局常量g_strBuffer和全局变量g_hwDataBuffer以
及函数Example中的静态局部变量s_bFlag都是可以进行绝对定位的。

C语言中，变量的空间分配方式有两种：静态分配和动态分配。所谓静
态分配就是指在程序编译的时候，变量所占用的空间大小以及他们在存储
器中的具体位置就已经确定了——除非我们特殊指定（也就是绝对定位），
否则编译器会自动替我们做好这些工作。前面的例子中，全局变量和静态
局部变量都是静态分配的。所谓动态分配，是指在程序运行的时候，由程
序自己通过某种机制动态管理存储器的分配方式。就局部变量n来说，在函
数Example被调用时n获得属于自己的空间，而在函数退出时这些空间会被
自动释放。可见，n所使用的存储器是重复使用的，其地址也总是动态变
化的，对这样的局部变量进行绝对定位就如同刻舟求剑一般——是不可能
做到的。

const char g_strBuffer[] = “Hello world”;
unsigned int g_hwDataBuffer[10] = {0};

void Example(void)
{
      unsigned char n = 0;
      static unsigned char s_bFlag = 0;
      …
}

结论：只有代码和静态分配的变量才能参与绝对定位。
推论：C语言中只有函数、全局变量和静态局部变量才能参与绝对定位。

什么场合下需要使用绝对定位呢？
通常在什么场合下我们会需要使用绝对定位技术呢？
1、比如我们希望编写一段程序能够通过与外界通讯实现自我升
      级——也就是不借助编程器而实现Flash的更新。对于这样的应用，
      AVR要求用户必须把更新Flash相关的某些代码放置到专门的Boot区
      域中。如何编写Bootloader并不在本文的讨论范围之内。
2、某些应用中，我们希望把一些变量放置在指定的位置，比如使用外
      扩SRAM的时候，我们希望把一些体积庞大的数组放置到扩展的SRAM
      空间中，而保留更多的内部SRAM供系统使用。
3、对于某些需要大量查表的应用，如果表格本身的数据是常量，在SRAM
      吃紧的情况下，为了节省空间，我们往往会希望把这些表格从SRAM
      挪到Flash中，从而留下更多的可用内存空间。

如此等等，不一而足。总结说来我们往往会因为“需要实现某些硬件功能”，
“ 需要获取更大的连续存储空间”，“ 需要节省空间”或者“满足某些特殊
的应用需求”，而试图借助绝对定位技术实现所需的功能。

绝对定位技术的实现
既然有这么多场合牵扯到绝对定位技术，那么我们该如何去做呢？有统一
的方法没有？很遗憾，没有。代码和变量的绝对定位并不是C/C++标准的一部分，
不仅不同的编译器使用的方法不同，同一个编译器在不同版本中处理的方法也
有可能大相径庭。笔者习惯于将绝对定位问题分成三类，分别是：代码的绝对
定位、同一存储器内变量的绝对定位和跨存储器的变量绝对定位。在后面的讨
论中，我们会按照这样的划分将问题展开，以常用的三种编译环境（ICC、IAR
和GCC）为平台，分别介绍它们具体的实现方法。

在具体介绍之前，有一个有趣的问题不得不提：什么是地址空间？可以从
0x0000开始计数的地址都属于同一个空间，这个空间就是地址空间。SRAM的地址
可以从0x0000开始计数，因此存在SRAM地址空间；FLASH可以从0x0000开始计数，
因此存在FLASH地址空间；同样EEPROM可以从0x0000开始，也就存在EEPROM地址
空间。同一个地址，比如0x1234，在不同的地址空间中表达的意义当然也不一样：

在SRAM里表示一个RAM单元，在FLASH里表示一个FLASH字节；在EEPROM里表示
一个ROM单元。如果觉得抽象，你大可以把一个地址空间想象成一张纸，所以SRAM
有一张纸，FLASH有一张纸，EEPROM也有一张纸。把这样三张纸叠放在一起，即
便你一笔戳下去戳出同样的窟窿，三个窟窿也是分别落在不同平面上的。这可以
用来解释了为什么下面的代码运行起来往往得到的是错误的结果：

//假设这里的FLASH是一个宏，作用是告诉编译器其修饰的变量应该存放在Flash中
FLASH unsigned char strHello[] = “Hello world”;
…
extern void LCD_OUT(unsigned char *pchBuffer, unsigned char chLength);
…
LCD_PRINT((unsigned char *) strHello, sizeof(strHello));

首先，很容易看出代码的作者是想在LCD上输出一个“Hello world”，但
实际运行的结果往往是LCD上出现了一串与“Hello world”等长的乱码。这是
因为，字符串数组strHello是放置在Flash中的，其地址属于Flash地址空间；
函数LCD_ PRINT需要的参数pchBuffer是一个指向RAM地址空间的指针，也就是
说这个指针指向的数据应该是存放在RAM中的。代码的作者也注意到，如果单纯
使用
LCD_ PRINT (strHello, sizeof(strHello));
来调用函数肯定会遇到编译器指针不匹配的错误（strHello的地址是“FLASH
unsigned char *”型的，而函数LCD_ PRINT需要的是一个“unsigned char *”
的地址），因此，代码作者试图通过强制类型转换让编译器“闭嘴”，这就好
比把FLASH地址空间和SRAM地址空间叠在一起，用strHello的地址在两张纸上戳
了一个洞——FLASH空间中，对应的位置存储的的确是“Hello world”，但谁
也没有规定在SRAM相同的位置存储的也是“Hello world”。所谓张冠李戴，
不过如此。

介绍了这么多，今天我们就先从代码的绝对定位技术开始演练。

>> 程序代码的绝对定位
所谓代码的绝对定位，就是将指定的函数放到Flash中指定的地方。

与“立即绝对定位”相对，还有一种被称之为“范围绝对定位”的技术在ICC，
IAR和GCC中得到更普遍的应用。取字面上的意思，所谓“范围绝对定位”是指将
某些函数放置到某一个指定的范围内，在这个范围内，这些函数之间的位置关系
是相对的，或者说是它们之间的位置关系我们并不关心——函数的空间分配和定
位全部交由编译器来负责。你可以理解为，“范围绝对定位”就好比是定义了一
个瓶子：瓶子的容量（也就是范围的大小）决定了能容下多少函数；而把瓶子放
哪儿，就是需要我们指定（绝对定位）的了。这里必须要注意：通常情况下一个
范围不能跨越两个不同的地址空间。

“范围绝对定位” 的使用分为两个部分：首先，在指定的地址空间中定义范
围；其次，告诉编译器哪些函数应该被放入到这个范围内。为了便于讲解，我们
将根据编译环境的不同分别进行介绍。假设，我们需要定一个名叫MyZone的范围，
定位在Flash地址0x4000上，并将函数MyFunctionA和MyFunctionB放置到该范围内。

1 GCC环境
借助AVR Studio4，我们可以利用图形化的界面定义一个范围。假设，我们已
经使用AVR Studio4建立了一个GCC工程，此时，依次选择菜单
Project->Configuration Options打开工程设置窗口（如图1所示）；在窗口左侧
的悬浮列表中选择Memory Settings。单击Add按钮，添加一个新的范围，这里也称
为段（Segment），如图2所示：

在弹出的对话框Add New Memory Segment中，第一项用来设置新段的地址空间，
可选的内容有Flash, Sram和Eeprom；因为我们要定位的是代码，而代码只能被放
置在Flash地址空间中，因而我们选择类型Flash。第二项Name用于给新的段起名，
这里，虽然英文字符串可以是任意的，但别忘记加一个“.”。作为范例，我们使
用“.MyZone”作为自定义段的名称。最后一项Address是段落的地址。不啰嗦，迅
速填上0x4000。单击OK，我们就完成了新范围的添加。接下来，就需要把指定的函
数放置到这一区域中，语法如下：

__attribute__ ((section(“.MyZone”))) + 函数原型

比如，我们希望将函数MyFuncitonA放置到“.MyZone”中：

__attribute__ ((section(“.MyZone”))) void MyFunctionA(void);
或者
__attribute__ ((section(“.MyZone”)))
void MyFunctionA(void);

也可以
void MyFunctionA(void) __attribute__ ((section(“.MyZone”)));

为了让代码看起来更容易懂一些，我们可以事先定一个宏：
#define FLASH_MYZONE    __attribute__ ((section(“.MyZone”)));

然后用这个新的宏来修饰函数，比如
FLASH_MYZONE void MyFunctionA(void);
或者：
void MyFunctionA(void) FLASH_MYZONE;

基于以上的定义，我们可以通过下面的代码完成之前的目标：

void MyFunctionA(void) FLASH_MYZONE; //将MyFunctionA放置到MyZone中
void MyFunctionB(void) FLASH_MYZONE; //将MyFunctionB放置到MyZone中

从这个例子中我们容易看出，__attribute__ ((section(“.MyZone”))) 一次
只对一个函数原型有效，其放置的位置并不是非常严格。其实，每一个工程都有一
个默认的Flash段“.text”用于放置用户的代码；也就是说，如果我们没有使用
__attribute__ ((section(“.MyZone”)))来制定代码的存放位置，实际上函数就
被自动加入到“.text”段中。反过来想一想，如果我们在AVR Studio4的Memory
Settings中，定义一个同名的“.text”段并指定了地址，结果会怎样呢？有兴趣的
你可以试验一下。

2 ICC环境
ICC环境下添加新范围要更为直接一些，打开工程编译选项，在Target选项卡中
找到“Other Options”文本框，按照如下的语法填入绝对地址：
-b<范围名称>:<绝对地址>

我们依然以MyZone为例，则将代码定位到0x4000地址上的写法为：
-bMyZone:0x8000

细心的你也许已经注意到，明明是定位到0x4000地址上，为什么这里要写作
0x8000呢？为什么看起来是一个两倍的关系呢？原因很简单，AVR的Flash实际上是
以2个字节的WORD为单位的，所有的AVR指令也都是2个字节（16位）长度的。因此，
当我们定位代码的时候，应该使用WORD（也就是2字节长度）作为基本单位，这就
能够保证每一条指令在绝对定位以后依然能够被单片机正确的识别（这种方式我们
通常称之为对齐到“字”）。ICC编译器绝对定位使用的单位是“字节”，0x4000的
“字”地址换算为“字节”也就是0x8000。
前面我们曾提到，在代码中GCC一次只能重新定位一个函数；而ICC编译器通过
一个扩展的预编译语法结构#pragma可以批量的将一定范围内的函数都定位到目标
范围内。据体语法如下：

#pragma text: <自定义区域名称> // 将随后的函数都放置到自定义范围内
……
#pragma text: text             // 将随后的函数都放置到默认的text范围内
……

仍然以MyZone为例，对MyFunctionA和MyFunctionB的定位可以写为：

#pragma text: MyZone             // 将随后的函数放置到MyZone里
void MyFunctionA(void);
void MyFunctionB(void);
#pragma text: text             // 将随后的函数放置到默认的text段内，也就是恢复普通的定位

是不是很方便？不同版本的ICC都支持这一定位方式，可以放心使用。此外，
ICC对范围的定义不光可以指定起始地址，还可以指定范围的大小，其语法为：

-b<范围名称>:<起始地址0>.<中止地址0>:<起始地址1>.<中止地址1>:……

比如：
-bMyZone:0x1000.0x2000:0x3000.0x4000

实际上将MyZone定义为一个不连续的区域，由0x1000到0x2000和0x3000到0x4000
两个区块组成。详细的使用方法可以参考ICCAVR用户手册Help->Help Topics->
PROGRAMMING THE AVR->Addressing Absolute Memory Locations 章节的描述，
这里就不再一一为您展开。

3 IAR环境
与ICC类似，IAR环境下可以在工程选项中加入以下的语法结构实现范围的定义：

-Z(CODE)<范围名称>=<起始地址>-<中止地址>

例如：
-Z(CODE)MyZone=8000-A000

将MyZone定义在了0x4000至0x5000的Flash地址空间上。这里括号里面的CODE表
示代码地址空间，也就是片内Flash。同样，我们可以看出IAR的绝对定位也是以“字
节”而不是“字”为基本单位的。对于一个打开了的工程，添加范围的具体操作也
并不复杂：首先，在Workspace窗口中选中位于最顶端的工程名称，单击右键选择
Options；在弹出窗口的Category列表中选择Linker；在右边的设置窗体选择最右边
的Extra Options选项卡，选中Use command line options，并在下面的文本框中加
入： “-Z(CODE)MyZone=8000-A000”。

IAR和GCC一样，在代码中一次只能给一个函数进行绝对定位，其语法为：

#pragma location=”<范围名称>”
例如：
#pragma location=”MyZone”
void MyFunctionA(void) {…}

#pragma location=”MyZone”
void MyFunctionB(void) {…}

这里#pragma表达式的位置只能位于目标函数的正上方。其实IAR的范围定义非常
灵活和细致，除了通过-Z表达式以外，还可以使用-P表达式来定义范围，只不过这个
范围可以和已有的范围重叠；对于放置到该范围内的函数，系统会自动从已用范围的
牙缝中寻找一个空挡来安置它们，可谓“斤斤计较”。更为详尽的内容可以从IAR
Help目录的IAR C/C++ Compiler Reference Guide，Part1 Using Compiler的Placing
Code and Data章节获得。

为了让大家不再怀疑，特郑重标记：本篇已完结，思密达，西马斯！

Gorgon_Meducer · 发表于 2012-2-27 13:14:00

占位

JSXA · 发表于 2012-2-27 13:20:38

好好学习来了……

sky1234567 · 发表于 2012-2-27 13:20:51

睡觉刚起来就看到傻孩子的大作。。。
好久不见了

zfx19890921 · 发表于 2012-2-27 13:33:23

留名

lyzhangxiang · 发表于 2012-2-27 13:35:08

真的不错，讲的很细致

wwwdege · 发表于 2012-2-27 13:35:19

留名

sonna · 发表于 2012-2-27 13:52:40

傻孩子，好久不见，还在玩AVR啊，都大师级了，有时间研究一下STM8吗，与AVR有得比呢！

seazhui · 发表于 2012-2-27 13:57:27

学习～～～

spy2008 · 发表于 2012-2-27 14:00:19

支持AVR

hefq · 发表于 2012-2-27 14:13:43

回复【7楼】sonna 瑞堡光电
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哈哈，他肯定不愿意

Gorgon_Meducer · 发表于 2012-2-27 14:31:24

to 【7楼】 sonna 瑞堡光电
to 【10楼】 hefq 何访贤
--------------------------------------
STM32我也在玩，STM8如果有项目需要也会看，很多时候无所谓用什么芯片了。这篇文章只不过是给某编辑社写的，
过了所谓的发行有效期，所以贴出来。
大家莫把我打上AVR专用的标签哦！

HYLG · 发表于 2012-2-27 14:38:52

我也占位。

littlepig · 发表于 2012-2-27 15:03:48

mark

davidai · 发表于 2012-2-27 15:20:23

Mark!

fish_tian · 发表于 2012-2-27 15:57:58

占位

guxingganyue · 发表于 2012-2-27 16:32:39

学习了

楼主好久不见了

jiabin1024 · 发表于 2012-2-27 16:38:42

经典

wenfeiexe · 发表于 2012-2-27 16:38:44

Long time no see

liusoldier · 发表于 2012-2-27 16:40:13

如果用汇编，怎样才能达到动态内存分配的目的……

proguy · 发表于 2012-2-27 16:45:31

可以把版本号，编译日期等信息放到指定的Flash位置，这样通过UltraEdit查看bin文件就能知道软件的版本。

laign · 发表于 2012-2-27 16:50:00

占位来了

Gorgon_Meducer · 发表于 2012-2-27 17:04:39

to 【20楼】 proguy
是一个好办法。

to 【19楼】 liusoldier 大圣
跑题了……

huayuliang · 发表于 2012-2-27 17:13:29

哈，又见傻孩子写东西了。。谢！

jingwaner · 发表于 2012-2-27 17:14:11

好好学习！

qqcanread · 发表于 2012-2-27 17:54:15

zcx2012 · 发表于 2012-2-27 18:57:02

按个爪印

airwolf09921 · 发表于 2012-2-27 20:16:11

谢谢啦

yanghc · 发表于 2012-2-27 23:09:05

有时间看看，谢谢

8s209 · 发表于 2012-3-2 16:36:43

留个印，学习下

bsz84 · 发表于 2012-3-6 18:08:49

傻孩子的东西有份量。

haigerl · 发表于 2012-3-6 19:04:24

mark

ITOP · 发表于 2012-3-6 19:08:27

学习！！

wsm80828 · 发表于 2012-3-6 19:12:06

mark

KunShan_a_dai · 发表于 2012-3-6 19:39:25

上个项目有用到先mark，

automaticdai · 发表于 2012-3-6 20:07:42

非常好的资料呀，支持一下傻孩子。

xslff · 发表于 2012-3-6 22:36:37

Mark

ycwjl728 · 发表于 2012-3-6 23:03:17

Mark!

pcwhy · 发表于 2012-3-7 03:29:28

O what a mark

plc_avr · 发表于 2012-3-7 07:41:29

顶！傻孩子大作，原先我有用到过ＩＣＣＡＶＲ绝对定位，呵呵。

plc_avr · 发表于 2012-3-7 07:42:37

如果早些有这个好贴，我会少走不少弯路。

liumaojun_cn · 发表于 2012-3-7 08:50:48

mark

XL_J · 发表于 2012-3-7 09:03:29

mark！

jshp32 · 发表于 2012-3-7 10:30:46

好文！

taishandadi · 发表于 2012-3-7 10:38:44

站位，好贴

yusufu · 发表于 2012-3-7 12:37:44

mark~~

371278638 · 发表于 2012-3-24 22:00:09

学习.....

Jach_cc · 发表于 2013-9-30 00:09:17

精品贴，mark。谢谢楼主

jzhang123 · 发表于 2013-12-17 13:51:30

有STM32的IAR代码地址设定吗？

wsm80828 · 发表于 2013-12-17 22:11:28

谢谢分享

滴答滴答下雨啦 · 发表于 2013-12-19 18:22:14

学习了……

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