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C語(yǔ)言是一門(mén)通用計算機編程語(yǔ)言，應用廣泛。C語(yǔ)言的設計目標是提供一種能以簡(jiǎn)易的方式編譯、處理低級存儲器、產(chǎn)生少量的機器碼以及不需要任何運行環(huán)境支持便能運行的編程語(yǔ)言。 盡管C語(yǔ)言提供了許多低級處理的功能，但仍然保持著(zhù)良好跨平臺的特性，以一個(gè)標準規格寫(xiě)出的C語(yǔ)言程序可在許多電腦平臺上進(jìn)行編譯，甚至包含一些嵌入式處理器（單片機或稱(chēng)MCU）以及超級電腦等作業(yè)平臺。 20世紀80年代，為了避免各開(kāi)發(fā)廠(chǎng)商用的C語(yǔ)言語(yǔ)法產(chǎn)生差異，由美國國家標準局為C語(yǔ)言訂定了一套完整的國際標準語(yǔ)法，稱(chēng)為ANSI C，作為C語(yǔ)言最初的標準�！ � C語(yǔ)言嵌入式系統編程注意事項不同于一般形式的軟件編程，嵌入式系統編程建立在特定的硬件平臺上，勢必要求其編程語(yǔ)言具備較強的硬件直接操作能力。無(wú)疑，匯編語(yǔ)言具備這樣的特質(zhì)。但是，歸因于匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)過(guò)程的復雜性，它并不是嵌入式系統開(kāi)發(fā)的一般選擇。而與之相比，C語(yǔ)言--一種“高級的低級”語(yǔ)言，則成為嵌入式系統開(kāi)發(fā)的最佳選擇。筆者在嵌入式系統項目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一次又一次感受到C語(yǔ)言的精妙，沉醉于C語(yǔ)言給嵌入式開(kāi)發(fā)帶來(lái)的便利。 大多數嵌入式系統的硬件平臺。它包括兩部分： （1） 以通用處理器為中心的協(xié)議處理模塊，用于網(wǎng)絡(luò )控制協(xié)議的處理； （2） 以數字信號處理器（DSP）為中心的信號處理模塊，用于調制、解調和數/模信號轉換。 本文的討論主要圍繞以通用處理器為中心的協(xié)議處理模塊進(jìn)行，因為它更多地牽涉到具體的C語(yǔ)言編程技巧。而DSP編程則重點(diǎn)關(guān)注具體的數字信號處理算法，主要涉及通信領(lǐng)域的知識，不是本文的討論重點(diǎn)。 著(zhù)眼于討論普遍的嵌入式系統C編程技巧，系統的協(xié)議處理模塊沒(méi)有選擇特別的CPU，嵌入式系統學(xué)習加意義氣嗚嗚吧久林就易，而是選擇了眾所周知的CPU芯片--80186，每一位學(xué)習過(guò)《微機原理》的讀者都應該對此芯片有一個(gè)基本的認識，且對其指令集比較熟悉。80186的字長(cháng)是16位，可以尋址到的內存空間為1MB，只有實(shí)地址模式。C語(yǔ)言編譯生成的指針為32位（雙字），高16位為段地址，低16位為段內編譯，一段最多64KB。 協(xié)議處理模塊中的FLASH和RAM幾乎是每個(gè)嵌入式系統的必備設備，前者用于存儲程序，后者則是程序運行時(shí)指令及數據的存放位置。系統所選擇的FLASH和RAM的位寬都為16位，與CPU一致。 實(shí)時(shí)鐘芯片可以為系統定時(shí)，給出當前的年、月、日及具體時(shí)間（小時(shí)、分、秒及毫秒），可以設定其經(jīng)過(guò)一段時(shí)間即向CPU提出中斷或設定報警時(shí)間到來(lái)時(shí)向CPU提出中斷（類(lèi)似鬧鐘功能）。 NVRAM（非易失去性RAM）具有掉電不丟失數據的特性，可以用于保存系統的設置信息，譬如網(wǎng)絡(luò )協(xié)議參數等。在系統掉電或重新啟動(dòng)后，仍然可以讀取先前的設置信息。其位寬為8位，比CPU字長(cháng)小。文章特意選擇一個(gè)與CPU字長(cháng)不一致的存儲芯片，為后文中一節的討論創(chuàng )造條件。 UART則完成CPU并行數據傳輸與RS-232串行數據傳輸的轉換，它可以在接收到［1~MAX_BUFFER］字節后向CPU提出中斷，MAX_BUFFER為UART芯片存儲接收到字節的最大緩沖區。 鍵盤(pán)控制器和顯示控制器則完成系統人機界面的控制。 以上提供的是一個(gè)較完備的嵌入式系統硬件架構，實(shí)際的系統可能包含更少的外設。之所以選擇一個(gè)完備的系統，是為了后文更全面的討論嵌入式系統C語(yǔ)言編程技巧的方方面面，所有設備都會(huì )成為后文的分析目標。 嵌入式系統需要良好的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的支持，由于嵌入式系統的目標機資源受限，不可能在其上建立龐大、復雜的開(kāi)發(fā)環(huán)境，因而其開(kāi)發(fā)環(huán)境和目標運行環(huán)境相互分離。因此，嵌入式應用軟件的開(kāi)發(fā)方式一般是，在宿主機（Host）上建立開(kāi)發(fā)環(huán)境，進(jìn)行應用程序編碼和交叉編譯，然后宿主機同目標機（Target）建立連接，將應用程序下載到目標機上進(jìn)行交叉調試，經(jīng)過(guò)調試和優(yōu)化，最后將應用程序固化到目標機中實(shí)際運行。 CAD-UL是適用于x86處理器的嵌入式應用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，它運行在Windows操作系統之上，可生成x86處理器的目標代碼并通過(guò)PC機的COM口（RS-232串口）或以太網(wǎng)口下載到目標機上運行。其駐留于目標機FLASH存儲器中的monitor程序可以監控宿主機Windows調試平臺上的用戶(hù)調試指令，獲取CPU寄存器的值及目標機存儲空間、I/O空間的內容。 后續章節將從軟件架構、內存操作、屏幕操作、鍵盤(pán)操作、性能優(yōu)化等多方面闡述C語(yǔ)言嵌入式系統的編程技巧。軟件架構是一個(gè)宏觀(guān)概念，與具體硬件的聯(lián)系不大；內存操作主要涉及系統中的FLASH、RAM和NVRAM芯片；屏幕操作則涉及顯示控制器和實(shí)時(shí)鐘；鍵盤(pán)操作主要涉及鍵盤(pán)控制器；性能優(yōu)化則給出一些具體的減小程序時(shí)間、空間消耗的技巧。 在我們的修煉旅途中將經(jīng)過(guò)25個(gè)關(guān)口，這些關(guān)口主分為兩類(lèi)，一類(lèi)是技巧型，有很強的適用性；一類(lèi)則是常識型，在理論上有些意義。 So， let’s go. C語(yǔ)言嵌入式系統編程注意事項之軟件架構篇模塊劃分的“劃”是規劃的意思，意指怎樣合理的將一個(gè)很大的軟件劃分為一系列功能獨立的部分合作完成系統的需求。 模塊劃分 模塊劃分的“劃”是規劃的意思，意指怎樣合理的將一個(gè)很大的軟件劃分為一系列功能獨立的部分合作完成系統的需求。C語(yǔ)言作為一種結構化的程序設計語(yǔ)言，在模塊的劃分上主要依據功能（依功能進(jìn)行劃分在面向對象設計中成為一個(gè)錯誤，牛頓定律遇到了相對論），C語(yǔ)言模塊化程序設計需理解如下概念： （1） 模塊即是一個(gè).c文件和一個(gè).h文件的結合，頭文件（.h）中是對于該模塊接口的聲明； （2） 某模塊提供給其它模塊調用的外部函數及數據需在.h中文件中冠以extern關(guān)鍵字聲明； （3） 模塊內的函數和全局變量需在.c文件開(kāi)頭冠以staTIc關(guān)鍵字聲明； （4） 永遠不要在.h文件中定義變量！定義變量和聲明變量的區別在于定義會(huì )產(chǎn)生內存分配的操作，是匯編階段的概念；而聲明則只是告訴包含該聲明的模塊在連接階段從其它模塊尋找外部函數和變量。如： /*module1.h*/ int a = 5; /* 在模塊1的.h文件中定義int a */ /*module1 .c*/ #include “module1.h” /* 在模塊1中包含模塊1的.h文件 */ /*module2 .c*/ �。�i nclude “module1.h” /* 在模塊2中包含模塊1的.h文件 */ /*module3 .c*/ �。�i nclude “module1.h” /* 在模塊3中包含模塊1的.h文件 */ 以上程序的結果是在模塊1、2、3中都定義了整型變量a，a在不同的模塊中對應不同的地址單元，這個(gè)世界上從來(lái)不需要這樣的程序。正確的做法是： /*module1.h*/ extern int a; /* 在模塊1的.h文件中聲明int a */ /*module1 .c*/ �。�i nclude “module1.h” /* 在模塊1中包含模塊1的.h文件 */ int a = 5; /* 在模塊1的.c文件中定義int a */ /*module2 .c*/ �。�i nclude “module1.h” /* 在模塊2中包含模塊1的.h文件 */ /*module3 .c*/ �。�i nclude “module1.h” /* 在模塊3中包含模塊1的.h文件 */ 這樣如果模塊1、2、3操作a的話(huà)，對應的是同一片內存單元。 一個(gè)嵌入式系統通常包括兩類(lèi)模塊： （1）硬件驅動(dòng)模塊，一種特定硬件對應一個(gè)模塊； （2）軟件功能模塊，其模塊的劃分應滿(mǎn)足低偶合、高內聚的要求。 多任務(wù)還是單任務(wù) 所謂“單任務(wù)系統”是指該系統不能支持多任務(wù)并發(fā)操作，宏觀(guān)串行地執行一個(gè)任務(wù)。而多任務(wù)系統則可以宏觀(guān)并行（微觀(guān)上可能串行）地“同時(shí)”執行多個(gè)任務(wù)。 多任務(wù)的并發(fā)執行通常依賴(lài)于一個(gè)多任務(wù)操作系統（OS），多任務(wù)OS的核心是系統調度器，它使用任務(wù)控制塊（TCB）來(lái)管理任務(wù)調度功能。TCB包括任務(wù)的當前狀態(tài)、優(yōu)先級、要等待的事件或資源、任務(wù)程序碼的起始地址、初始堆棧指針等信息。調度器在任務(wù)被激活時(shí)，要用到這些信息。此外，TCB還被用來(lái)存放任務(wù)的“上下文”（context）。任務(wù)的上下文就是當一個(gè)執行中的任務(wù)被停止時(shí)，所要保存的所有信息。通常，上下文就是計算機當前的狀態(tài)，也即各個(gè)寄存器的內容。當發(fā)生任務(wù)切換時(shí)，當前運行的任務(wù)的上下文被存入TCB，并將要被執行的任務(wù)的上下文從它的TCB中取出，放入各個(gè)寄存器中。 嵌入式多任務(wù)OS的典型例子有Vxworks、ucLinux等。嵌入式OS并非遙不可及的神壇之物，我們可以用不到1000行代碼實(shí)現一個(gè)針對80186處理器的功能最簡(jiǎn)單的OS內核，作者正準備進(jìn)行此項工作，希望能將心得貢獻給大家。 究竟選擇多任務(wù)還是單任務(wù)方式，依賴(lài)于軟件的體系是否龐大。例如，絕大多數手機程序都是多任務(wù)的，但也有一些小靈通的協(xié)議棧是單任務(wù)的，沒(méi)有操作系統，它們的主程序輪流調用各個(gè)軟件模塊的處理程序，模擬多任務(wù)環(huán)境。 單任務(wù)程序典型架構 （1）從CPU復位時(shí)的指定地址開(kāi)始執行； （2）跳轉至匯編代碼startup處執行； （3）跳轉至用戶(hù)主程序main執行，在main中完成： a.初試化各硬件設備； b.初始化各軟件模塊； c.進(jìn)入死循環(huán)（無(wú)限循環(huán)），調用各模塊的處理函數 用戶(hù)主程序和各模塊的處理函數都以C語(yǔ)言完成。用戶(hù)主程序最后都進(jìn)入了一個(gè)死循環(huán)，其首選方案是： while（1） { } 有的程序員這樣寫(xiě)： for（;;） { } 這個(gè)語(yǔ)法沒(méi)有確切表達代碼的含義，我們從for（;;）看不出什么，只有弄明白for（;;）在C語(yǔ)言中意味著(zhù)無(wú)條件循環(huán)才明白其意。 下面是幾個(gè)“著(zhù)名”的死循環(huán)： （1）操作系統是死循環(huán)； （2）WIN32程序是死循環(huán)； （3）嵌入式系統軟件是死循環(huán)； （4）多線(xiàn)程程序的線(xiàn)程處理函數是死循環(huán)。 你可能會(huì )辯駁，大聲說(shuō)：“凡事都不是絕對的，2、3、4都可以不是死循環(huán)”。Yes，you are right，但是你得不到鮮花和掌聲。實(shí)際上，這是一個(gè)沒(méi)有太大意義的牛角尖，因為這個(gè)世界從來(lái)不需要一個(gè)處理完幾個(gè)消息就喊著(zhù)要OS殺死它的WIN32程序，不需要一個(gè)剛開(kāi)始RUN就自行了斷的嵌入式系統，不需要莫名其妙啟動(dòng)一個(gè)做一點(diǎn)事就干掉自己的線(xiàn)程。有時(shí)候，過(guò)于嚴謹制造的不是便利而是麻煩。君不見(jiàn)，五層的TCP/IP協(xié)議棧超越嚴謹的ISO/OSI七層協(xié)議棧大行其道成為事實(shí)上的標準？ 經(jīng)常有網(wǎng)友討論： printf（“%d，%d”，++i，i++）; /* 輸出是什么？*/ c = a+++b; /* c=？ */ 等類(lèi)似問(wèn)題。面對這些問(wèn)題，我們只能發(fā)出由衷的感慨：世界上還有很多有意義的事情等著(zhù)我們去消化攝入的食物。 實(shí)際上，嵌入式系統要運行到世界末日。 中斷服務(wù)程序 中斷是嵌入式系統中重要的組成部分，但是在標準C中不包含中斷。許多編譯開(kāi)發(fā)商在標準C上增加了對中斷的支持，提供新的關(guān)鍵字用于標示中斷服務(wù)程序（ISR），類(lèi)似于__interrupt、#program interrupt等。當一個(gè)函數被定義為ISR的時(shí)候，編譯器會(huì )自動(dòng)為該函數增加中斷服務(wù)程序所需要的中斷現場(chǎng)入棧和出棧代碼。 中斷服務(wù)程序需要滿(mǎn)足如下要求： （1）不能返回值； （2）不能向ISR傳遞參數； （3） ISR應該盡可能的短小精悍； （4） printf（char * lpFormatString，…）函數會(huì )帶來(lái)重入和性能問(wèn)題，不能在ISR中采用。 在某項目的開(kāi)發(fā)中，我們設計了一個(gè)隊列，在中斷服務(wù)程序中，只是將中斷類(lèi)型添加入該隊列中，在主程序的死循環(huán)中不斷掃描中斷隊列是否有中斷，有則取出隊列中的第一個(gè)中斷類(lèi)型，進(jìn)行相應處理。 /* 存放中斷的隊列 */ typedef struct tagIntQueue { int intType; /* 中斷類(lèi)型 */ struct tagIntQueue *next; }IntQueue; IntQueue lpIntQueueHead; __interrupt ISRexample （） { int intType; intType = GetSystemType（）; QueueAddTail（lpIntQueueHead， intType）；/* 在隊列尾加入新的中斷 */ } 在主程序循環(huán)中判斷是否有中斷： While（1） { If（ ！IsIntQueueEmpty（） ） { intType = GetFirsTInt（）; switch（intType） /* 是不是很象WIN32程序的消息解析函數？ */ { /* 對，我們的中斷類(lèi)型解析很類(lèi)似于消息驅動(dòng) */ case xxx： /* 我們稱(chēng)其為“中斷驅動(dòng)”吧？ */ … break; case xxx： … break; … } } } 按上述方法設計的中斷服務(wù)程序很小，實(shí)際的工作都交由主程序執行了。 模塊劃分的“劃”是規劃的意思，意指怎樣合理的將一個(gè)很大的軟件劃分為一系列功能獨立的部分合作完成系統的需求 |
