|
1 嵌入式系統傳統編程模式 嵌入式系統與通用計算機系統同源，可是因為應用領(lǐng)域和研發(fā)人員的不同，嵌入式系統很早就走向相對獨立的發(fā)展道路，其編程模式與通用計算機系統有較大的區別。一般來(lái)說(shuō)，嵌入式系統傳統編程模式有面向寄存器的編程模式、面向API的編程模式、面向端口的編程模式等，其中面向寄存器的編程模式仍然占主導地位。 1．1 面向寄存器的編程模式 嵌入式系統是一個(gè)軟硬件結合的系統，其中硬件是基礎，所有的嵌入式軟件都會(huì )直接或間接地操作硬件。所謂“面伺寄存器的編程”，就是軟件直接操作硬件提供的編程接口來(lái)編寫(xiě)嵌入式軟件的編程模式。目前，本地硬件提供的編程接口大多數為寄存器，它們通常映射到軟件能夠直接訪(fǎng)問(wèn)的I／O空間或存儲器空間。 面向寄存器的編程模式的基本步驟如圖1所示，這是一個(gè)蜂鳴器鳴叫的程序。由此可以看出，面向寄存器的編程模式需要對硬件細節非常了解，這是非常繁瑣和容易出錯的，并且對開(kāi)發(fā)人員的要求較高。 一句話(huà)形容：面向寄存器的編程模式就是自己既作將軍又作士兵，眉毛胡子一把抓。 1．2 面向API的編程模式 面向寄存器的編程模式非常麻煩，效率低下，不是人人都能勝任的。為了方便嵌入式軟件的編寫(xiě)，有些公司編寫(xiě)軟件把硬件屏蔽起來(lái)形成API，應用軟件則通過(guò)這些API接口訪(fǎng)問(wèn)硬件。這種通過(guò)第三方軟件提供的接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)硬件的編程模式就是面向API的編程模式。 即使相同的硬件，不同公司提供的API也有很大的出入。有些僅僅提供了一些程序庫，對硬件進(jìn)行簡(jiǎn)單封裝。而有的則提供標準的操作系統接口，如WinCE、嵌入式Linux和VxWorks等。 所有這些API一般是面向本地硬件和部分特定總線(xiàn)(如PCI、USB)的遠程硬件的。 面向API編程模式的基本步驟如圖2所示�？梢钥闯�，面向API的編程模式只需要對硬件細節有大概的了解即可，但需要對API手冊進(jìn)行詳細閱讀才能開(kāi)發(fā)。不同系統的API可能完全不同，換一種系統，開(kāi)發(fā)人員就需要重新熟悉新的API。另外，不同系統的API功能和性能差異極大，對開(kāi)發(fā)人員的要求也有較大的差別。一句話(huà)形容：面向API的編程模式就是手把手教別人干活。 
1．3 面向端口的編程 面向端口編程是PLC(可編程邏輯控制器)的編程模式。PLC把所有硬件都虛擬成端口，通過(guò)對端口的讀寫(xiě)完成對硬件的控制。PLC最初是為了替代繼電器編程，對復雜程序的支持比較弱，對遠程硬件的支持也比較弱(主要支持PLC廠(chǎng)商自己的配件)。
2 嵌入式系統傳統編程方法的困境 2．1 對 比 各種傳統的嵌入式系統編程模式有各自特點(diǎn)，如表1所列。
2．2 困 境 最初，嵌入式系統都是獨立工作的。傳統的編程模式都是面向獨立的微控制器(微處理器)，操作的硬件都是本地硬件。 隨著(zhù)時(shí)間的推移，嵌入式系統由獨立工作走向了網(wǎng)絡(luò )控制(典型的系統就是集散控制系統)，此時(shí)嵌入式系統的編程模式依然是面向獨立的微控制器(微處理器)。要把這些嵌入式系統組成網(wǎng)絡(luò )，需要為所有控制器增加兼容的通信接口硬件，并設計兼容的通信協(xié)議。而且，每個(gè)系統需要對硬件通信接口編程及對通信協(xié)議編程后才可能組成網(wǎng)絡(luò )。這個(gè)設計無(wú)疑是復雜的。 用面向寄存器的編程模式編寫(xiě)聯(lián)網(wǎng)控制系統的步驟如圖3所示，面向API的編程模式的步驟如圖4所示。圖3、圖4的右邊是編寫(xiě)控制遠程蜂鳴器鳴叫程序的步驟。至于面向端口的編程模式，目前主要是PLC，它的開(kāi)發(fā)步驟比較簡(jiǎn)單，讀者可以參考PLC的開(kāi)發(fā)手冊。不過(guò)，PLC一般支持有限的遠程設備，并且成本高昂，很多時(shí)候并不適用。通過(guò)圖3和圖4可以看出，對于聯(lián)網(wǎng)的控制系統，這兩種編程模式的步驟基本相同。面向寄存器的編程模式開(kāi)發(fā)難度很大，而面向API的編程模式相對小一些，不過(guò)任務(wù)依然艱巨。
各種編程模式的對比如表2所列。
現在，組網(wǎng)的范圍更加廣泛：不但需要本地組網(wǎng)，還需要遠程組網(wǎng)；不但控制設備之間需要互連，控制設備與普通計算機之間還需要互連，以及不同廠(chǎng)商的設備之間也要互連。這些要求無(wú)疑加劇了系統編程的復雜性。 3 面向設備的編程模式 3．1 范 例 面向設備的編程模式是由面向API的編程模式和面向端口的編程模式繼承發(fā)展而來(lái)的，具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，避免了各自的缺點(diǎn)，同時(shí)極大地增強了組網(wǎng)能力。
這里依然以開(kāi)發(fā)控制遠程蜂鳴器的嵌入式系統為例，其開(kāi)發(fā)流程如圖5所示。圖5的左邊是面向設備的編程模式，右邊是開(kāi)發(fā)步驟。 通過(guò)查看遠程設備圖，得知蜂鳴器的端口地址為0x1111，寫(xiě)1為鳴叫，寫(xiě)0為停止鳴叫。 這種編程模式非常簡(jiǎn)單。事實(shí)上延時(shí)功能已經(jīng)定義成本地端口，真實(shí)的程序將更簡(jiǎn)單。面向設備編程模式與傳統編程模式的對比如表3所列。
3．2 設計目標 針對目前嵌入式系統設計的困境，本文提出“面向設備的編程”這一概念。研發(fā)人員不需要考慮硬件細節和網(wǎng)絡(luò )細節，使用同一種方式操作本地硬件和遠程硬件。 與傳統編程模式不同，面向設備的編程模式把所有通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接的嵌入式系統和計算機作為一個(gè)整體來(lái)考慮。研發(fā)人員只需要知道設備地址和設備內端口地址的分配即可，不需要知道設備如何連接到系統，可以通過(guò)有限的幾個(gè)函數操作設備。 3．3 特 點(diǎn) AnyWhere最大的特點(diǎn)是著(zhù)眼于系統，是系統級解決方案。一個(gè)系統中的所有嵌入式設備都使用AnyWhere兼容設備，整體效果最佳。除了這個(gè)特點(diǎn)外，AnyWhere還有以下特點(diǎn)： ①使用ANSI C編程。將來(lái)可能增加編程語(yǔ)言支持。 ②編程接口統一。無(wú)論操作設備的什么功能，都使用有限的幾個(gè)函數操作。 ③編程不區分遠程設備和本地硬件。系統保留1個(gè)系統地址(符號為AW_LOCAL_ADDR，值為0x00000000)用于識別本地設備，用這個(gè)地址操作的就是本地設備。大多數情況下，設備也可以使用設備的真實(shí)地址來(lái)訪(fǎng)問(wèn)本地硬件。這樣，設備可以使用同樣的接口訪(fǎng)問(wèn)本地硬件和遠程設備。 ④多協(xié)議多網(wǎng)絡(luò )支持。AnyWhere默認協(xié)議計劃支持RS232、RS485、RS422、以太網(wǎng)、CAN、USB等網(wǎng)絡(luò )。AnyWhere還計劃支持 ModeBus、iCAN、CANOpen、DeviceNet、J1939、DMX512、MVB等協(xié)議。用戶(hù)還可以通過(guò)多協(xié)議接口增加特定的協(xié)議。 ⑤協(xié)議及鏈路自動(dòng)動(dòng)態(tài)匹配。研發(fā)人員只需要知道設備的地址就可以編程，而不需關(guān)心主控設備與被控設備之間的網(wǎng)絡(luò )與協(xié)議匹配問(wèn)題。系統會(huì )自動(dòng)選擇兩者均支持 (并且當前網(wǎng)絡(luò )結構支持)的協(xié)議。如果網(wǎng)絡(luò )結構發(fā)生變化，系統會(huì )再次主動(dòng)選擇協(xié)議。這些過(guò)程都是透明的，研發(fā)人員無(wú)需關(guān)心。 ⑥提供被控設備編程接口。用戶(hù)可以通過(guò)這個(gè)接口設計特殊的被控設備。 4 基本設計思想 (1)總體設計思想 AnyWhere把所有用網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)的嵌入式系統作為一個(gè)整體來(lái)考慮。依據其在系統中的作用，把嵌入式系統分為主控設備和被控設備兩類(lèi)。 主控設備通過(guò)遠程調用來(lái)控制被控設備。每當主控設備調用AnyWhere的主機接口核心函數時(shí)，對應的被控設備執行相應的函數。被控設備的函數執行完畢后，把返回值和執行結果反饋給主控設備，主控設備獲得執行結果，函數返回。 (2)基本框圖 AnyWhere的基本框圖如圖6所示。
(3)一般處理流程 為主控設備訪(fǎng)問(wèn)遠程設備中awRead()函數的一般處理流程是：主控設備首先查找ARP表，如果ARP表中存有被控設備信息，調用被控設備函數開(kāi)始執行；如果ARP表中不存在此遠程設備的情況，則需要請求添加此設備；在遠程設備添加成功后，調用被控設備函數開(kāi)始執行；程序處理完成后應答返回。 5 主要的用戶(hù)編程接口 5. 1 主控設備編程接口(核心編程接口) 這是一般用戶(hù)使用的接口，也是最常用的API。這部分有4個(gè)函數，分別是awRead()、awWrite()、awReadEx()和 awWriteEx()。其中函數awRead()和awWrite()是對指定設備的指定端口用默認的模式讀寫(xiě)，讀寫(xiě)的數據都會(huì )轉化為32位無(wú)符號數。而awReadEx()和awWriteEx()用于對端口一次讀寫(xiě)多個(gè)數據，需要指定讀寫(xiě)模式，這個(gè)模式還必須與端口的模式一致。 5．2 被控設備編程接口 在設計一個(gè)控制系統時(shí)，被控設備一般會(huì )選擇標準設備，不需要用戶(hù)編程。如果使用非標準的被控設備，就需要進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)。從圖6可以看出，被控設備的應用程序僅僅是初始化而已。如果用戶(hù)選擇廣州致遠電子有限公司的半成品模塊，大多數情況下也無(wú)需開(kāi)發(fā)，只需通過(guò)向導(PC機程序)配置需要的功能就可以生成需要的代碼。如果這些半成品模塊不能完全滿(mǎn)足系統需求，就要進(jìn)行研發(fā)。 來(lái)源：《單片機與嵌入式系統》 2009年9期 作者：周立功 |
