C語言嵌入式系統(tǒng)編程注意事項(xiàng)

　　C語言

　　C語言是一門通用計(jì)算機(jī)編程語言，應(yīng)用廣泛。C語言的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供一種能以簡易的方式編譯、處理低級(jí)存儲(chǔ)器、產(chǎn)生少量的機(jī)器碼以及不需要任何運(yùn)行環(huán)境支持便能運(yùn)行的編程語言。

　　盡管C語言提供了許多低級(jí)處理的功能，但仍然保持著良好跨平臺(tái)的特性，以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格寫出的C語言程序可在許多電腦平臺(tái)上進(jìn)行編譯，甚至包含一些嵌入式處理器（單片機(jī)或稱MCU）以及超級(jí)電腦等作業(yè)平臺(tái)。

　　二十世紀(jì)八十年代，為了避免各開發(fā)廠商用的C語言語法產(chǎn)生差異，由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局為C語言訂定了一套完整的國際標(biāo)準(zhǔn)語法，稱為ANSI C，作為C語言最初的標(biāo)準(zhǔn)。

　　C語言嵌入式系統(tǒng)編程注意事項(xiàng)

　　不同于一般形式的軟件編程，嵌入式系統(tǒng)編程建立在特定的硬件平臺(tái)上，勢(shì)必要求其編程語言具備較強(qiáng)的硬件直接操作能力。無疑，匯編語言具備這樣的特質(zhì)。但是，歸因于匯編語言開發(fā)過程的復(fù)雜性，它并不是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一般選擇。而與之相比，C語言--一種“高級(jí)的低級(jí)”語言，則成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的最佳選擇。筆者在嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目的開發(fā)過程中，一次又一次感受到C語言的精妙，沉醉于C語言給嵌入式開發(fā)帶來的便利。

　　圖1給出了本文的討論所基于的硬件平臺(tái)，實(shí)際上，這也是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。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(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為中心的信號(hào)處理模塊，用于調(diào)制、解調(diào)和數(shù)/模信號(hào)轉(zhuǎn)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?yàn)樗嗟貭可娴骄唧w的C語言編程技巧。而DSP編程則重點(diǎn)關(guān)注具體的數(shù)字信號(hào)處理算法，主要涉及通信領(lǐng)域的知識(shí)，不是本文的討論重點(diǎn)。

　　著眼于討論普遍的嵌入式系統(tǒng)C編程技巧，系統(tǒng)的協(xié)議處理模塊沒有選擇特別的CPU，而是選擇了眾所周知的CPU芯片--80186，每一位學(xué)習(xí)過《微機(jī)原理》的讀者都應(yīng)該對(duì)此芯片有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，且對(duì)其指令集比較熟悉。80186的字長是16位，可以尋址到的內(nèi)存空間為1MB，只有實(shí)地址模式。C語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(nèi)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(tǒng)的必備設(shè)備，前者用于存儲(chǔ)程序，后者則是程序運(yùn)行時(shí)指令及數(shù)據(jù)的存放位置。系統(tǒng)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(tǒng)定時(shí)，給出當(dāng)前的年、月、日及具體時(shí)間（小時(shí)、分、秒及毫秒），可以設(shè)定其經(jīng)過一段時(shí)間即向CPU提出中斷或設(shè)定報(bào)警時(shí)間到來時(shí)向CPU提出中斷（類似鬧鐘功能）。

　　NVRAM（非易失去性RAM）具有掉電不丟失數(shù)據(jù)的特性，可以用于保存系統(tǒng)的設(shè)置信息，譬如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議參數(shù)等。在系統(tǒng)掉電或重新啟動(dòng)后，仍然可以讀取先前的設(shè)置信息。其位寬為8位，比CPU字長小。文章特意選擇一個(gè)與CPU字長不一致的存儲(chǔ)芯片，為后文中一節(jié)的討論創(chuàng)造條件。

　　UART則完成CPU并行數(shù)據(jù)傳輸與RS-232串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換，它可以在接收到［1~MAX_BUFFER］字節(jié)后向CPU提出中斷，MAX_BUFFER為UART芯片存儲(chǔ)接收到字節(jié)的最大緩沖區(qū)。

　　鍵盤控制器和顯示控制器則完成系統(tǒng)人機(jī)界面的控制。

　　以上提供的是一個(gè)較完備的嵌入式系統(tǒng)硬件架構(gòu)，實(shí)際的系統(tǒng)可能包含更少的外設(shè)。之所以選擇一個(gè)完備的系統(tǒng)，是為了后文更全面的討論嵌入式系統(tǒng)C語言編程技巧的方方面面，所有設(shè)備都會(huì)成為后文的分析目標(biāo)。

　　嵌入式系統(tǒng)需要良好的軟件開發(fā)環(huán)境的支持，由于嵌入式系統(tǒng)的目標(biāo)機(jī)資源受限，不可能在其上建立龐大、復(fù)雜的開發(fā)環(huán)境，因而其開發(fā)環(huán)境和目標(biāo)運(yùn)行環(huán)境相互分離。因此，嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)方式一般是，在宿主機(jī)（Host）上建立開發(fā)環(huán)境，進(jìn)行應(yīng)用程序編碼和交叉編譯，然后宿主機(jī)同目標(biāo)機(jī)（Target）建立連接，將應(yīng)用程序下載到目標(biāo)機(jī)上進(jìn)行交叉調(diào)試，經(jīng)過調(diào)試和優(yōu)化，最后將應(yīng)用程序固化到目標(biāo)機(jī)中實(shí)際運(yùn)行。

　　CAD-UL是適用于x86處理器的嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境，它運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)之上，可生成x86處理器的目標(biāo)代碼并通過PC機(jī)的COM口（RS-232串口）或以太網(wǎng)口下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行，如圖2。其駐留于目標(biāo)機(jī)FLASH存儲(chǔ)器中的monitor程序可以監(jiān)控宿主機(jī)Windows調(diào)試平臺(tái)上的用戶調(diào)試指令，獲取CPU寄存器的值及目標(biāo)機(jī)存儲(chǔ)空間、I/O空間的內(nèi)容。

　　后續(xù)章節(jié)將從軟件架構(gòu)、內(nèi)存操作、屏幕操作、鍵盤操作、性能優(yōu)化等多方面闡述C語言嵌入式系統(tǒng)的編程技巧。軟件架構(gòu)是一個(gè)宏觀概念，與具體硬件的聯(lián)系不大；內(nèi)存操作主要涉及系統(tǒng)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；鍵盤操作主要涉及鍵盤控制器；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25個(gè)關(guān)口，這些關(guān)口主分為兩類，一類是技巧型，有很強(qiáng)的適用性；一類則是常識(shí)型，在理論上有些意義。

　　So， let’s go.

　　C語言嵌入式系統(tǒng)編程注意事項(xiàng)之軟件架構(gòu)篇

　　模塊劃分的“劃”是規(guī)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(dú)立的部分合作完成系統(tǒng)的需求

　　模塊劃分

　　模塊劃分的“劃”是規(guī)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(dú)立的部分合作完成系統(tǒng)的需求。C語言作為一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語言，在模塊的劃分上主要依據(jù)功能（依功能進(jìn)行劃分在面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)中成為一個(gè)錯(cuò)誤，牛頓定律遇到了相對(duì)論），C語言模塊化程序設(shè)計(jì)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(jié)合，頭文件（.h）中是對(duì)于該模塊接口的聲明；

　?。?） 某模塊提供給其它模塊調(diào)用的外部函數(shù)及數(shù)據(jù)需在.h中文件中冠以extern關(guān)鍵字聲明；

　　（3） 模塊內(nèi)的函數(shù)和全局變量需在.c文件開頭冠以static關(guān)鍵字聲明；

　?。?） 永遠(yuǎn)不要在.h文件中定義變量！定義變量和聲明變量的區(qū)別在于定義會(huì)產(chǎn)生內(nèi)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(shù)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(jié)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(duì)應(yīng)不同的地址單元，這個(gè)世界上從來不需要這樣的程序。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*/

　?。 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*/

　?。 nclude “module1.h” /* 在模塊2中包含模塊1的.h文件 */

　　/*module3 .c*/

　?。 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，對(duì)應(yīng)的是同一片內(nèi)存單元。

　　一個(gè)嵌入式系統(tǒng)通常包括兩類模塊：

　?。?）硬件驅(qū)動(dòng)模塊，一種特定硬件對(duì)應(yīng)一個(gè)模塊；

　?。?）軟件功能模塊，其模塊的劃分應(yīng)滿足低偶合、高內(nèi)聚的要求。

　　多任務(wù)還是單任務(wù)

　　所謂“單任務(wù)系統(tǒng)”是指該系統(tǒng)不能支持多任務(wù)并發(fā)操作，宏觀串行地執(zhí)行一個(gè)任務(wù)。而多任務(wù)系統(tǒng)則可以宏觀并行（微觀上可能串行）地“同時(shí)”執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。

　　多任務(wù)的并發(fā)執(zhí)行通常依賴于一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)（OS），多任務(wù)OS的核心是系統(tǒng)調(diào)度器，它使用任務(wù)控制塊（TCB）來管理任務(wù)調(diào)度功能。TCB包括任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)、優(yōu)先級(jí)、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(diào)度器在任務(wù)被激活時(shí)，要用到這些信息。此外，TCB還被用來存放任務(wù)的“上下文”（context）。任務(wù)的上下文就是當(dāng)一個(gè)執(zhí)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(jì)算機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)，也即各個(gè)寄存器的內(nèi)容。當(dāng)發(fā)生任務(wù)切換時(shí)，當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)的上下文被存入TCB，并將要被執(zhí)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(xiàn)一個(gè)針對(duì)80186處理器的功能最簡單的OS內(nèi)核，作者正準(zhǔn)備進(jìn)行此項(xiàng)工作，希望能將心得貢獻(xiàn)給大家。

　　究竟選擇多任務(wù)還是單任務(wù)方式，依賴于軟件的體系是否龐大。例如，絕大多數(shù)手機(jī)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，沒有操作系統(tǒng)，它們的主程序輪流調(diào)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(gòu)

　?。?）從CPU復(fù)位時(shí)的指定地址開始執(zhí)行；

　?。?）跳轉(zhuǎn)至匯編代碼startup處執(zhí)行；

　　（3）跳轉(zhuǎn)至用戶主程序main執(zhí)行，在main中完成：

　　a.初試化各硬件設(shè)備；

　　b.初始化各軟件模塊；

　　c.進(jìn)入死循環(huán)（無限循環(huán)），調(diào)用各模塊的處理函數(shù)

　　用戶主程序和各模塊的處理函數(shù)都以C語言完成。用戶主程序最后都進(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：

　　for（;;）

　　{

　　}

　　這個(gè)語法沒有確切表達(dá)代碼的含義，我們從for（;;）看不出什么，只有弄明白for（;;）在C語言中意味著無條件循環(huán)才明白其意。

　　下面是幾個(gè)“著名”的死循環(huán)：

　?。?）操作系統(tǒng)是死循環(huán)；

　　（2）WIN32程序是死循環(huán)；

　　（3）嵌入式系統(tǒng)軟件是死循環(huán)；

　?。?）多線程程序的線程處理函數(shù)是死循環(huán)。

　　你可能會(huì)辯駁，大聲說：“凡事都不是絕對(duì)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)沒有太大意義的牛角尖，因?yàn)檫@個(gè)世界從來不需要一個(gè)處理完幾個(gè)消息就喊著要OS殺死它的WIN32程序，不需要一個(gè)剛開始RUN就自行了斷的嵌入式系統(tǒng)，不需要莫名其妙啟動(dòng)一個(gè)做一點(diǎn)事就干掉自己的線程。有時(shí)候，過于嚴(yán)謹(jǐn)制造的不是便利而是麻煩。君不見，五層的TCP/IP協(xié)議棧超越嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腎SO/OSI七層協(xié)議棧大行其道成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)？

　　經(jīng)常有網(wǎng)友討論：

　　printf（“%d，%d”，++i，i++）; /* 輸出是什么？*/

　　c = a+++b; /* c=？ */

　　等類似問題。面對(duì)這些問題，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我們?nèi)ハ瘮z入的食物。

　　實(shí)際上，嵌入式系統(tǒng)要運(yùn)行到世界末日。