C語言嵌入式系統編程修煉之背景篇

2019-11-17 05:06:10

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供稿：網友

　　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，勢必要求其編程語言具備較強的硬件直接操作能力。無疑，匯編語言具備這樣的特質。但是，歸因于匯編語言開發過程的復雜性，它并不是嵌入式系統開發的一般選擇。

而與之相比，C語言--一種"高級的低級"語言，則成為嵌入式系統開發的最佳選擇。筆者在嵌入式系統項目的開發過程中，一次又一次感受到C語言的精妙，沉醉于C語言給嵌入式開發帶來的便利。

　　圖1給出了本文的討論所基于的硬件平臺，實際上，這也是大多數嵌入式系統的硬件平臺。它包括兩部分：

　?。?）以通用處理器為中心的協議處理模塊，用于網絡控制協議的處理；

　?。?）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議處理模塊進行，因為它更多地牽涉到具體的C語言編程技巧。而DSP編程則重點關注具體的數字信號處理算法，主要涉及通信領域的知識，不是本文的討論重點。

　　著眼于討論普遍的嵌入式系統C編程技巧，系統的協議處理模塊沒有選擇非凡的CPU，而是選擇了眾所周知的CPU芯片--80186，每一位學習過《微機原理》的讀者都應該對此芯片有一個基本的熟悉，且對其指令集比較熟悉。80186的字長是16位，可以尋址到的內存空間為1MB，只有實地址模式。C語言編譯生成的指針為32位（雙字），高16位為段地址，低16位為段內編譯，一段最多64KB。

圖1 系統硬件架構

　　協議處理模塊中的Flash和RAM幾乎是每個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。

　　實時鐘芯片可以為系統定時，給出當前的年、月、日及具體時間（小時、分、秒及毫秒），可以設定其經過一段時間即向CPU提出中斷或設定報警時間到來時向CPU提出中斷（類似鬧鐘功能）。

　　NVRAM（非易失去性RAM）具有掉電不丟失數據的特性，可以用于保存系統的設置信息，譬如網絡協議參數等。在系統掉電或重新啟動后，仍然可以讀取先前的設置信息。其位寬為8位，比CPU字長小。文章特意選擇一個與CPU字長不一致的存儲芯片，為后文中一節的討論創造條件。

　　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。

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

　　嵌入式系統需要良好的軟件開發環境的支持，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、復雜的開發環境，因而其開發環境和目標運行環境相互分離。因此，嵌入式應用軟件的開發方式一般是，在宿主機(Host)上建立開發環境，進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行交叉調試，經過調試和優化，最后將應用程序固化到目標機中實際運行。

　　CAD-UL是適用于x86處理器的嵌入式應用軟件開發環境，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PC機的COM口（RS-232串口）或以太網口下載到目標機上運行，如圖2。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。

圖2 交叉開發環境

　　后續章節將從軟件架構、內存操作、屏幕操作、鍵盤操作、性能優化等多方面闡述C語言嵌入式系統的編程技巧。軟件架構是一個宏觀概念，與具體硬件的聯系不大；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時鐘；鍵盤操作主要涉及鍵盤控制器；性能優化則給出一些具體的減小程序時間、空間消耗的技巧。

　　在我們的修煉旅途中將經過25個關口，這些關口主分為兩類，一類是技巧型，有很強的適用性；一類則是常識型，在理論上有些意義。

　　So, let’s go.