C語(yǔ)言嵌入式系統(tǒng)編程修煉之背景篇

    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(yǔ)言具備較強(qiáng)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(fù)雜性，它并不是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一般選擇。而與之相比，C語(yǔ)言--一種"高級(jí)的低級(jí)"語(yǔ)言，則成為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的最佳選擇。筆者在嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)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。

　　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(yǔ)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(méi)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(guò)《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(zhǎng)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(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(nèi)編譯，一段最多64KB。



圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu) 

　　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(guò)一段時(shí)間即向CPU提出中斷或設(shè)定報(bào)警時(shí)間到來(lái)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(zhǎng)小。文章特意選擇一個(gè)與CPU字長(zhǎng)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(yǔ)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(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境，因而其開(kāi)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(kāi)發(fā)方式一般是，在宿主機(jī)(Host)上建立開(kāi)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(guò)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(kāi)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(guò)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。



圖2 交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境 

　　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(yǔ)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(guò)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。 

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