C語言嵌入式系統(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(zhì)。 

    但是，歸因于匯編語言開發(fā)過程的復雜性，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"高級的低級"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，實際上，這也是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺。它包括兩部分： 

　?。?） 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；

　?。?） 以數(shù)字信號處理器（DSP）為中心的信號處理模塊，用于調(diào)制、解調(diào)和數(shù)/模信號轉(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(guān)注具體的數(shù)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。

　　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，每一位學習過《微機原理》的讀者都應(yīng)該對此芯片有一個基本的認識，且對其指令集比較熟悉。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。



圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu) 

　　協(xié)議處理模塊中的FLASH和RAM幾乎是每個嵌入式系統(tǒng)的必備設(shè)備，前者用于存儲程序，后者則是程序運行時指令及數(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。

　　實時鐘芯片可以為系統(tǒng)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(shè)定其經(jīng)過一段時間即向CPU提出中斷或設(shè)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(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。文章特意選擇一個與CPU字長不一致的存儲芯片，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)人機界面的控制。

　　以上提供的是一個較完備的嵌入式系統(tǒng)硬件架構(gòu)，實際的系統(tǒng)可能包含更少的外設(shè)。之所以選擇一個完備的系統(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)備都會成為后文的分析目標。

　　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)的目標機資源受限，不可能在其上建立龐大、復雜的開發(fā)環(huán)境，因而其開發(fā)環(huán)境和目標運行環(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(Host)上建立開發(fā)環(huán)境，進行應(yīng)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(yīng)用程序下載到目標機上進行交叉調(diào)試，經(jīng)過調(diào)試和優(yōu)化，最后將應(yīng)用程序固化到目標機中實際運行。 

　　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，它運行在Windows操作系統(tǒng)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(wǎng)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(jiān)控宿主機Windows調(diào)試平臺上的用戶調(diào)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(nèi)容。



圖2 交叉開發(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語言嵌入式系統(tǒng)的編程技巧。軟件架構(gòu)是一個宏觀概念，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時鐘；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間、空間消耗的技巧。

　　在我們的修煉旅途中將經(jīng)過25個關(guān)口，這些關(guān)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。 

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