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C語言嵌入式系統(tǒng)編程修煉之一:背景篇

作者:宋寶華   更新日期:2005-08-30
來源:yesky.com   

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。

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。

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(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。