C語言

　　C語言是一門通用計算機編程語言，應用廣泛。C語言的設計目標是提供一種能以簡易的方式編譯、處理低級存儲器、產(chǎn)生少量的機器碼以及不需要任何運行環(huán)境支持便能運行的編程語言。

　　盡管C語言提供了許多低級處理的功能，但仍然保持著良好跨平臺的特性，以一個標準規(guī)格寫出的C語言程序可在許多電腦平臺上進行編譯，甚至包含一些嵌入式處理器（單片機或稱MCU）以及超級電腦等作業(yè)平臺。

　　二十世紀八十年代，為了避免各開發(fā)廠商用的C語言語法產(chǎn)生差異，由美國國家標準局為C語言訂定了一套完整的國際標準語法，稱為ANSI C，作為C語言最初的標準。

　　C語言嵌入式系統(tǒng)編程注意事項

　　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：

　　（1） 以通用處理器為中心的協(xié)議處理模塊，用于網(wǎng)絡控制協(xié)議的處理；

　　（2） 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編程則重點關注具體的數(shù)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(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。

　　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），可以設定其經(jīng)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(shù)據(jù)的特性，可以用于保存系統(tǒng)的設置信息，譬如網(wǎng)絡協(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，實際的系統(tǒng)可能包含更少的外設。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(diào)試，經(jīng)過調(diào)試和優(yōu)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(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。

　　后續(xù)章節(jié)將從軟件架構、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.

　　C語言嵌入式系統(tǒng)編程注意事項之軟件架構篇

　　模塊劃分的“劃”是規(guī)劃的意思，意指怎樣合理的將一個很大的軟件劃分為一系列功能獨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很大的軟件劃分為一系列功能獨立的部分合作完成系統(tǒng)的需求。C語言作為一種結(jié)構化的程序設計語言，在模塊的劃分上主要依據(jù)功能（依功能進行劃分在面向?qū)ο笤O計中成為一個錯誤，牛頓定律遇到了相對論），C語言模塊化程序設計需理解如下概念：

　　（1） 模塊即是一個.c文件和一個.h文件的結(jié)合，頭文件（.h）中是對于該模塊接口的聲明；

　　（2） 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關鍵字聲明；

　　（4） 永遠不要在.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在不同的模塊中對應不同的地址單元，這個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*/

　　＃i 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*/

　　＃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 */

　　這樣如果模塊1、2、3操作a的話，對應的是同一片內(nèi)存單元。

　　一個嵌入式系統(tǒng)通常包括兩類模塊：

　　（1）硬件驅(qū)動模塊，一種特定硬件對應一個模塊；

　　（2）軟件功能模塊，其模塊的劃分應滿足低偶合、高內(nèi)聚的要求。

　　多任務還是單任務

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

　　多任務的并發(fā)執(zhí)行通常依賴于一個多任務操作系統(tǒng)（OS），多任務OS的核心是系統(tǒng)調(diào)度器，它使用任務控制塊（TCB）來管理任務調(diào)度功能。TCB包括任務的當前狀態(tài)、優(yōu)先級、要等待的事件或資源、任務程序碼的起始地址、初始堆棧指針等信息。調(diào)度器在任務被激活時，要用到這些信息。此外，TCB還被用來存放任務的“上下文”（context）。任務的上下文就是當一個執(zhí)行中的任務被停止時，所要保存的所有信息。通常，上下文就是計算機當前的狀態(tài)，也即各個寄存器的內(nèi)容。當發(fā)生任務切換時，當前運行的任務的上下文被存入TCB，并將要被執(zhí)行的任務的上下文從它的TCB中取出，放入各個寄存器中。

　　嵌入式多任務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行代碼實現(xiàn)一個針對80186處理器的功能最簡單的OS內(nèi)核，作者正準備進行此項工作，希望能將心得貢獻給大家。

　　究竟選擇多任務還是單任務方式，依賴于軟件的體系是否龐大。例如，絕大多數(shù)手機程序都是多任務的，但也有一些小靈通的協(xié)議棧是單任務的，沒有操作系統(tǒng)，它們的主程序輪流調(diào)用各個軟件模塊的處理程序，模擬多任務環(huán)境。

　　單任務程序典型架構

　　（1）從CPU復位時的指定地址開始執(zhí)行；

　　（2）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.初試化各硬件設備；

　　b.初始化各軟件模塊；

　　c.進入死循環(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入了一個死循環(huán)，其首選方案是：

　　while（1）

　　{

　　}

　　有的程序員這樣寫：

　　for（;;）

　　{

　　}

　　這個語法沒有確切表達代碼的含義，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“著名”的死循環(huán)：

　　（1）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)；

　　（4）多線程程序的線程處理函數(shù)是死循環(huán)。

　　你可能會辯駁，大聲說：“凡事都不是絕對的，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。實際上，這是一個沒有太大意義的牛角尖，因為這個世界從來不需要一個處理完幾個消息就喊著要OS殺死它的WIN32程序，不需要一個剛開始RUN就自行了斷的嵌入式系統(tǒng)，不需要莫名其妙啟動一個做一點事就干掉自己的線程。有時候，過于嚴謹制造的不是便利而是麻煩。君不見，五層的TCP/IP協(xié)議棧超越嚴謹?shù)腎SO/OSI七層協(xié)議棧大行其道成為事實上的標準？

　　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。

　　實際上，嵌入式系統(tǒng)要運行到世界末日。