C語言嵌入式系統(tǒng)編程之軟件架構(gòu)篇

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(gòu)化的程序設(shè)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(shè)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(shè)計需理解如下概念：

　?。?） 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；

　?。?） 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(guān)鍵字聲明；

　?。?） 模塊內(nèi)的函數(shù)和全局變量需在.c文件開頭冠以static關(guān)鍵字聲明；

　?。?） 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*/

　　＃i nclude “module1.h” /* 在模塊1中包含模塊1的.h文件 */

　　/*module2 .c*/

　?。 nclude “module1.h” /* 在模塊2中包含模塊1的.h文件 */

　　/*module3 .c*/

　?。 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(yīng)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*/

　?。 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*/

　?。 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(yīng)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：

　?。?）硬件驅(qū)動模塊，一種特定硬件對應(yīng)一個模塊；

　　（2）軟件功能模塊，其模塊的劃分應(yīng)滿足低偶合、高內(nèi)聚的要求。

　　多任務(wù)還是單任務(wù)

　　所謂“單任務(wù)系統(tǒng)”是指該系統(tǒng)不能支持多任務(wù)并發(fā)操作，宏觀串行地執(zhí)行一個任務(wù)。而多任務(wù)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(wù)。

　　多任務(wù)的并發(fā)執(zhí)行通常依賴于一個多任務(wù)操作系統(tǒng)（OS），多任務(wù)OS的核心是系統(tǒng)調(diào)度器，它使用任務(wù)控制塊（TCB）來管理任務(wù)調(diào)度功能。TCB包括任務(wù)的當前狀態(tài)、優(yōu)先級、要等待的事件或資源、任務(wù)程序碼的起始地址、初始堆棧指針等信息。調(diào)度器在任務(wù)被激活時，要用到這些信息。此外，TCB還被用來存放任務(wù)的“上下文”（context）。任務(wù)的上下文就是當一個執(zhí)行中的任務(wù)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(wù)切換時，當前運行的任務(wù)的上下文被存入TCB，并將要被執(zhí)行的任務(wù)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(wù)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(wù)還是單任務(wù)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(wù)的，但也有一些小靈通的協(xié)議棧是單任務(wù)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(wù)環(huán)境。

　　單任務(wù)程序典型架構(gòu)

　?。?）從CPU復(fù)位時的指定地址開始執(zhí)行；

　?。?）跳轉(zhuǎn)至匯編代碼startup處執(zhí)行；

　?。?）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(shè)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)；

　?。?）嵌入式系統(tǒng)軟件是死循環(huán)；

　?。?）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

　　OSI是一個開放性的通行系統(tǒng)互連參考模型，他是一個定義的非常好的協(xié)議規(guī)范。OSI模型有7層結(jié)構(gòu)，每層都可以有幾個子層。

　　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。

　　中斷服務(wù)程序

　　中斷是嵌入式系統(tǒng)中重要的組成部分，但是在標準C中不包含中斷。許多編譯開發(fā)商在標準C上增加了對中斷的支持，提供新的關(guān)鍵字用于標示中斷服務(wù)程序（ISR），類似于__interrupt、#program interrupt等。當一個函數(shù)被定義為ISR的時候，編譯器會自動為該函數(shù)增加中斷服務(wù)程序所需要的中斷現(xiàn)場入棧和出棧代碼。

　　中斷服務(wù)程序需要滿足如下要求：

　?。?）不能返回值；

　?。?）不能向ISR傳遞參數(shù)；

　?。?） ISR應(yīng)該盡可能的短小精悍；

　?。?） printf（char * lpFormatString，…）函數(shù)會帶來重入和性能問題，不能在ISR中采用。

　　在某項目的開發(fā)中，我們設(shè)計了一個隊列，在中斷服務(wù)程序中，只是將中斷類型添加入該隊列中，在主程序的死循環(huán)中不斷掃描中斷隊列是否有中斷，有則取出隊列中的第一個中斷類型，進行相應(yīng)處理。

　　/* 存放中斷的隊列 */

　　typedef struct tagIntQueue

　　{

　　int intType; /* 中斷類型 */

　　struct tagIntQueue *next;

　　}IntQueue;

　　IntQueue lpIntQueueHead;

　　__interrupt ISRexample （）

　　{

　　int intType;

　　intType = GetSystemType（）;

　　QueueAddTail（lpIntQueueHead， intType）；/* 在隊列尾加入新的中斷 */

　　}

　　在主程序循環(huán)中判斷是否有中斷：

　　While（1）

　　{

　　If（ ！IsIntQueueEmpty（） ）

　　{

　　intType = GetFirstInt（）;

　　switch（intType） /* 是不是很象WIN32程序的消息解析函數(shù)？ */

　　{

　　/* 對，我們的中斷類型解析很類似于消息驅(qū)動 */

　　case xxx： /* 我們稱其為“中斷驅(qū)動”吧？ */

　　…

　　break;

　　case xxx：

　　…

　　break;

　　…

　　}

　　}

　　}

　　按上述方法設(shè)計的中斷服務(wù)程序很小，實際的工作都交由主程序執(zhí)行了。

　　硬件驅(qū)動模塊

　　一個硬件驅(qū)動模塊通常應(yīng)包括如下函數(shù)：

　?。?）中斷服務(wù)程序ISR

　　（2）硬件初始化

　　a.修改寄存器，設(shè)置硬件參數(shù)（如UART應(yīng)設(shè)置其波特率，AD/DA設(shè)備應(yīng)設(shè)置其采樣速率等）；

　　b.將中斷服務(wù)程序入口地址寫入中斷向量表：

　　/* 設(shè)置中斷向量表 */

　　m_myPtr = make_far_pointer（0l）; /* 返回void far型指針void far * */

　　m_myPtr += ITYPE_UART; /* ITYPE_UART： uart中斷服務(wù)程序 */

　　/* 相對于中斷向量表首地址的偏移 */

　　*m_myPtr = UART _Isr; /* UART _Isr：UART的中斷服務(wù)程序 */

　　（3）設(shè)置CPU針對該硬件的控制線

　　a.如果控制線可作PIO（可編程I/O）和控制信號用，則設(shè)置CPU內(nèi)部對應(yīng)寄存器使其作為控制信號；

　　b.設(shè)置CPU內(nèi)部的針對該設(shè)備的中斷屏蔽位，設(shè)置中斷方式（電平觸發(fā)還是邊緣觸發(fā)）。

　　（4）提供一系列針對該設(shè)備的操作接口函數(shù)。例如，對于LCD，其驅(qū)動模塊應(yīng)提供繪制像素、畫線、繪制矩陣、顯示字符點陣等函數(shù)；而對于實時鐘，其驅(qū)動模塊則需提供獲取時間、設(shè)置時間等函數(shù)。

　　C的面向?qū)ο蠡?/strong>

　　在面向?qū)ο蟮恼Z言里面，出現(xiàn)了類的概念。類是對特定數(shù)據(jù)的特定操作的集合體。類包含了兩個范疇：數(shù)據(jù)和操作。而C語言中的struct僅僅是數(shù)據(jù)的集合，我們可以利用函數(shù)指針將struct模擬為一個包含數(shù)據(jù)和操作的“類”。下面的C程序模擬了一個最簡單的“類”：

　　#ifndef C_Class

　　#define C_Class struct

　　#endif

　　C_Class A

　　{

　　C_Class A *A_this; /* this指針 */

　　void （*Foo）（C_Class A *A_this）; /* 行為：函數(shù)指針 */

　　int a; /* 數(shù)據(jù) */

　　int b;

　　};

　　我們可以利用C語言模擬出面向?qū)ο蟮娜齻€特性：封裝、繼承和多態(tài)，但是更多的時候，我們只是需要將數(shù)據(jù)與行為封裝以解決軟件結(jié)構(gòu)混亂的問題。C模擬面向?qū)ο笏枷氲哪康牟辉谟谀M行為本身，而在于解決某些情況下使用C語言編程時程序整體框架結(jié)構(gòu)分散、數(shù)據(jù)和函數(shù)脫節(jié)的問題。我們在后續(xù)章節(jié)會看到這樣的例子。

　　總結(jié)

　　本篇介紹了嵌入式系統(tǒng)編程軟件架構(gòu)方面的知識，主要包括模塊劃分、多任務(wù)還是單任務(wù)選取、單任務(wù)程序典型架構(gòu)、中斷服務(wù)程序、硬件驅(qū)動模塊設(shè)計等，從宏觀上給出了一個嵌入式系統(tǒng)軟件所包含的主要元素。

　　請記?。很浖Y(jié)構(gòu)是軟件的靈魂！結(jié)構(gòu)混亂的程序面目可憎，調(diào)試、測試、維護、升級都極度困難。