C語言嵌入式系統(tǒng)編程修煉之道
C語言嵌入式系統(tǒng)編程修之背景篇
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.
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。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,用于網絡控制協(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,用于調制、解調和數(shù)/模信號轉換。
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位為段內編譯,一段最多64KB。
圖1 系統(tǒng)硬件架構 |
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試,經過調試和優(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調試平臺上的用戶調試指令,獲取CPU寄存器的值及目標機存儲空間、I/O空間的內容。
后續(xù)章節(jié)將從軟件架構、內存操作、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。
在我們的修旅途中將經過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。
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