嵌入式應(yīng)用設(shè)計模式
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一、軟件開發(fā)
單片機生產(chǎn)廠家不斷增多，單片機品種層出不窮。單片機廣泛選擇是當(dāng)今產(chǎn)品開發(fā)的一個重要環(huán)節(jié)。每個單片機系列的指令系統(tǒng)不同，與指令系統(tǒng)對應(yīng)的匯編助記符就不同。匯編語言的不兼容性使得在一種單片機上編制的程序，在另一種單片機上不能運行，單片機重新選型后程序必須重新編制。匯編語言的難記、難讀及易搞混，每個匯編程序員深有同感。自己編制的程序過一段時間修改時，往往要重讀很大部分，經(jīng)過長時間回憶才能找到問題所在。修改別人留下的匯編源程序，若程序的注釋說明不詳細、程序的思路不清晰、子程序使用不夠多的話，還不如自己重新編制。
用C語言編程是單片機軟件開發(fā)的必然趨勢。C語言是一種編譯型程序設(shè)計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。C語言有功能豐富的庫函數(shù)、運算速度快、編譯效率高、可移植性好，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。C語言是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言，支持當(dāng)前程序設(shè)計中廣泛采用的由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計技術(shù)。采用C語言也不必對單片機和硬件接口的結(jié)構(gòu)有很深入的了解，編譯器可以自動完成變量存儲單元的分配，編程者專注于應(yīng)用軟件部分的設(shè)計即可，這樣大大加快了軟件的開發(fā)速度。采用C語言可以很容易地進行單片機的程序移植工作，有利于產(chǎn)品中單片機的重新選型。采用C語言，可針對單片機常用的接口芯片編制通用的驅(qū)動函數(shù)，針對常用的功能模塊、算法等編制相應(yīng)的函數(shù)。這些函數(shù)經(jīng)過歸納整理可形成專家?guī)旌瘮?shù)，供廣大的單片機愛好者使用、完善，這樣可大大提高國內(nèi)單片機軟件設(shè)計水平。C語言可讀性的特點，更容易使大家借鑒前人的開發(fā)經(jīng)驗，提高自己的軟件設(shè)計水平。對于C語言生成代碼的時空效率，一般來講，程序代碼長度增加20%，程序執(zhí)行速度約減慢20%。這在片內(nèi)程序存儲器不斷擴大、晶振頻率不斷提高的今天，已不是主要考慮的問題。況且，這是和優(yōu)秀的匯編程序員編制代碼的比較。當(dāng)然，非常注重代碼效率的場合可以是以C語言為主，匯編語言為輔。匯編語言掌握到只要可以讀懂程序，在時間要求比較嚴(yán)格的模塊中進行程序的優(yōu)化即可。在可移植性方面，單片機C語言都符合ANSIC標(biāo)準(zhǔn)，差別主要是有關(guān)片內(nèi)資源的不同配置及使用，這可以通過采用不同的頭文件，經(jīng)過少量的加工就可以實現(xiàn)。隨著國內(nèi)單片機開發(fā)工具研制水平的提高，現(xiàn)在的單片機仿真器普遍支持C語言程序調(diào)試，為單片機編程使用C語言提供了便利的條件。單片機的C語言相對微機的C語言要好學(xué)得多，它沒有微機 C語言有關(guān)文件的使用，也不必掌握標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出設(shè)備有關(guān)的格式要求。北京航空航天大學(xué)出版社出版的《單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計》（修訂版）教材是專為沒有C基礎(chǔ)的人編寫的，大量的實例可引導(dǎo)大家進入單片機C時代。嵌入式微處理器是以C、C++甚至JAVA語言進行編程的，并普遍采用RTOS。
在嵌入式應(yīng)用中使用RTOS是由于嵌入式應(yīng)用一般是計算機實時系統(tǒng)，有兩個重要特性：實時性和可靠性。實時性標(biāo)準(zhǔn)常用“系統(tǒng)響應(yīng)時間”來衡量，即當(dāng)一外部事件發(fā)生，系統(tǒng)能在多少時間內(nèi)響應(yīng)事件。RTOS分強實時和弱實時兩種。強實時RTOS用于對時間要求比較嚴(yán)格的場合?？煽啃詷?biāo)準(zhǔn)常用系統(tǒng)平均無故障運行時間，即平均的故障間隔時間MTBF來衡量。操作系統(tǒng)（OS）是一組計算機程序的集合，用來有效地控制和管理計算機的硬件和軟件資源，即合理地對資源進行調(diào)度，并為用戶提供方便的應(yīng)用接口。它為應(yīng)用支持軟件提供運行環(huán)境，即對程序開發(fā)者提供功能強、使用方便的開發(fā)環(huán)境。OS的前身就是監(jiān)控程序，類似于單片機仿真器的監(jiān)控程序。RTOS是多任務(wù)的，每個用戶的應(yīng)用程序可以設(shè)計成多個不同的任務(wù)，這些任務(wù)可以并發(fā)執(zhí)行，提高系統(tǒng)的吞吐量，更有效地利用系統(tǒng)資源。常用的任務(wù)調(diào)度算法為：優(yōu)先級加輪詢、非搶占式優(yōu)先級調(diào)度、按優(yōu)先級搶占的調(diào)度算法。任務(wù)間通信與同步機制為：郵箱、隊列、信號量、事件標(biāo)志。劃分任務(wù)時，任務(wù)之間的通信要盡可能少，這樣可以簡化設(shè)計?；谌蝿?wù)的設(shè)計可擴展、可管理、可大大提高系統(tǒng)的可靠性。RTOS提供給用戶的是各種系統(tǒng)調(diào)用。中斷、時間基準(zhǔn)及定時的管理都由RTOS完成。采用RTOS編程可大幅度縮短程序的開發(fā)時間。RTOS一般都可裁剪、移植，適用于多種硬件環(huán)境，可以和應(yīng)用程序一起固化到應(yīng)用系統(tǒng)中。隨著后PC時代的來臨，微軟維納斯計劃推出WindowsCE，我國女媧計劃推出自主版權(quán)的Hopen實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。 “3C”結(jié)合的信息家電問世，RTOS引起國內(nèi)業(yè)界的極大關(guān)注。國內(nèi)已引入pSOS、VRTX、VxWorks、QNX、Nucleus等RTOS以及 CMX和RTXC小型適合單片機的帶源代碼的RTOS。免費公開內(nèi)核的RTLinux和μCOS也是使用的熱點。清華大學(xué)出版社出版了《工業(yè)控制計算機實時操作系統(tǒng)》。國際上很有名的有關(guān)μCOS的專著《MicroC/OS-iiTheRealTimeKernel》不久將在國內(nèi)翻譯出版。 RTOS會更加深入人心，嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)由匯編、C向RTOS發(fā)展。
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