C语言嵌入式系统编程修炼之道——背景篇

作者： 宋宝华  e-mail: [email][email protected][/email]
不同于一般形式的软件编程，嵌入式系统编程建立在特定的硬件平台上，势必要求其编程语言具备较强的硬件直接操作能力。无疑，汇编语言具备这样的特质。但是，归因于汇编语言开发过程的复杂性，它并不是嵌入式系统开发的一般选择。而与之相比， C 语言——一种“高级的低级”语言，则成为嵌入式系统开发的最佳选择。笔者在嵌入式系统项目的开发过程中，一次又一次感受到 C 语言的精妙，沉醉于 C 语言给嵌入式开发带来的便利。本文的目的在于进行“ C 语言嵌入式系统开发的内功心法”秀，一共包括 25 招。
图 1 给出了本文的讨论所基于的硬件平台，实际上，这也是大多数嵌入式系统的硬件平台。它包括两部分：
（1）     以通用处理器为中心的协议处理模块，用于网络控制协议的处理；
（2）     以数字信号处理器（ DSP ）为中心的信号处理模块，用于调制、解调和数 / 模信号转换。
本文的讨论主要围绕以通用处理器为中心的协议处理模块进行，因为它更多地牵涉到具体的 C 语言编程技巧。而 DSP 编程则重点关注具体的数字信号处理算法，主要涉及通信领域的知识，不是本文的讨论重点。
着眼于讨论普遍的嵌入式系统 C 编程技巧，系统的协议处理模块没有选择特别的 CPU ，而是选择了众所周知的 CPU 芯片—— 80186 ，每一位学习过《微机原理》的读者都应该对此芯片有一个基本的认识，且对其指令集比较熟悉。 80186 的字长是 16 位，可以寻址到的内存空间为 1MB ，只有实地址模式。 C 语言编译生成的指针为 32 位（双字），高 16 位为段地址，低 16 位为段内编译，一段最多 64KB 。
图1  系统硬件架构
协议处理模块中的 FLASH 和 RAM 几乎是每个嵌入式系统的必备设备，前者用于存储程序，后者则是程序运行时指令及数据的存放位置。系统所选择的 FLASH 和 RAM 的位宽都为 16 位，与 CPU 一致。
实时钟芯片可以为系统定时，给出当前的年、月、日及具体时间（小时、分、秒及毫秒），可以设定其经过一段时间即向 CPU 提出中断或设定报警时间到来时向 CPU 提出中断（类似闹钟功能）。
NVRAM （非易失去性 RAM ）具有掉电不丢失数据的特性，可以用于保存系统的设置信息，譬如网络协议参数等。在系统掉电或重新启动后，仍然可以读取先前的设置信息。其位宽为 8 位，比 CPU 字长小。文章特意选择一个与 CPU 字长不一致的存储芯片，为后文中一节的讨论创造条件。
UART 则完成 CPU 并行数据传输与 RS-232 串行数据传输的转换，它可以在接收到 [1~MAX_BUFFER] 字节后向 CPU 提出中断， MAX_BUFFER 为 UART 芯片存储接收到字节的最大缓冲区。
键盘控制器和显示控制器则完成系统人机界面的控制。
以上提供的是一个较完备的嵌入式系统硬件架构，实际的系统可能包含更少的外设。之所以选择一个完备的系统，是为了后文更全面的讨论嵌入式系统 C 语言编程技巧的方方面面，所有设备都会成为后文的分析目标。
嵌入式系统需要良好的软件开发环境的支持，由于嵌入式系统的目标机资源受限，不可能在其上建立庞大、复杂的开发环境，因而其开发环境和目标运行环境相互分离。因此，嵌入式应用软件的开发方式一般是，在宿主机 (Host) 上建立开发环境，进行应用程序编码和交叉编译，然后宿主机同目标机 (Target) 建立连接，将应用程序下载到目标机上进行交叉调试，经过调试和优化，最后将应用程序固化到目标机中实际运行。
CAD-UL 是适用于 x86 处理器的嵌入式应用软件开发环境，它运行在 Windows 操作系统之上，可生成 x86 处理器的目标代码并通过 PC 机的 COM 口（ RS-232 串口） 或以太网口下载到目标机上运行，如图 2 。其驻留于目标机 FLASH 存储器中的 monitor 程序可以监控宿主机 Windows 调试平台上的用户调试指令，获取 CPU 寄存器的值及目标机存储空间、 I/O 空间的内容。
图2  交叉开发环境
后续章节将从软件架构、内存操作、屏幕操作、键盘操作、性能优化等多方面阐述 C 语言嵌入式系统的编程技巧。软件架构是一个宏观概念，与具体硬件的联系不大；内存操作主要涉及系统中的 FLASH 、 RAM 和 NVRAM 芯片；屏幕操作则涉及显示控制器和实时钟；键盘操作主要涉及键盘控制器；性能优化则给出一些具体的减小程序时间、空间消耗的技巧。
本文即将讲述的 25 个主题可分为两类，一类是编程技巧，有很强的适用性；一类则介绍嵌入式系统编程的一般常识，具有一定的理论意义。
So, let’s go.