语言嵌入式系统编程修炼

 

这几篇连载是在写的太好了。我不得不摘抄笔记。

模块划分

        （ 1 ） 模块即是一个 .c 文件和一个 .h 文件的结合，头文件 (.h) 中是对于该模块接口的声明；

　　（ 2 ） 某模块提供给其它模块调用的外部函数及数据需在 .h 中文件中冠以 extern 关键字声明；

　　（ 3 ） 模块内的函数和全局变量需在 .c 文件开头冠以 static 关键字声明；

　　（ 4 ） 永远不要在 .h 文件中定义变量！定义变量和声明变量的区别在于定义会产生内存分配的操作，是汇编阶段的概念；而声明则只是告诉包含该声明的模块在连接阶段从其它模块寻找外部函数和变量。  防止重复包含头文件造成重定义。但是可以通过 #ifdef 来解决重定义问题。

单任务程序典型架构

　　（ 1 ）从 CPU 复位时的指定地址开始执行；

　　（ 2 ）跳转至汇编代码 startup 处执行；

　　（ 3 ）跳转至用户主程序 main 执行，在 main 中完成：

　　 a. 初试化各硬件设备；

　　 b. 初始化各软件模块；

　　 c. 进入死循环（无限循环），调用各模块的处理函数

中断服务程序

　　中断是嵌入式系统中重要的组成部分，但是在标准 C 中不包含中断。许多编译开发商在标准 C 上增加了对中断的支持，提供新的关键字用于标示中断服务程序 (ISR) ，类似于 __interrupt 、 #program interrupt 等。当一个函数被定义为 ISR 的时候，编译器会自动为该函数增加中断服务程序所需要的中断现场入栈和出栈代码。

　　中断服务程序需要满足如下要求：

　　 (1) 不能返回值；

　　 (2) 不能向 ISR 传递参数；

　　 (3) ISR 应该尽可能的短小精悍；

　　 (4) printf(char * lpFormatString,…) 函数会带来重入和性能问题，不能在 ISR 中采用。

在某项目的开发中，我们设计了一个队列，在中断服务程序中，只是将中断类型添加入该队列中，在主程序的死循环中不断扫描中断队列是否有中断，有则取出队列中的第一个中断类型，进行相应处理。

/* 存放中断的队列 */ typedef struct tagIntQueue { 　 int intType; /* 中断类型 */ 　 struct tagIntQueue *next; }IntQueue; IntQueue lpIntQueueHead; __interrupt ISRexample () { 　 int intType; 　 intType = GetSystemType(); 　 QueueAddTail(lpIntQueueHead, intType) ； /* 在队列尾加入新的中断 */ }

　　在主程序循环中判断是否有中断：

While(1) { 　 If( !IsIntQueueEmpty() ) 　 { 　　 intType = GetFirstInt(); 　　 switch(intType) /* 是不是很象 WIN32 程序的消息解析函数 ? */ 　　 { 　　　 /* 对，我们的中断类型解析很类似于消息驱动 */ 　　　 case xxx: /* 我们称其为 " 中断驱动 " 吧？ */ 　　　　 … 　　　　 break; 　　　 case xxx: 　　　　 … 　　　　 break; 　　　 … 　　 } 　 } }

　　按上述方法设计的中断服务程序很小，实际的工作都交由主程序执行了。

硬件驱动模块
硬件初始化

　　 a. 修改寄存器，设置硬件参数（如 UART 应设置其波特率， AD/DA 设备应设置其采样速率等）；

　　 b. 将中断服务程序入口地址写入中断向量表 ：

/* 设置中断向量表 */ m_myPtr = make_far_pointer(0l); /* 返回 void far 型指针 void far * */ m_myPtr += ITYPE_UART; /* ITYPE_UART ： uart 中断服务程序 */ /* 相对于中断向量表首地址的偏移 */ *m_myPtr = &UART _Isr; /* UART _Isr ： UART 的中断服务程序 */

　　（ 3 ）设置 CPU 针对该硬件的控制线

　　 a. 如果控制线可作 PIO （可编程 I/O ）和控制信号用，则设置 CPU 内部对应寄存器使其作为控制信号；

　　 b. 设置 CPU 内部的针对该设备的中断屏蔽位，设置中断方式（电平触发还是边缘触发）。

　　（ 4 ）提供一系列针对该设备的操作接口函数。例如，对于 LCD ，其驱动模块应提供绘制像素、画线、绘制矩阵、显示字符点阵等函数；而对于实时钟，其驱动模块则需提供获取时间、设置时间等函数。

C 的面向对象化

　　在面向对象的语言里面，出现了类的概念。类是对特定数据的特定操作的集合体。类包含了两个范畴：数据和操作。而 C 语言中的 struct 仅仅是数据的集合，我们可以利用函数指针将 struct 模拟为一个包含数据和操作的 " 类 " 。下面的 C 程序模拟了一个最简单的 " 类 " ：

#ifndef C_Class #define C_Class struct #endif C_Class A { 　 C_Class A *A_this; /* this 指针 */ 　 void (*Foo)(C_Class A *A_this); /* 行为：函数指针 */ 　 int a; /* 数据 */ 　 int b; };

　　我们可以利用 C 语言模拟出面向对象的三个特性：封装、继承和多态，但是更多的时候，我们只是需要将数据与行为封装以解决软件结构混乱的问题。 C 模拟面向对象思想的目的不在于模拟行为本身，而在于解决某些情况下使用 C 语言编程时程序整体框架结构分散、数据和函数脱节的问题。 我们在后续章节会看到这样的例子。

　　
　数据指针　

在使用绝对地址指针时，要注意指针自增自减操作的结果取决于指针指向的数据类别。上例中 p++ 后的结果是 p= 0xF000FF01 ，若 p 指向 int ，即：

int *p = (int *)0xF000FF00;

　　 p++( 或 ++p) 的结果等同于： p = p+sizeof(int) ，而 p-( 或 -p) 的结果是 p = p-sizeof(int) 。
记住： CPU 以字节为单位编址，而 C 语言指针以指向的数据类型长度作自增和自减。理解这一点对于以指针直接操作内存是相当重要的。

函数指针

2 ）调用函数实际上等同于 " 调转指令＋参数传递处理＋回归位置入栈 " ，本质上最核心的操作是将函数生成的目标代码的首地址赋给 CPU 的 PC 寄存器；

　　（ 3 ）因为函数调用的本质是跳转到某一个地址单元的 code 去执行，所以可以 " 调用 " 一个根本就不存在的函数实体，晕？请往下看：

　　请拿出你可以获得的任何一本大学《 微型计算机 原理》教材，书中讲到， 186 CPU 启动后跳转至绝对地址 0xFFFF0 （对应 C 语言指针是 0xF000FFF0 ， 0xF000 为段地址， 0xFFF0 为段内偏移）执行，请看下面的代码：

typedef void (*lpFunction) ( ); /* 定义一个无参数、无返回类型的 */ /* 函数指针类型 */ lpFunction lpReset = (lpFunction)0xF000FFF0; /* 定义一个函数指针，指向 */ /* CPU 启动后所执行第一条指令的位置 */ lpReset(); /* 调用函数 */

　　在以上的程序中，我们根本没有看到任何一个函数实体，但是我们却执行了这样的函数调用： lpReset() ，它实际上起到了 " 软重启 " 的作用，跳转到 CPU 启动后第一条要执行的指令的位置。

　　记住：函数无它，唯指令集合耳；你可以调用一个没有函数体的函数，本质上只是换一个地址开始执行指令！

 

数组 vs. 动态申请
 

给出原则：

　　（ 1 ）尽可能的选用数组，数组不能越界访问（真理越过一步就是谬误，数组越过界限就光荣地成全了一个混乱的嵌入式系统）；

　　（ 2 ）如果使用动态申请，则申请后一定要判断是否申请成功了，并且 malloc 和 free 应成对出现！

 

关键字 const

const int a; int const a; const int *a; int * const a; int const * a const;

　　（ 1 ） 关键字 const 的作用是为给读你代码的人传达非常有用的信息。例如，在函数的形参前添加 const 关键字意味着这个参数在函数体内不会被修改，属于 " 输入参数 " 。在有多个形参的时候，函数的调用者可以凭借参数前是否有 const 关键字，清晰的辨别哪些是输入参数，哪些是可能的输出参数。

　　（ 2 ）合理地使用关键字 const 可以使编译器很自然地保护那些不希望被改变的参数，防止其被无意的代码修改，这样可以减少 bug 的出现。

 

关键字 volatile

　　 C 语言编译器会对用户书写的代码进行优化，譬如如下代码：

int a,b,c; a = inWord(0x100); /* 读取 I/O 空间 0x100 端口的内容存入 a 变量 */ b = a; a = inWord (0x100); /* 再次读取 I/O 空间 0x100 端口的内容存入 a 变量 */ c = a;

　　很可能被编译器优化为：

int a,b,c; a = inWord(0x100); /* 读取 I/O 空间 0x100 端口的内容存入 a 变量 */ b = a; c = a;

　　但是这样的优化结果可能导致错误，如果 I/O 空间 0x100 端口的内容在执行第一次读操作后被其它程序写入新值，则其实第 2 次读操作读出的内容与第一次不同， b 和 c 的值应该不同。在变量 a 的定义前加上 volatile 关键字可以防止编译器的类似优化，正确的做法是：

volatile int a ；

　　 volatile 变量可能用于如下几种情况：

　　 (1) 并行设备的硬件寄存器（如：状态寄存器，例中的代码属于此类）；

　　 (2) 一个中断服务子程序中会访问到的非自动变量 ( 也就是全局变量 ) ；

　　 (3) 多线程应用中被几个任务共享的变量。

CPU 字长与存储器位宽不一致处理

　　在背景篇中提到，本文特意选择了一个与 CPU 字长不一致的存储芯片，就是为了进行本节的讨论，解决 CPU 字长与存储器位宽不一致的情况。 80186 的字长为 16 ，而 NVRAM 的位宽为 8 ，在这种情况下，我们需要为 NVRAM 提供读写字节、字的接口，如下：

typedef unsigned char BYTE; typedef unsigned int WORD; /* 函数功能：读 NVRAM 中字节 * 参数： wOffset ，读取位置相对 NVRAM 基地址的偏移 * 返回：读取到的字节值 */ extern BYTE ReadByteNVRAM(WORD wOffset) { 　 LPBYTE lpAddr = (BYTE*)(NVRAM + wOffset * 2); /* 为什么偏移要 ×2? */ 　 return *lpAddr; } /* 函数功能：读 NVRAM 中字 * 参数： wOffset ，读取位置相对 NVRAM 基地址的偏移 * 返回：读取到的字 */ extern WORD ReadWordNVRAM(WORD wOffset) { 　 WORD wTmp = 0; 　 LPBYTE lpAddr; 　 /* 读取高位字节 */ 　 lpAddr = (BYTE*)(NVRAM + wOffset * 2); /* 为什么偏移要 ×2? */ 　 wTmp += (*lpAddr)*256; 　 /* 读取低位字节 */ 　 lpAddr = (BYTE*)(NVRAM + (wOffset +1) * 2); /* 为什么偏移要 ×2? */ 　 wTmp += *lpAddr; 　 return wTmp; } }

　　子贡问曰： Why 偏移要乘以 2?

　　子曰：请看图 1 ， 16 位 80186 与 8 位 NVRAM 之间互连只能以地址线 A1 对其 A0,CPU 本身的 A0 与 NVRAM 不连接。因此， NVRAM 的地址只能是偶数地址，故每次以 0x10 为单位前进！

图 1 CPU 与 NVRAM 地址线连接

 

使用寄存器变量

　 　当对一个变量频繁被读写时，需要反复访问内存，从而花费大量的存取时间。为此，C语言提供了一种变量，即寄存器变量。这种变量存放在CPU的寄存器中， 使用时，不需要访问内存，而直接从寄存器中读写，从而提高效率。寄存器变量的说明符是register。对于循环次数较多的循环控制变量及循环体内反复使 用的变量均可定义为寄存器变量，而循环计数是应用寄存器变量的最好候选者。

　　(1) 只有局部自动变量和形参才可以定义为寄存器变量。因为寄存器变量属于动态存储方式，凡需要采用静态存储方式的量都不能定义为寄存器变量，包括：模块间全局变量、模块内全局变量、局部static变量；

　　(2) register是一个"建议"型关键字，意指程序建议该变量放在寄存器中，但最终该变量可能因为条件不满足并未成为寄存器变量，而是被放在了存储器中，但编译器中并不报错（在C++语言中有另一个"建议"型关键字：inline）。

　　下面是一个采用寄存器变量的例子：

/* 求1+2+3+….+n的值 */ WORD Addition(BYTE n) { 　register i,s=0; 　for(i=1;i<=n;i++) 　{ 　　s=s+i; 　} 　return s; }

　　本程序循环n次，i和s都被频繁使用，因此可定义为寄存器变量。

　　内嵌汇编
　　程序中对时间要求苛刻的部分可以用内嵌汇编来重写，以带来速度上的显著提高。但是，开发和测试汇编代码是一件辛苦的工作，它将花费更长的时间，因而要慎重选择要用汇编的部分。

　　在程序中，存在一个80-20原则，即20%的程序消耗了80%的运行时间，因而我们要改进效率，最主要是考虑改进那20%的代码。

　　嵌入式C程序中主要使用在线汇编，即在C程序中直接插入_asm{ }内嵌汇编语句： 

/* 把两个输入参数的值相加，结果存放到另外一个全局变量中 */ int result; void Add(long a, long *b) { 　_asm 　{ 　　MOV AX, a 　　MOV BX, b 　　ADD AX, [BX] 　　MOV result, AX 　} }

利用硬件特性

　　首先要明白CPU对各种存储器的访问速度，基本上是：

CPU 内部RAM　>　外部同步RAM　>　外部异步RAM　>　FLASH/ROM

　　对于程序代码，已经被烧录在FLASH或ROM中，我们可以让CPU直接从其中读取代码执行，但通常这不是一个好办法，我们最好在系统启动后将FLASH或ROM中的目标代码拷贝入RAM中后再执行以提高取指令速度；

　　对于UART等设备，其内部有一定容量的接收BUFFER，我们应尽量在BUFFER被占满后再向CPU提出中断。例如计算机终端在向目标机通过RS-232传递数据时，不宜设置UART只接收到一个BYTE就向CPU提中断，从而无谓浪费中断处理时间；

　　如果对某设备能采取DMA方式读取，就采用DMA读取，DMA读取方式在读取目标中包含的存储信息较大时效率较高，其数据传输的基本单位是块，而所传输的数据是从设备直接送入内存的（或者相反）。DMA方式较之中断驱动方式，减少了CPU 对外设的干预，进一步提高了CPU与外设的并行操作程度。

　　活用位操作

　　使用C语言的位操作可以减少除法和取模的运算。在计算机程序中数据的位是可以操作的最小数据单位，理论上可以用"位运算"来完成所有的运算和操作，因而，灵活的位操作可以有效地提高程序运行的效率。举例如下：

/* 方法1 */ int i,j; i = 879 / 16; j = 562 % 32; /* 方法2 */ int i,j; i = 879 >> 4; j = 562 - (562 >> 5 << 5);

　　对于以2的指数次方为"*"、"/"或"%"因子的数学运算，转化为移位运算"<< >>"通常可以提高算法效率。因为乘除运算指令周期通常比移位运算大。

　 　C语言位运算除了可以提高运算效率外，在嵌入式系统的编程中，它的另一个最典型的应用，而且十分广泛地正在被使用着的是位间的与（&）、或 （|）、非（~）操作，这跟嵌入式系统的编程特点有很大关系。我们通常要对硬件寄存器进行位设置，譬如，我们通过将AM186ER型80186处理器的中 断屏蔽控制寄存器的第低6位设置为0（开中断2），最通用的做法是：

#define INT_I2_MASK 0x0040 wTemp = inword(INT_MASK); outword(INT_MASK, wTemp &~INT_I2_MASK );

　　而将该位设置为1的做法是：

#define INT_I2_MASK 0x0040 wTemp = inword(INT_MASK); outword(INT_MASK, wTemp | INT_I2_MASK );

 

总结

　　在性能优化方面永远注意 80-20 准备，不要优化程序中开销不大的那 80% ，这是劳而无功的。

　 　宏定义是 C 语言中实现类似函数功能而又不具函数调用和返回开销的较好方法，但宏在本质上不是函数，因而要防止宏展开后出现不可预料的结果，对宏的定义和 使用要慎而处之。很遗憾，标准 C 至今没有包括 C++ 中 inline 函数的功能， inline 函数兼具无调用开销和安全的优点。

　　使用寄存器变量、内嵌汇编和活用位操作也是提高程序效率的有效方法。

　　除了编程上的技巧外，为提高系统的运行效率，我们通常也需要最大可能地利用各种硬件设备自身的特点来减小其运转开销，例如减小中断次数、利用 DMA 传输方式等。

　　子贡再问： So why 80186 的地址线 A0 不与 NVRAM 的 A0 连接？

　　子曰：请看《 IT 论语》之《微机原理篇》，那里面讲述了关于计算机组成的圣人之道。