C語言在嵌入式系統編程時的注意事項1

時間 2019-11-18

標籤 c語言嵌入系統編程注意事項简体版

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C語言是一門通用計算機編程語言，應用普遍。C語言的設計目標是提供一種能以簡易的方式編譯、處理低級存儲器、產生少許的機器碼以及不須要任何運行環境支持便能運行的編程語言。html

儘管C語言提供了許多低級處理的功能，但仍然保持着良好跨平臺的特性，以一個標準規格寫出的C語言程序可在許多電腦平臺上進行編譯，甚至包含一些嵌入式處理器（單片機或稱MCU）以及超級電腦等做業平臺。程序員

20世紀80年代，爲了不各開發廠商用的C語言語法產生差別，由美國國家標準局爲C語言訂定了一套完整的國際標準語法，稱爲ANSI C，做爲C語言最初的標準。　　算法

C語言嵌入式系統編程注意事項

不一樣於通常形式的軟件編程，嵌入式系統編程創建在特定的硬件平臺上，勢必要求其編程語言具有較強的硬件直接操做能力。無疑，彙編語言具有這樣的特質。可是，歸因於彙編語言開發過程的複雜性，它並非嵌入式系統開發的通常選擇。而與之相比，C語言--一種「高級的低級」語言，則成爲嵌入式系統開發的最佳選擇。筆者在嵌入式系統項目的開發過程當中，一次又一次感覺到C語言的精妙，沉醉於C語言給嵌入式開發帶來的便利。編程

大多數嵌入式系統的硬件平臺。它包括兩部分：小程序

（1）以通用處理器爲中心的協議處理模塊，用於網絡控制協議的處理；性能優化

（2）以數字信號處理器（DSP）爲中心的信號處理模塊，用於調製、解調和數/模信號轉換。網絡

本文的討論主要圍繞以通用處理器爲中心的協議處理模塊進行，由於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字信號處理算法，主要涉及通訊領域的知識，不是本文的討論重點。多線程

着眼於討論廣泛的嵌入式系統C編程技巧，系統的協議處理模塊沒有選擇特別的CPU，嵌入式系統學習加意義氣嗚嗚吧久林就易，而是選擇了衆所周知的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，能夠尋址到的內存空間爲1MB，只有實地址模式。C語言編譯生成的指針爲32位（雙字），高16位爲段地址，低16位爲段內編譯，一段最多64KB。架構

協議處理模塊中的FLASH和RAM幾乎是每一個嵌入式系統的必備設備，前者用於存儲程序，後者則是程序運行時指令及數據的存放位置。系統所選擇的FLASH和RAM的位寬都爲16位，與CPU一致。併發

實時鐘芯片能夠爲系統定時，給出當前的年、月、日及具體時間（小時、分、秒及毫秒），能夠設定其通過一段時間即向CPU提出中斷或設定報警時間到來時向CPU提出中斷（相似鬧鐘功能）。

NVRAM（非易失去性RAM）具備掉電不丟失數據的特性，能夠用於保存系統的設置信息，譬如網絡協議參數等。在系統掉電或從新啓動後，仍然能夠讀取先前的設置信息。其位寬爲8位，比CPU字長小。文章特地選擇一個與CPU字長不一致的存儲芯片，爲後文中一節的討論創造條件。

UART則完成CPU並行數據傳輸與RS-232串行數據傳輸的轉換，它能夠在接收到［1~MAX_BUFFER］字節後向CPU提出中斷，MAX_BUFFER爲UART芯片存儲接收到字節的最大緩衝區。

鍵盤控制器和顯示控制器則完成系統人機界面的控制。

以上提供的是一個較完備的嵌入式系統硬件架構，實際的系統可能包含更少的外設。之因此選擇一個完備的系統，是爲了後文更全面的討論嵌入式系統C語言編程技巧的方方面面，全部設備都會成爲後文的分析目標。

嵌入式系統須要良好的軟件開發環境的支持，因爲嵌入式系統的目標機資源受限，不可能在其上創建龐大、複雜的開發環境，於是其開發環境和目標運行環境相互分離。所以，嵌入式應用軟件的開發方式通常是，在宿主機（Host）上創建開發環境，進行應用程序編碼和交叉編譯，而後宿主機同目標機（Target）創建鏈接，將應用程序下載到目標機上進行交叉調試，通過調試和優化，最後將應用程序固化到目標機中實際運行。

CAD-UL是適用於x86處理器的嵌入式應用軟件開發環境，它運行在Windows操做系統之上，可生成x86處理器的目標代碼並經過PC機的COM口（RS-232串口）或以太網口下載到目標機上運行。其駐留於目標機FLASH存儲器中的monitor程序能夠監控宿主機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。

後續章節將從軟件架構、內存操做、屏幕操做、鍵盤操做、性能優化等多方面闡述C語言嵌入式系統的編程技巧。軟件架構是一個宏觀概念，與具體硬件的聯繫不大；內存操做主要涉及系統中的FLASH、RAM和NVRAM芯片；屏幕操做則涉及顯示控制器和實時鐘；鍵盤操做主要涉及鍵盤控制器；性能優化則給出一些具體的減少程序時間、空間消耗的技巧。

在咱們的修煉旅途中將通過25個關口，這些關口主分爲兩類，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。

So， let’s go.

C語言嵌入式系統編程注意事項之軟件架構篇

模塊劃分的「劃」是規劃的意思，意指怎樣合理的將一個很大的軟件劃分爲一系列功能獨立的部分合做完成系統的需求。

模塊劃分

模塊劃分的「劃」是規劃的意思，意指怎樣合理的將一個很大的軟件劃分爲一系列功能獨立的部分合做完成系統的需求。C語言做爲一種結構化的程序設計語言，在模塊的劃分上主要依據功能（依功能進行劃分在面向對象設計中成爲一個錯誤，牛頓定律遇到了相對論），C語言模塊化程序設計需理解以下概念：

（1）模塊便是一個.c文件和一個.h文件的結合，頭文件（.h）中是對於該模塊接口的聲明；

（2）某模塊提供給其它模塊調用的外部函數及數據需在.h中文件中冠以extern關鍵字聲明；

（3）模塊內的函數和全局變量需在.c文件開頭冠以staTIc關鍵字聲明；

（4）永遠不要在.h文件中定義變量！定義變量和聲明變量的區別在於定義會產生內存分配的操做，是彙編階段的概念；而聲明則只是告訴包含該聲明的模塊在鏈接階段從其它模塊尋找外部函數和變量。如：

　　/*module1.h*/

　　int a = 5; /* 在模塊1的.h文件中定義int a */

　　/*module1 .c*/

　　#include 「module1.h」 /* 在模塊1中包含模塊1的.h文件 */

　　/*module2 .c*/

　　＃i nclude 「module1.h」 /* 在模塊2中包含模塊1的.h文件 */

　　/*module3 .c*/

　　＃i nclude 「module1.h」 /* 在模塊3中包含模塊1的.h文件 */

以上程序的結果是在模塊一、二、3中都定義了整型變量a，a在不一樣的模塊中對應不一樣的地址單元，這個世界上歷來不須要這樣的程序。正確的作法是：

　　/*module1.h*/

　　extern int a; /* 在模塊1的.h文件中聲明int a */

　　/*module1 .c*/

　　＃i 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*/

　　＃i nclude 「module1.h」 /* 在模塊3中包含模塊1的.h文件 */

這樣若是模塊一、二、3操做a的話，對應的是同一片內存單元。

一個嵌入式系統一般包括兩類模塊：

（1）硬件驅動模塊，一種特定硬件對應一個模塊；

（2）軟件功能模塊，其模塊的劃分應知足低偶合、高內聚的要求。

多任務仍是單任務

所謂「單任務系統」是指該系統不能支持多任務併發操做，宏觀串行地執行一個任務。而多任務系統則能夠宏觀並行（微觀上可能串行）地「同時」執行多個任務。

多任務的併發執行一般依賴於一個多任務操做系統（OS），多任務OS的核心是系統調度器，它使用任務控制塊（TCB）來管理任務調度功能。TCB包括任務的當前狀態、優先級、要等待的事件或資源、任務程序碼的起始地址、初始堆棧指針等信息。調度器在任務被激活時，要用到這些信息。此外，TCB還被用來存聽任務的「上下文」（context）。任務的上下文就是當一個執行中的任務被中止時，所要保存的全部信息。一般，上下文就是計算機當前的狀態，也即各個寄存器的內容。當發生任務切換時，當前運行的任務的上下文被存入TCB，並將要被執行的任務的上下文從它的TCB中取出，放入各個寄存器中。

嵌入式多任務OS的典型例子有Vxworks、ucLinux等。嵌入式OS並不是高不可攀的神壇之物，咱們能夠用不到1000行代碼實現一個針對80186處理器的功能最簡單的OS內核，做者正準備進行此項工做，但願能將心得貢獻給你們。

究竟選擇多任務仍是單任務方式，依賴於軟件的體系是否龐大。例如，絕大多數手機程序都是多任務的，但也有一些小靈通的協議棧是單任務的，沒有操做系統，它們的主程序輪流調用各個軟件模塊的處理程序，模擬多任務環境。

單任務程序典型架構

（1）從CPU復位時的指定地址開始執行；

（2）跳轉至彙編代碼startup處執行；

（3）跳轉至用戶主程序main執行，在main中完成：

a.初試化各硬件設備；

　　b.初始化各軟件模塊；

　　c.進入死循環（無限循環），調用各模塊的處理函數

用戶主程序和各模塊的處理函數都以C語言完成。用戶主程序最後都進入了一個死循環，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，咱們從for（;;）看不出什麼，只有弄明白for（;;）在C語言中意味着無條件循環才明白其意。

下面是幾個「著名」的死循環：

（1）操做系統是死循環；

（2）WIN32程序是死循環；

（3）嵌入式系統軟件是死循環；

（4）多線程程序的線程處理函數是死循環。

你可能會辯駁，大聲說：「凡事都不是絕對的，二、三、4均可以不是死循環」。Yes，you are right，可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，由於這個世界歷來不須要一個處理完幾個消息就喊着要OS殺死它的WIN32程序，不須要一個剛開始RUN就自行了斷的嵌入式系統，不須要莫名其妙啓動一個作一點事就幹掉本身的線程。有時候，過於嚴謹製造的不是便利而是麻煩。君不見，五層的TCP/IP協議棧超越嚴謹的ISO/OSI七層協議棧大行其道成爲事實上的標準？

常常有網友討論：

　　printf（「%d，%d」，++i，i++）; /* 輸出是什麼？*/

　　c = a+++b; /* c=？ */

等相似問題。面對這些問題，咱們只能發出由衷的感慨：世界上還有不少有意義的事情等着咱們去消化攝入的食物。

實際上，嵌入式系統要運行到世界末日。

中斷服務程序

中斷是嵌入式系統中重要的組成部分，可是在標準C中不包含中斷。許多編譯開發商在標準C上增長了對中斷的支持，提供新的關鍵字用於標示中斷服務程序（ISR），相似於__interrupt、#program interrupt等。當一個函數被定義爲ISR的時候，編譯器會自動爲該函數增長中斷服務程序所須要的中斷現場入棧和出棧代碼。

中斷服務程序須要知足以下要求：

（1）不能返回值；

（2）不能向ISR傳遞參數；

（3） ISR應該儘量的短小精悍；

（4） printf（char * lpFormatString，…）函數會帶來重入和性能問題，不能在ISR中採用。

在某項目的開發中，咱們設計了一個隊列，在中斷服務程序中，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，進行相應處理。

　　/* 存放中斷的隊列 */

　　typedef struct tagIntQueue

　　{

　　int intType; /* 中斷類型 */

　　struct tagIntQueue *next;

　　}IntQueue;