C語言嵌入式系統(tǒng)編程修煉之道（共29頁pdf）

ID:5203 · 發(fā)表于 2018-11-15 16:35

1.背景
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(qiáng)的硬件直接操作能力。無疑，匯編語言具備這樣的特質(zhì)。但是，歸因于匯編語言開發(fā)過程的復(fù)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(shí)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：

  （1）以通用處理器為中心的協(xié)議處理模塊，用于網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議的處理；
  （2）  以數(shù)字信號處理器（DSP）為中心的信號處理模塊，用于調(diào)制、解調(diào)和數(shù)/模信號轉(zhuǎn)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(jìn)行，因?yàn)樗嗟貭可娴骄唧w的 C 語言編程技巧。而 DSP 編程則重點(diǎn)關(guān)注具體的數(shù)字信號處理算法，主要涉及通信領(lǐng)域的知識，不是本文的討論重點(diǎn)。

  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(xué)習(xí)過《微機(jī)原理》的讀者都應(yīng)該對此芯片有一個基本的認(rèn)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(nèi)存空間為 1MB，只有實(shí)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(nèi)編譯，一段最多 64KB。

程序，后者則是程序運(yùn)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(shí)時鐘芯片可以為系統(tǒng)定時，給出當(dāng)前的年、月、日及具體時間（小時、分、秒及毫秒），可以設(shè)定其經(jīng)過一段時間即向 CPU提出中斷或設(shè)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(shè)置信息，譬如網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(zhuǎn)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(jī)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(gòu)，實(shí)際的系統(tǒng)可能包含更少的外設(shè)。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(shè)備都會成為后文的分析目標(biāo)。

  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(biāo)機(jī)資源受限，不可能在其上建立龐大、復(fù)雜的開發(fā)環(huán)境，因而其開發(fā)環(huán)境和目標(biāo)運(yùn)行環(huán)境相互分離。因此，嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)方式一般是，在宿主機(jī)(Host)上建立開發(fā)環(huán)境，進(jìn)行應(yīng)用程序編碼和交叉編譯，然后宿主機(jī)同目標(biāo)機(jī)(Target)建立連接，將應(yīng)用程序下載到目標(biāo)機(jī)上進(jìn)行交叉調(diào)試，經(jīng)過調(diào)試和優(yōu)化，最后將應(yīng)用程序固化到目標(biāo)機(jī)中實(shí)際運(yùn)行。

CAD-UL 是適用于 x86 處理器的嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境，它運(yùn)行在 Windows 操作系統(tǒng)之上，可生成 x86 處理器的目標(biāo)代碼并通過 PC 機(jī)的 COM口（RS-232串口）或以太網(wǎng)口下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行，如圖 2。其駐留于目標(biāo)機(jī) FLASH 存儲器中的 monitor 程序可以監(jiān)控宿主機(jī) Windows 調(diào)試平臺上的用戶調(diào)試指令，獲取 CPU寄存器的值及目標(biāo)機(jī)存儲空間、 I/O空間的內(nèi)容。

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