C語言嵌入式系統編程修煉之道（共29頁pdf）

ID:5203 · 發表于 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的硬件直接操作能力。無疑，匯編語言具備這樣的特質。但是，歸因于匯編語言開發過程的復雜性，它并不是嵌入式系統開發的一般選擇。而與之相比，C 語言--一種"高級的低級"語言，則成為嵌入式系統開發的最佳選擇。筆者在嵌入式系統項目的開發過程中，一次又一次感受到 C 語言的精妙，沉醉于 C 語言給嵌入式開發帶來的便利。

圖 1 給出了本文的討論所基于的硬件平臺，實際上，這也是大多數嵌入式系統的硬件平臺。它包括兩部分：

  （1）以通用處理器為中心的協議處理模塊，用于網絡控制協議的處理；
  （2）  以數字信號處理器（DSP）為中心的信號處理模塊，用于調制、解調和數/模信號轉換。

  本文的討論主要圍繞以通用處理器為中心的協議處理模塊進行，因為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，主要涉及通信領域的知識，不是本文的討論重點。

  著眼于討論普遍的嵌入式系統 C 編程技巧，系統的協議處理模塊沒有選擇特別的 CPU，而是選擇了眾所周知的 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，可以尋址到的內存空間為 1MB，只有實地址模式。C 語言編譯生成的指針為 32 位（雙字），高16 位為段地址，低 16 位為段內編譯，一段最多 64KB。

程序，后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 的位寬都為 16 位，與 CPU一致。

  實時鐘芯片可以為系統定時，給出當前的年、月、日及具體時間（小時、分、秒及毫秒），可以設定其經過一段時間即向 CPU提出中斷或設定報警時間到來時向 CPU提出中斷（類似鬧鐘功能）。

NVRAM（非易失去性 RAM）具有掉電不丟失數據的特性，可以用于保存系統的設置信息，譬如網絡協議參數等。在系統掉電或重新啟動后，仍然可以讀取先前的設置信息。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，為后文中一節的討論創造條件。

UART 則完成 CPU 并行數據傳輸與 RS-232 串行數據傳輸的轉換，它可以在接收到[1~MAX_BUFFER]字節后向 CPU提出中斷，MAX_BUFFER 為 UART 芯片存儲接收到字節的最大緩沖區。

  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。之所以選擇一個完備的系統，是為了后文更全面的討論嵌入式系統 C 語言編程技巧的方方面面，所有設備都會成為后文的分析目標。

  嵌入式系統需要良好的軟件開發環境的支持，由于嵌入式系統的目標機資源受限，不可能在其上建立龐大、復雜的開發環境，因而其開發環境和目標運行環境相互分離。因此，嵌入式應用軟件的開發方式一般是，在宿主機(Host)上建立開發環境，進行應用程序編碼和交叉編譯，然后宿主機同目標機(Target)建立連接，將應用程序下載到目標機上進行交叉調試，經過調試和優化，最后將應用程序固化到目標機中實際運行。

CAD-UL 是適用于 x86 處理器的嵌入式應用軟件開發環境，它運行在 Windows 操作系統之上，可生成 x86 處理器的目標代碼并通過 PC 機的 COM口（RS-232串口）或以太網口下載到目標機上運行，如圖 2。其駐留于目標機 FLASH 存儲器中的 monitor 程序可以監控宿主機 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。

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