C語言嵌入式系統編程修鍊之背景篇

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不同於一般形式的軟體編程，嵌入式系統編程建立在特定的硬體平台上，勢必要求其程式設計語言具備較強的硬體直接操作能力。無疑，組合語言具備這樣的特質。但是，歸因於組合語言開發過程的複雜性，它並不是嵌入式系統開發的一般選擇。而與之相比，C語言--一種"進階的低級"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，沉醉於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於的硬體平台，實際上，這也是大多數嵌入式系統的硬體平台。它包括兩部分：

　　（1） 以通用處理器為中心的協議處理模組，用於網路控制協議的處理；

　　（2） 以數位訊號處理器（DSP）為中心的訊號處理模組，用於調製、解調和數/模訊號轉換。

　　本文的討論主要圍繞以通用處理器為中心的協議處理模組進行，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訊號處理演算法，主要涉及通訊領域的知識，不是本文的討論重點。

　　著眼於討論普遍的嵌入式系統C編程技巧，系統的協議處理模組沒有選擇特別的CPU，而是選擇了眾所周知的CPU晶片--80186，每一位學習過《微機原理》的讀者都應該對此晶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，可以定址到的記憶體空間為1MB，只有真實位址模式。C語言編譯產生的指標為32位（雙字），高16位為段地址，低16位為段內編譯，一段最多64KB。

圖1 系統硬體架構

　　協議處理模組中的FLASH和RAM幾乎是每個嵌入式系統的必備裝置，前者用於儲存程式，後者則是程式運行時指令及資料的存放位置。系統所選擇的FLASH和RAM的位寬都為16位，與CPU一致。

　　即時鐘晶片可以為系統定時，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提出中斷或設定警示時間到來時向CPU提出中斷（類似鬧鐘功能）。

　　NVRAM（非易失去性RAM）具有掉電不遺失資料的特性，可以用於儲存系統的設定資訊，譬如網路通訊協定參數等。在系統掉電或重新啟動後，仍然可以讀取先前的設定資訊。其位寬為8位，比CPU字長小。文章特意選擇一個與CPU字長不一致的儲存晶片，為後文中一節的討論創造條件。

　　UART則完成CPU並行資料轉送與RS-232串列資料轉送的轉換，它可以在接收到[1~MAX_BUFFER]位元組後向CPU提出中斷，MAX_BUFFER為UART晶片儲存接收到位元組的最大緩衝區。

　　鍵盤控制器和顯示控制器則完成系統人機介面的控制。

　　以上提供的是一個較完備的嵌入式系統硬體架構，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，所有裝置都會成為後文的分析目標。

　　嵌入式系統需要良好的軟體開發環境的支援，由於嵌入式系統的目標機資源受限，不可能在其上建立龐大、複雜的開發環境，因而其開發環境和目標運行環境相互分離。因此，嵌入式應用軟體的開發方式一般是，在宿主機(Host)上建立開發環境，進行應用程式編碼和交叉編譯，然後宿主機同目標機(Target)建立串連，將應用程式下載到目標機上進行交叉調試，經過調試和最佳化，最後將應用程式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體開發環境，它運行在Windows作業系統之上，可產生x86處理器的目標代碼並通過PC機的COM口（RS-232串口）或乙太網路口下載到目標機上運行，2。其駐留於目標機FLASH儲存空間中的monitor程式可以監控宿主機Windows調試平台上的使用者調試指令，擷取CPU寄存器的值及目標機儲存空間、I/O空間的內容。

圖2 交叉開發環境

　　後續章節將從軟體架構、記憶體操作、螢幕操作、鍵盤操作、效能最佳化等多方面闡述C語言嵌入式系統的編程技巧。軟體架構是一個宏觀概念，與具體硬體的聯絡不大；記憶體操作主要涉及系統中的FLASH、RAM和NVRAM晶片；螢幕操作則涉及顯示控制器和即時鐘；鍵盤操作主要涉及鍵盤控制器；效能最佳化則給出一些具體的減小程式時間、空間消耗的技巧。

　　在我們的修鍊旅途中將經過25個關口，這些關口主分為兩類，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。