C语言嵌入式系统编程修炼之一：背景篇

不同于一般形式的软件编程，嵌入式系统编程建立在特定的硬件平台上，势必要求其编程语言具备较强的硬件直接操作能力。无疑，汇编语言具备这样的特质。但是，归因于汇编语言开发过程的复杂性，它并不是嵌入式系统开发的一般选择。而与之相比，C语言--一种"高级的低级"语言，则成为嵌入式系统开发的最佳选择。笔者在嵌入式系统项目的开发过程中，一次又一次感受到C语言的精妙，沉醉于C语言给嵌入式开发带来的便利。

　　图1给出了本文的讨论所基于的硬件平台，实际上，这也是大多数嵌入式系统的硬件平台。它包括两部分：

　　（1） 以通用处理器为中心的协议处理模块，用于网络控制协议的处理；

　　（2） 以数字信号处理器（DSP）为中心的信号处理模块，用于调制、解调和数/模信号转换。

　　本文的讨论主要围绕以通用处理器为中心的协议处理模块进行，因为它更多地牵涉到具体的C语言编程技巧。而DSP编程则重点关注具体的数字信号处理算法，主要涉及通信领域的知识，不是本文的讨论重点。

　　着眼于讨论普遍的嵌入式系统C编程技巧，系统的协议处理模块没有选择特别的CPU，而是选择了众所周知的CPU芯片--80186，每一位学习过《微机原理》的读者都应该对此芯片有一个基本的认识，且对其指令集比较熟悉。80186的字长是16位，可以寻址到的内存空间为1MB，只有实地址模式。C语言编译生成的指针为32位（双字），高16位为段地址，低16位为段内编译，一段最多64KB。

图1 系统硬件架构

　　协议处理模块中的FLASH和RAM几乎是每个嵌入式系统的必备设备，前者用于存储程序，后者则是程序运行时指令及数据的存放位置。系统所选择的FLASH和RAM的位宽都为16位，与CPU一致。

实时钟芯片可以为系统定时，给出当前的年、月、日及具体时间（小时、分、秒及毫秒），可以设定其经过一段时间即向CPU提出中断或设定报警时间到来时向CPU提出中断（类似闹钟功能）。
　　NVRAM（非易失去性RAM）具有掉电不丢失数据的特性，可以用于保存系统的设置信息，譬如网络协议参数等。在系统掉电或重新启动后，仍然可以读取先前的设置信息。其位宽为8位，比CPU字长小。文章特意选择一个与CPU字长不一致的存储芯片，为后文中一节的讨论创造条件。
　　UART则完成CPU并行数据传输与RS-232串行数据传输的转换，它可以在接收到[1~MAX_BUFFER]字节后向CPU提出中断，MAX_BUFFER为UART芯片存储接收到字节的最大缓冲区。
　　键盘控制器和显示控制器则完成系统人机界面的控制。
　　以上提供的是一个较完备的嵌入式系统硬件架构，实际的系统可能包含更少的外设。之所以选择一个完备的系统，是为了后文更全面的讨论嵌入式系统C语言编程技巧的方方面面，所有设备都会成为后文的分析目标。
　　嵌入式系统需要良好的软件开发环境的支持，由于嵌入式系统的目标机资源受限，不可能在其上建立庞大、复杂的开发环境，因而其开发环境和目标运行环境相互分离。因此，嵌入式应用软件的开发方式一般是，在宿主机(Host)上建立开发环境，进行应用程序编码和交叉编译，然后宿主机同目标机(Target)建立连接，将应用程序下载到目标机上进行交叉调试，经过调试和优化，最后将应用程序固化到目标机中实际运行。 
　　CAD-UL是适用于x86处理器的嵌入式应用软件开发环境，它运行在Windows操作系统之上，可生成x86处理器的目标代码并通过PC机的COM口（RS-232串口）或以太网口下载到目标机上运行，如图2。其驻留于目标机FLASH存储器中的monitor程序可以监控宿主机Windows调试平台上的用户调试指令，获取CPU寄存器的值及目标机存储空间、I/O空间的内容。

图2 交叉开发环境

　　后续章节将从软件架构、内存操作、屏幕操作、键盘操作、性能优化等多方面阐述C语言嵌入式系统的编程技巧。软件架构是一个宏观概念，与具体硬件的联系不大；内存操作主要涉及系统中的FLASH、RAM和NVRAM芯片；屏幕操作则涉及显示控制器和实时钟；键盘操作主要涉及键盘控制器；性能优化则给出一些具体的减小程序时间、空间消耗的技巧。

　　在我们的修炼旅途中将经过25个关口，这些关口主分为两类，一类是技巧型，有很强的适用性；一类则是常识型，在理论上有些意义。