1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。C語言嵌入式系統編程修煉之軟件架構篇-C語言嵌入式系統編程修煉之軟件架構篇-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為一系列功能獨立的部分合作完成系統的需求。HYPERLINK/key/1574/1574.htmlt_blankC語言作為一種結構化的HYPERLINK/key/1801/31801.htmlt_blank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HYPERLINK/key/1352/71352.htmlt_blank面向對象設計中成為一個錯誤，

2、牛頓定律遇到了HYPERLINK/key/643/190643.htmlt_blank相對論），C語言HYPERLINK/key/1001/71001.htmlt_blank模塊化程序設計需理解如下概念：HYPERLINK/key/3342/163342.htmlt_blank（1）模塊即是一個.c文件和一個.h文件的結合，頭文件(.h)中是對于該模塊接口的聲明；（2）某模塊提供給其它模塊調用的HYPERLINK/key/889/55889.htmlt_blank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HYPERLINK/key

3、/2524/102524.htmlt_blankstatic關鍵字聲明；（4）永遠不要在.h文件中HYPERLINK/key/1586/86586.htmlt_blank定義變量！定義變量和聲明變量的區別在于定義會產生HYPERLINK/key/4005/69005.htmlt_blank內存分配的操作，是HYPERLINK/key/46/80046.htmlt_blank匯編階段的概念；而聲明則只是告訴包含該聲明的模塊在連接階段從其它模塊尋找外部函數和變量。如：/*module1.h*/inta=5;/*在模塊1的.h文件中定義inta*/*module1.c*/#HYPERLINK/key

4、/288/20288.htmlt_blankincludemodule1.h/*在模塊1中包含模塊1的.h文件*/*module2.c*/HYPERLINK/key/3897/133897.htmlt_blank#includemodule1.h/*在模塊2中包含模塊1的.h文件*/*module3.c*/#includemodule1.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1、2、3中都定義了整型變量a，a在不同的模塊中對應不同的地址單元，這個世界上從來不需要這樣的程序。正確的做法是：/*module1.h*/externinta;/*在模塊1的.h文件中聲明inta

5、*/*module1.c*/#includemodule1.h/*在模塊1中包含模塊1的.h文件*/inta=5;/*在模塊1的.c文件中定義inta*/*module2.c*/#includemodule1.h/*在模塊2中包含模塊1的.h文件*/*module3.c*/#includemodule1.h/*在模塊3中包含模塊1的.h文件*/這樣如果模塊1、2、3操作a的話，對應的是同一片內存單元。一個HYPERLINK/key/2259/147259.htmlt_blank嵌入式系統通常包括兩類模塊：（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，其模塊的劃分應滿足低偶合

6、、高內聚的要求。多任務還是單任務所謂單任務系統是指該系統不能支持多任務并發操作，宏觀HYPERLINK/key/4620/89620.htmlt_blank串行地執行一個任務。而多任務系統則可以宏觀并行（微觀上可能串行）地同時執行多個任務。多任務的并發執行通常依賴于一個多任務操作系統（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還被用來存放任務的上下文（context)。任務的上下文就是當一個執行中的任務被HY

7、PERLINK/key/1597/56597.htmlt_blank停止時，所要保存的所有信息。通常，上下文就是計算機當前的狀態，也即各個HYPERLINK/key/4914/134914.htmlt_blank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，并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HYPERLINK/key/1531/206531.htmlt_blankVxworks、ucLinux等。嵌入式OS并非遙不可及的神壇之物，我們可以用不到1000行代碼實現一個針對80186處理器的功能最簡單的OS內核，作者正

8、準備進行此項工作，希望能將心得貢獻給大家。究竟選擇多任務還是單任務方式，依賴于軟件的體系是否龐大。例如，絕大多數HYPERLINK/key/378/60378.htmlt_blank手機程序都是多任務的，但也有一些HYPERLINK/key/3438/23438.htmlt_blank小靈通的協議棧是單任務的，沒有操作系統，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）跳轉至匯編代碼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（

9、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。用戶主程序最后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，我們從for(;)看不出什么，只有弄明白for(;)在C語言中意味著無條件循環才明白其意。下面是幾個著名的死循環：（1）操作系統是死循環；（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，2、3、4都可以不是死循環。Yes，youareright，但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

10、，因為這個世界從來不需要一個處理完幾個消息就喊著要OS殺死它的WIN32程序，不需要一個剛開始RUN就自行了斷的嵌入式系統，不需要莫名其妙啟動一個做一點事就干掉自己的線程。有時候，過于嚴謹制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為事實上的標準？經常有網友討論：printf(%d,%d,+i,i+);/*輸出是什么？*/c=a+b;/*c=?*/等類似問題。面對這些問題，我們只能發出由衷的感慨：世界上還有很多有意義的事情等著我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，但是在標準

11、C中不包含中斷。許多編譯開發商在標準C上增加了對中斷的支持，提供新的關鍵字用于標示中斷服務程序(ISR)，類似于_interrupt、#programinterrupt等。當一個函數被定義為ISR的時候，編譯器會自動為該函數增加中斷服務程序所需要的中斷現場入棧和出棧代碼。中斷服務程序需要滿足如下要求：(1)不能返回值；(2)不能向ISR傳遞參數；(3)ISR應該盡可能的短小精悍；(4)printf(char*lpFormatString,)函數會帶來重入和性能問題，不能在ISR中采用。在某項目的開發中，我們設計了一個隊列，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

12、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*/typedefstructtagIntQueueintintType;/*中斷類型*/structtagIntQueue*next;IntQueue;IntQueuelpIntQueueHead;_interruptISRexample()intintType;intType=GetSystemType();QueueAddTail(lpIntQueueHead,intType)；/*在隊列尾加入新的中斷*/在主程序循環中判斷是否有中斷：While(1)If(!IsIntQueueEmpty()intTy

13、pe=GetFirstInt();switch(intType)/*是不是很象WIN32程序的消息解析函數?*/*對，我們的中斷類型解析很類似于消息驅動*/casexxx:/*我們稱其為中斷驅動吧？*/break;casexxx:break;按上述方法設計的中斷服務程序很小，實際的工作都交由主程序執行了。硬件驅動模塊一個硬件驅動模塊通常應包括如下函數：（1）中斷服務程序ISR（2）硬件初始化a.修改寄存器，設置硬件參數（如UART應設置其波特率，AD/DA設備應設置其采樣速率等）；b.將中斷服務程序入口地址寫入中斷向量表：/*設置中斷向量表*/m_myPtr=make_far_pointer(

14、0l);/*返回voidfar型指針voidfar*/m_myPtr+=ITYPE_UART;/*ITYPE_UART：uart中斷服務程序*/*相對于中斷向量表首地址的偏移*/*m_myPtr=&UART_Isr;/*UART_Isr：UART的中斷服務程序*/（3）設置CPU針對該硬件的控制線a.如果控制線可作PIO（可編程I/O）和控制信號用，則設置CPU內部對應寄存器使其作為控制信號；b.設置CPU內部的針對該設備的中斷屏蔽位，設置中斷方式（電平觸發還是邊緣觸發）。（4）提供一系列針對該設備的操作接口函數。例如，對于LCD，其驅動模塊應提供繪制像素、畫線、繪制矩陣、顯示字符點陣等函數；

15、而對于實時鐘，其驅動模塊則需提供獲取時間、設置時間等函數。C的面向對象化在面向對象的語言里面，出現了類的概念。類是對特定數據的特定操作的集合體。類包含了兩個范疇：數據和操作。而C語言中的struct僅僅是數據的集合，我們可以利用函數指針將struct模擬為一個包含數據和操作的類。下面的C程序模擬了一個最簡單的類：#ifndefC_Class#defineC_Classstruct#endifC_ClassAC_ClassA*A_this;/*this指針*/void(*Foo)(C_ClassA*A_this);/*行為：函數指針*/inta;/*數據*/intb;我們可以利用C語言模擬出面向

16、對象的三個特性：封裝、繼承和多態，但是更多的時候，我們只是需要將數據與行為封裝以解決軟件結構混亂的問題。C模擬面向對象思想的目的不在于模擬行為本身，而在于解決某些情況下使用C語言編程時程序整體框架結構分散、數據和函數脫節的問題。我們在后續章節會看到這樣的例子?？偨Y本篇介紹了嵌入式系統編程軟件架構方面的知識，主要包括模塊劃分、多任務還是單任務選取、單任務程序典型架構、中斷服務程序、硬件驅動模塊設計等，從宏觀上給出了一個嵌入式系統軟件所包含的主要元素。請記?。很浖Y構是軟件的靈魂！結構混亂的程序面目可憎，調試、測試、維護、升級都極度困難。C語言嵌入式系統編程修煉之內存操作-數據指針在嵌入式系統的編

17、程中，常常要求在特定的內存單元讀寫內容，HYPERLINK/key/46/80046.htmlt_blank匯編有對應的MOV指令，而除HYPERLINK/key/4630/39630.htmlt_blankC/C+以外的其它編程語言基本沒有直接訪問絕對地址的能力。在嵌入式系統的實際調試中，多借助C語言指針所具有的對絕對地址單元內容的讀寫能力。以指針直接操作內存多發生在如下幾種情況：(1)某I/O芯片被定位在CPU的存儲空間而非I/O空間，而且寄存器對應于某特定地址；(2)兩個CPU之間以雙端口RAM通信，CPU需要在雙端口RAM的特定單元（稱為mailbox）書寫內容以在對方CPU產生中斷；

18、(3)讀取在ROM或FLASH的特定單元所HYPERLINK/key/962/25962.htmlt_blank燒錄的漢字和英文字模。譬如：unsignedchar*p=(unsignedchar*)0 xF000FF00;*p=11;以上程序的意義為在絕對地址0 xF0000+0 xFF00(80186使用16位段地址和16位偏移地址)寫入11。在使用絕對地址指針時，要注意指針自增自減操作的結果取決于指針指向的數據類別。上例中p+后的結果是p=0 xF000FF01，若p指向int，即：int*p=(int*)0 xF000FF00;p+(或+p)的結果等同于：p=p+sizeof(int)

19、，而p-(或-p)的結果是p=p-sizeof(int)。同理，若執行：longint*p=(longint*)0 xF000FF00;則p+(或+p)的結果等同于：p=p+sizeof(longint)，而p-(或-p)的結果是p=p-sizeof(longint)。記住：CPU以字節為單位編址，而C語言指針以指向的數據類型長度作自增和自減。理解這一點對于以指針直接操作內存是相當重要的。函數指針首先要理解以下三個問題：（1）C語言中函數名直接對應于函數生成的指令代碼在內存中的地址，因此函數名可以直接賦給指向函數的指針；（2）調用函數實際上等同于調轉指令參數傳遞處理回歸位置入棧，本質上最核心的

20、操作是將函數生成的目標代碼的首地址賦給CPU的PC寄存器；（3）因為函數調用的本質是跳轉到某一個地址單元的HYPERLINK/key/994/20994.htmlt_blankcode去執行，所以可以調用一個根本就不存在的函數實體，暈？請往下看：請拿出你可以獲得的任何一本大學HYPERLINK/key/4094/54094.htmlt_blank微型計算機原理教材，書中講到，186CPU啟動后跳轉至絕對地址0 xFFFF0（對應C語言指針是0 xF000FFF0，0 xF000為段地址，0 xFFF0為段內偏移）執行，請看下面的代碼：typedefvoid(*lpFunction)();/*定

21、義一個無參數、無返回類型的*/*函數指針類型*/lpFunctionlpReset=(lpFunction)0 xF000FFF0;/*定義一個函數指針，指向*/*CPU啟動后所執行第一條指令的位置*/lpReset();/*調用函數*/在以上的程序中，我們根本沒有看到任何一個函數實體，但是我們卻執行了這樣的函數調用：lpReset()，它實際上起到了軟重啟的作用，跳轉到CPU啟動后第一條要執行的指令的位置。記?。汉瘮禑o它，唯指令集合耳；你可以調用一個沒有函數體的函數，本質上只是換一個地址開始執行指令！數組vs.動態申請在嵌入式系統中動態內存申請存在比一般系統編程時更嚴格的要求，這是因為嵌入式

22、系統的內存空間往往是十分有限的，不經意的內存泄露會很快導致系統的崩潰。所以一定要保證你的malloc和free成對出現，如果你寫出這樣的一段程序：char*function(void)char*p;p=(char*)malloc();if(p=NULL);/*一系列針對p的操作*/returnp;在某處調用function()，用完function中動態申請的內存后將其free，如下：char*q=function();free(q);上述代碼明顯是不合理的，因為違反了malloc和free成對出現的原則，即誰申請，就由誰釋放原則。不滿足這個原則，會導致代碼的耦合度增大，因為用戶在調用func

23、tion函數時需要知道其內部細節！正確的做法是在調用處申請內存，并傳入function函數，如下：char*p=malloc();if(p=NULL);function(p);free(p);p=NULL;而函數function則接收參數p，如下：voidfunction(char*p)/*一系列針對p的操作*/基本上，動態申請內存方式可以用較大的數組替換。對于編程新手，筆者推薦你盡量采用數組！嵌入式系統可以以博大的胸襟接收瑕疵，而無法海納錯誤。畢竟，以最笨的方式苦練神功的郭靖勝過機智聰明卻范政治錯誤走反革命道路的楊康。給出原則：（1）盡可能的選用數組，數組不能越界訪問（真理越過一步就是謬誤，

24、數組越過界限就光榮地成全了一個混亂的嵌入式系統）；（2）如果使用動態申請，則申請后一定要判斷是否申請成功了，并且malloc和free應成對出現！關鍵字constconst意味著只讀。區別如下代碼的功能非常重要，也是老生長嘆，如果你還不知道它們的區別，而且已經在程序界摸爬滾打多年，那只能說這是一個悲哀：constinta;intconsta;constint*a;int*consta;intconst*aconst;（1）關鍵字const的作用是為給讀你代碼的人傳達非常有用的信息。例如，在函數的形參前添加const關鍵字意味著這個參數在函數體內不會被修改，屬于輸入參數。在有多個形參的時候，函數

25、的調用者可以憑借參數前是否有const關鍵字，清晰的辨別哪些是輸入參數，哪些是可能的輸出參數。（2）合理地使用關鍵字const可以使編譯器很自然地保護那些不希望被改變的參數，防止其被無意的代碼修改，這樣可以減少bug的出現。const在C+語言中則包含了更豐富的含義，而在C語言中僅意味著：只能讀的普通變量，可以稱其為不能改變的變量（這個說法似乎很拗口，但卻最準確的表達了C語言中const的本質），在編譯階段需要的常數仍然只能以#define宏定義！故在C語言中如下程序是非法的：constintSIZE=10;charaSIZE;/*非法：編譯階段不能用到變量*/關鍵字volatileC語言編譯

26、器會對用戶書寫的代碼進行優化，譬如如下代碼：inta,b,c;a=inWord(0 x100);/*讀取I/O空間0 x100端口的內容存入a變量*/b=a;a=inWord(0 x100);/*再次讀取I/O空間0 x100端口的內容存入a變量*/c=a;很可能被編譯器優化為：inta,b,c;a=inWord(0 x100);/*讀取I/O空間0 x100端口的內容存入a變量*/b=a;c=a;但是這樣的優化結果可能導致錯誤，如果I/O空間0 x100端口的內容在執行第一次讀操作后被其它程序寫入新值，則其實第2次讀操作讀出的內容與第一次不同，b和c的值應該不同。在變量a的定義前加上vola

27、tile關鍵字可以防止編譯器的類似優化，正確的做法是：volatileinta；volatile變量可能用于如下幾種情況：(1)并行設備的硬件寄存器（如：狀態寄存器，例中的代碼屬于此類）；(2)一個中斷服務子程序中會訪問到的非自動變量(也就是全局變量)；(3)多線程應用中被幾個任務共享的變量。CPU字長與存儲器位寬不一致處理在背景篇中提到，本文特意選擇了一個與CPU字長不一致的存儲芯片，就是為了進行本節的討論，解決CPU字長與存儲器位寬不一致的情況。80186的字長為16，而NVRAM的位寬為8，在這種情況下，我們需要為NVRAM提供讀寫字節、字的接口，如下：typedefunsignedcharBYTE;typedefunsignedintWORD;/*函數功能：讀NVRAM中字節*參數：wOffset，讀取位置相對NVRAM基地址的偏移*返回：讀取到的字節值*/externBYTEReadByteNVRAM(WORDwOffset)LPBYTElpAddr=(BYTE*)(NVRAM+wOffset*2);/*為什么偏移要2?*/return*lpAddr;/*