C语言嵌入式系统编程修炼之背景篇

这是我13年前创作和发表在互联网上的文章，这么多年过去了，这篇文章仍然在到处传播。现在贴回Linuxer公众号。

全文目录：

C语言嵌入式系统编程修炼之道——背景篇

C语言嵌入式系统编程修炼之道——软件架构篇

1.模块划分

2.多任务还是单任务

3.单任务程序典型架构

4.中断服务程序

5.硬件驱动模块

6.C的面向对象化

总结

C语言嵌入式系统编程修炼之道——内存操作篇

1.数据指针

2.函数指针

3.数组vs.动态申请

4.关键字const

5.关键字volatile

6.CPU字长与存储器位宽不一致处理

总结

C语言嵌入式系统编程修炼之道——屏幕操作篇

1.汉字处理

2.系统时间显示

3.动画显示

4.菜单操作

5.模拟MessageBox函数

总结

C语言嵌入式系统编程修炼之道——键盘操作篇

1.处理功能键

2.处理数字键

3.整理用户输入

总结

C语言嵌入式系统编程修炼之道——性能优化篇

1.使用宏定义

2.使用寄存器变量

3.内嵌汇编

4.利用硬件特性

5.活用位操作

总结

C语言嵌入式系统编程修炼之背景篇

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。

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。

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。

本系列文章未完待续