C語(yǔ)言嵌入式系統編程軟件設計研究論文

C語(yǔ)言嵌入式系統編程軟件設計研究論文

　　摘要：近年來(lái)，C語(yǔ)言編程在嵌入式系統越來(lái)越受到廣大技術(shù)人員的青睞。介紹了C語(yǔ)言系統軟件的編程思路，闡述了嵌入式系統編程軟件架構的基本知識，包括模塊劃分、分層架構、中斷服務(wù)程序編寫(xiě)、系統軟件設計要領(lǐng)等，并給出了在編寫(xiě)嵌入式系統C語(yǔ)言時(shí)基本架構所包含的主要內容。

　　關(guān)鍵詞：C語(yǔ)言；嵌入式系統；程序框架

　　1概述

　　C語(yǔ)言的廣泛應用主要是因其具有出色的移植性，能夠在多種不同體系結構的軟件或硬件平臺上運行；語(yǔ)法機制結構緊湊、使用靈活并能直接訪(fǎng)問(wèn)硬件；并具有很高的運行效率。與一般形式的軟件編程相比，嵌入式系統有其特殊性，其面向的是一種專(zhuān)用的計算機系統，既有應用層次上的通用性，也有硬件操作的復雜性。因此，運用高效合理的編程構架和設計流程，規范管理編程的過(guò)程，對于提高程序的安全性可靠性是十分有利的，同時(shí)可以提高軟件的開(kāi)發(fā)、執行、維護效率。在常規軟件編程基礎上，把分層思想、模塊化思想、面向對象技術(shù)應用到嵌入式C語(yǔ)言編程系統中，對嵌入式編程中的模塊劃分、分層架構、中斷服務(wù)程序編寫(xiě)、系統軟件設計思路進(jìn)行討論。嵌入式系統的高速發(fā)展使得對其編程的效率與質(zhì)量有了更高的要求和標準，更需要一種更加普遍并高效的編程框架與基本標準，以供廣大技術(shù)人員參考與使用。

　　2模塊劃分

　　模塊劃分是指把一個(gè)復雜的、綜合性的程序根據可實(shí)現的不同功能分成小段，每一小段可實(shí)現一個(gè)特定的功能。軟件應盡量減少與外部模塊的聯(lián)系，提高程序的可移植性，并且明確其可實(shí)現的功能。一般情況下，嵌入式系統包含硬件驅動(dòng)模塊與軟件功能模塊。一個(gè)硬件驅動(dòng)模塊對應一種特定的硬件，劃分軟件功能模塊時(shí)應盡量滿(mǎn)足低偶合、高內聚的基本要求。設計實(shí)現不同功能的模塊時(shí)，有兩個(gè)重要原則，（1）模塊的獨立性，各個(gè)功能模塊之間不會(huì )有信息交叉混淆，不會(huì )互相影響互相依存，一個(gè)模塊中函數指令不需要其他模塊的變量，模塊之間的連接通過(guò)函數接口來(lái)實(shí)現。（2）正交性，各個(gè)功能模塊是唯一確定的，其中的變量與其實(shí)現的功能是無(wú)歧義的。在劃分模塊時(shí)有下列注意事項：（1）某一個(gè)模塊提供給其他功能模塊所需調用的數據和外部函數需在頭文件（.h）中以extern關(guān)鍵字來(lái)聲明。（2）某功能模塊內的全局變量與函數信息需在.c文件的開(kāi)頭以static關(guān)鍵字進(jìn)行聲明。（3）一個(gè)模塊由一個(gè).h文件和一個(gè).c文件結合而成，此模塊的接口在頭文件(.h)中聲明。（4）頭文件（.h文件）中不能定義任何變量。定義變量是匯編階段的概念，會(huì )依據要求分配內存。

　　3分層架構

　　3.1分層方向

　　分層技術(shù)有兩個(gè)方向，目前嵌入式系統應用層開(kāi)發(fā)常用的方法是自頂向下，即從抽象到具體，從邏輯整體描述規范或者最頂層的程序為起點(diǎn)向下延伸到具體的操作模塊。自底向上是另一個(gè)思路，即從具體功能到抽象實(shí)現，是在硬件驅動(dòng)開(kāi)發(fā)中常用的方法。先分析功能模塊，使其作用在某個(gè)應用對象上，分析常用操作的方式。這兩個(gè)方法各有優(yōu)勢，為了達到較好的效果，在系統軟件設計過(guò)程中，可按照具體需求把這兩種方法混合使用。在邏輯分析應用時(shí)采用自頂向下的方式，規范功能模塊的邏輯表達，提高各個(gè)模塊的開(kāi)發(fā)、執行、移植效率。使用自底向上的方式規范硬件操作，把單位操作從中抽象出來(lái)，以便進(jìn)行上層應用的模塊移植。

　　3.2分層架構設計方法

　　分層是為了更好地滿(mǎn)足編程時(shí)各功能需要，把一個(gè)總體功能分解成一個(gè)個(gè)小功能，分層進(jìn)行實(shí)現，再整合。這樣就需要把代碼分解成不同概念層次的模塊，確定各個(gè)模塊的聯(lián)系，進(jìn)行合理連接，最終實(shí)現復雜的總體功能。分層時(shí)有固定的需要遵循的原則：（1）分層時(shí)盡量減小層間關(guān)聯(lián)性，不要互相影響互相制約，降低模塊的可移植性。若某一層出現了錯誤或問(wèn)題，也可以不影響整個(gè)程序，只影響部分功能的實(shí)現。則技術(shù)人員可有針對性地對這一層進(jìn)行修改完善，不對其他層產(chǎn)生影響。（2）每層需要為該層的上一層提供支撐，每層可以獨立地解決一個(gè)特定的問(wèn)題，如頻率采樣功能，可以分為數據采集層、數據處理層、數據顯示層等，層與層之間相互聯(lián)系，實(shí)現功能。（3）盡量實(shí)現層與層之間的高度內聚、相互之間又低耦合，每層內部對模塊進(jìn)行劃分，實(shí)現最優(yōu)模塊化，可移植性也最強。如果把功能分解得越簡(jiǎn)單清晰，實(shí)現起來(lái)也就越容易，但若把功能目標太過(guò)細化，又會(huì )引起調用次數增多，復雜程度增大的問(wèn)題，所以合理劃分層次和模塊，是需要不斷嘗試和修改的。以自底向上、自頂向下與模塊化的方法進(jìn)行分層架構。首先，對嵌入式系統應用需求進(jìn)行梳理，為把各種不同的模塊功能抽象出來(lái)，先采取自頂向下的方向，再由軟件層次轉化到概念層次。這是一個(gè)必經(jīng)的過(guò)程，把目標需求抽象出來(lái)，轉化為開(kāi)發(fā)軟件的功能。比如，采集信號頻率，需要信號的數據，輸入嵌入式系統，經(jīng)算法和程序，在LCD屏上顯示頻率，這涉及到了硬件驅動(dòng)、數據采集與處理、數據顯示等層次。接下來(lái)是對硬件所需實(shí)現的功能進(jìn)行抽象，采用自底向上的方式，硬件操作原語(yǔ)是在抽象硬件所需實(shí)現功能時(shí)必須細化出來(lái)的。在嵌入式編程系統中，由軟件編程驅動(dòng)硬件來(lái)實(shí)現相應的功能是很普遍的，為減少硬件功能的相互耦合與相互影響，對硬件功能進(jìn)行封裝，這不但有利于實(shí)現不同功能間的低耦合，還可以使當前系統更加簡(jiǎn)單易行，便于程序的執行與應用，提高程序的可移植性�，F在更多地傾向于采用自頂向下與自底向上兩種方法相結合的思想，為確保每層的上一層調用都能得到滿(mǎn)足，需要逐層檢查相鄰層間是否有信息交叉，調用關(guān)系是否合理。最后，優(yōu)化模塊的功能設計，整合各個(gè)功能層的功能，并進(jìn)行分類(lèi)，盡可能實(shí)現模塊的最優(yōu)化。嵌入式系統需要進(jìn)行面向對象、去中心化設計，設計時(shí)可以將系統邏輯架構區分為以下4個(gè)不同的層次：（1）應用管理層。實(shí)現功能調度、邏輯轉化、顯示界面關(guān)聯(lián)等功能。（2）算法協(xié)議層。實(shí)現的功能為數據庫訪(fǎng)問(wèn)、協(xié)議管理與解析、算法實(shí)現、文件整理等。（3）功能拓展層。實(shí)現各個(gè)器件的功能可移植性、接口連接訪(fǎng)問(wèn)等功能，并實(shí)現器件的低耦合性。④硬件驅動(dòng)層。硬件操作原語(yǔ)由硬件驅動(dòng)層提供，并實(shí)現硬件功能的獨立性。以上的分層方式與原則，整合了可實(shí)現相似功能或同類(lèi)的功能模塊，使代碼應用、算法與硬件功能之間的相互聯(lián)系大大減少，降低了各個(gè)功能在設計和實(shí)現時(shí)的耦合性，避免交叉混淆，使嵌入式系統的程序代碼結構更加明晰，可用性更高�？梢灾С侄鄠�(gè)應用邏輯的模型算法才是一個(gè)成熟的算法，可以在不同硬件環(huán)境中順利執行與應用的軟件功能模塊才是一個(gè)成熟的功能模塊，這樣可提高嵌入式系統軟件功能模塊的開(kāi)發(fā)、執行、移植效率。

　　4中斷服務(wù)程序

　　程序有時(shí)需要實(shí)現自動(dòng)停止正在運行的程序并轉入處理新的情況的程序的功能，這就需要中斷服務(wù)程序處理新情況后再返回原被暫停的原程序斷點(diǎn)繼續運行。中斷服務(wù)程序是嵌入式系統中的重要部分，因中斷系統可便捷地在系統的運行過(guò)程中實(shí)現中斷，執行中斷服務(wù)程序，并快速返回斷點(diǎn)繼續主程序，從而提高系統的運行效率，并且在不產(chǎn)生中斷時(shí)不占用內存，節約系統內存�，F在已經(jīng)出現許多在標準C語(yǔ)言上對中斷服務(wù)程序的拓展，出現了新的用于表示中斷函數的關(guān)鍵字，如_interrupt、#programinterrupt等。當編寫(xiě)中斷服務(wù)程序的函數時(shí)，中斷現場(chǎng)入棧和出棧代碼會(huì )由編譯器會(huì )自動(dòng)為該函數提供。中斷服務(wù)程序需要滿(mǎn)足下列要求：（1）中斷服務(wù)程序不能有返回值。（2）不能給中斷服務(wù)程序傳遞參數。（3）中斷服務(wù)程序應盡量簡(jiǎn)單精煉。

　　5系統軟件設計

　　5.1C語(yǔ)言的面向對象化

　　中類(lèi)的概念出現于在面向對象的語(yǔ)言中。對某一類(lèi)數據的特定操作的集合稱(chēng)為類(lèi)。類(lèi)包含了兩個(gè)范疇：數據和操作。面向對象有3個(gè)特性：封裝、繼承和多態(tài)。繼承是指通過(guò)結構嵌套可實(shí)現對象屬性的繼承。封裝是指把數據和函數捆綁，調用時(shí)可把函數與數據一起調用。多態(tài)是指不需考慮函數的數據調用方式，調用函數時(shí)可有多種不同方式。但更多時(shí)候，為使軟件代碼結構清晰易操作，只需將數據與函數進(jìn)行封裝即可。有時(shí)C語(yǔ)言編程時(shí)，會(huì )出現數據與函數聯(lián)系不緊密，結構混亂等問(wèn)題，C語(yǔ)言模擬面向對象是為了解決這些問(wèn)題，意義并不在于模擬這個(gè)行為本身。

　　5.2模塊重用設計

　　一般通過(guò)模塊化來(lái)實(shí)現C語(yǔ)言代碼重用，其中包含頭文件和函數實(shí)現文件，即．h文件和對應的．c文件。一般有兩種方式定義函數：（1）宏定義，宏定義的優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì )占用額外內存，與函數的參數類(lèi)型無(wú)關(guān)，缺點(diǎn)在于一些功能是無(wú)法通過(guò)宏來(lái)實(shí)現的；（2）函數，函數可實(shí)現的功能較多，并且可重復利用，可以接受其他函數的數據，也可把運算結果作為返回值輸出。

　　6結語(yǔ)

　　闡述了C語(yǔ)言嵌入式系統編程的所包含的基本元素與基本框架，合理的軟件設計架構可大大提高程序的開(kāi)發(fā)、執行、移植效率，在實(shí)際應用中有重要價(jià)值。

　　參考文獻

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