1、C 语言嵌入式系统编程修炼之内存操作篇数据指针 在嵌入式系统的编程中，常常要求在特定的内存单元读写内容，汇编有对应的 MOV指令，而除 C/C+以外的其它编程语言基本没有直接访问绝对地址的能力。在嵌入式系统的实际调试中，多借助 C 语言指针所具有的对绝对地址单元内容的读写能力。以指针直接操作内存多发生在如下几种情况： (1) 某 I/O 芯片被定位在 CPU 的存储空间而非 I/O 空间，而且寄存器对应于某特定地址； (2) 两个 CPU 之间以双端口 RAM 通信，CPU 需要在双端口 RAM 的特定单元（称为mail box）书写内容以在对方 CPU 产生中断； (3) 读取在 ROM 或
2、 FLASH 的特定单元所烧录的汉字和英文字模。 譬如： unsigned char *p = (unsigned char *)0xF000FF00;*p=“11“; 以上程序的意义为在绝对地址 0xF0000+0xFF00(80186 使用 16 位段地址和 16 位偏移地址)写入 11。 在使用绝对地址指针时，要注意指针自增自减操作的结果取决于指针指向的数据类别。上例中 p+后的结果是 p= 0xF000FF01，若 p 指向 int，即： int *p = (int *)0xF000FF00; p+( 或+p)的结果等同于：p = p+sizeof(int)，而 p-(或-p) 的结果
3、是 p = p-sizeof(int)。 记住：CPU 以字节为单位编址，而 C 语言指针以指向的数据类型长度作自增和自减。理解这一点对于以指针直接操作内存是相当重要的。 函数指针 首先要理解以下三个问题： （1）C 语言中函数名直接对应于函数生成的指令代码在内存中的地址，因此函数名可以直接赋给指向函数的指针； （2）调用函数实际上等同于“调转指令参数传递处理回归位置入栈 “，本质上最核心的操作是将函数生成的目标代码的首地址赋给 CPU 的 PC 寄存器； （3）因为函数调用的本质是跳转到某一个地址单元的 code 去执行，所以可以“调用“一个根本就不存在的函数实体，晕？请往下看： 请拿出你可
4、以获得的任何一本大学微型计算机原理教材，书中讲到，186 CPU 启动后跳转至绝对地址 0xFFFF0（对应 C 语言指针是 0xF000FFF0，0xF000 为段地址，0xFFF0 为段内偏移）执行，请看下面的代码： typedef void (*lpFunction) ( ); /* 定义一个无参数、无返回类型的 */* 函数指针类型 */lpFunction lpReset = (lpFunction)0xF000FFF0; /* 定义一个函数指针，指向*/* CPU 启动后所执行第一条指令的位置 */lpReset(); /* 调用函数 */ 在以上的程序中，我们根本没有看到任何一个
5、函数实体，但是我们却执行了这样的函数调用：lpReset()，它实际上起到了 “软重启“的作用，跳转到 CPU 启动后第一条要执行的指令的位置。 记住：函数无它，唯指令集合耳；你可以调用一个没有函数体的函数，本质上只是换一个地址开始执行指令！ 数组 vs.动态申请 在嵌入式系统中动态内存申请存在比一般系统编程时更严格的要求，这是因为嵌入式系统的内存空间往往是十分有限的，不经意的内存泄露会很快导致系统的崩溃。 所以一定要保证你的 malloc 和 free 成对出现，如果你写出这样的一段程序： char * function(void)char *p;p = (char *)malloc();i
6、f(p=NULL); /* 一系列针对 p 的操作 */return p; 在某处调用 function()，用完 function 中动态申请的内存后将其 free，如下： char *q = function();free(q); 上述代码明显是不合理的，因为违反了 malloc 和 free 成对出现的原则，即“谁申请，就由谁释放“原则。不满足这个原则，会导致代码的耦合度增大，因为用户在调用function 函数时需要知道其内部细节！ 正确的做法是在调用处申请内存，并传入 function 函数，如下： char *p=“malloc“();if(p=NULL);function(p);
7、free(p);p=“NULL“; 而函数 function 则接收参数 p，如下： void function(char *p) /* 一系列针对 p 的操作 */ 基本上，动态申请内存方式可以用较大的数组替换。对于编程新手，笔者推荐你尽量采用数组！嵌入式系统可以以博大的胸襟接收瑕疵，而无法“海纳“错误。毕竟，以最笨的方式苦练神功的郭靖胜过机智聪明却范政治错误走反革命道路的杨康。 给出原则： （1）尽可能的选用数组，数组不能越界访问（真理越过一步就是谬误，数组越过界限就光荣地成全了一个混乱的嵌入式系统） ； （2）如果使用动态申请，则申请后一定要判断是否申请成功了，并且 malloc 和fr
8、ee 应成对出现！ const 在 C+语言中则包含了更丰富的含义，而在 C 语言中仅意味着：“只能读的普通变量“，可以称其为“不能改变的变量“（这个说法似乎很拗口，但却最准确的表达了 C 语言中 const 的本质） ，在编译阶段需要的常数仍然只能以 #define 宏定义！故在 C 语言中如下程序是非法的： 关键字 const const 意味着“只读“。区别如下代码的功能非常重要，也是老生长叹，如果你还不知道它们的区别，而且已经在程序界摸爬滚打多年，那只能说这是一个悲哀： const int a;int const a;const int *a;int * const a;int con
9、st * a const; const int SIZE = 10;char aSIZE; /* 非法：编译阶段不能用到变量 */ 关键字 volatile volatile 变量可能用于如下几种情况： (1) 并行设备的硬件寄存器（如：状态寄存器，例中的代码属于此类） ； (2) 一个中断服务子程序中会访问到的非自动变量(也就是全局变量)； (3) 多线程应用中被几个任务共享的变量。C 语言嵌入式系统编程修炼之屏幕操作篇汉字处理 现在要解决的问题是，嵌入式系统中经常要使用的并非是完整的汉字库，往往只是需要提供数量有限的汉字供必要的显示功能。例如，一个微波炉的 LCD 上没有必要提供显示“电子
10、邮件“的功能；一个提供汉字显示功能的空调的 LCD 上不需要显示一条“短消息“，诸如此类。但是一部手机、小灵通则通常需要包括较完整的汉字库。 如果包括的汉字库较完整，那么，由内码计算出汉字字模在库中的偏移是十分简单的：汉字库是按照区位的顺序排列的，前一个字节为该汉字的区号，后一个字节为该字的位号。每一个区记录 94 个汉字，位号则为该字在该区中的位置。因此，汉字在汉字库中的具体位置计算公式为：94*(区号-1)+位号-1。减 1 是因为数组是以 0 为开始而区号位号是以1 为开始的。只需乘上一个汉字字模占用的字节数即可，即：(94*(区号-1)+ 位号-1)* 一个汉字字模占用字节数，以 16
11、*16 点阵字库为例，计算公式则为：(94*( 区号-1)+( 位号-1)*32。汉字库中从该位置起的 32 字节信息记录了该字的字模信息。 对于包含较完整汉字库的系统而言，我们可以以上述规则计算字模的位置。但是如果仅仅是提供少量汉字呢？譬如几十至几百个？最好的做法是： 定义宏： # define EX_FONT_CHAR(value) # define EX_FONT_UNICODE_VAL(value) (value),# define EX_FONT_ANSI_VAL(value) (value), 定义结构体： typedef struct _wide_unicode_font16x1
12、6 WORD value; /* 内码 */BYTE data32; /* 字模点阵 */Unicode;#define CHINESE_CHAR_NUM /* 汉字数量 */ 字模的存储用数组： Unicode chineseCHINESE_CHAR_NUM =EX_FONT_CHAR(“业“)EX_FONT_UNICODE_VAL(0x4e1a)0x04, 0x40, 0x04, 0x40, 0x04, 0x40, 0x04, 0x44, 0x44, 0x46, 0x24, 0x4c, 0x24, 0x48, 0x14, 0x50, 0x1c, 0x50, 0x14, 0x60, 0x04
13、, 0x40, 0x04, 0x40, 0x04, 0x44, 0xff, 0xfe, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,EX_FONT_CHAR(“中“)EX_FONT_UNICODE_VAL(0x4e2d)0x01, 0x00, 0x01, 0x00, 0x21, 0x08, 0x3f, 0xfc, 0x21, 0x08, 0x21, 0x08, 0x21, 0x08, 0x21, 0x08, 0x21, 0x08, 0x3f, 0xf8, 0x21, 0x08, 0x01, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01, 0x0
14、0,EX_FONT_CHAR(“云“)EX_FONT_UNICODE_VAL(0x4e91)0x00, 0x00, 0x00, 0x30, 0x3f, 0xf8, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x0c, 0xff, 0xfe, 0x03, 0x00, 0x07, 0x00, 0x06, 0x40, 0x0c, 0x20, 0x18, 0x10, 0x31, 0xf8, 0x7f, 0x0c, 0x20, 0x08, 0x00, 0x00,EX_FONT_CHAR(“件“)EX_FONT_UNICODE_VAL(0x4ef6)0x10, 0x40, 0x1a, 0
15、x40, 0x13, 0x40, 0x32, 0x40, 0x23, 0xfc, 0x64, 0x40, 0xa4, 0x40, 0x28, 0x40, 0x2f, 0xfe, 0x20, 0x40, 0x20, 0x40, 0x20, 0x40, 0x20, 0x40, 0x20, 0x40, 0x20, 0x40, 0x20, 0x40 要显示特定汉字的时候，只需要从数组中查找内码与要求汉字内码相同的即可获得字模。如果前面的汉字在数组中以内码大小顺序排列，那么可以以二分查找法更高效的查找到汉字的字模。 这是一种很有效的组织小汉字库的方法，它可以保证程序有很好的结构。 系统时间显示 从 NV
16、RAM 中可以读取系统的时间，系统一般借助 NVRAM 产生的秒中断每秒读取一次当前时间并在 LCD 上显示。关于时间的显示，有一个效率问题。因为时间有其特殊性，那就是 60 秒才有一次分钟的变化，60 分钟才有一次小时变化，如果我们每次都将读取的时间在屏幕上完全重新刷新一次，则浪费了大量的系统时间。 一个较好的办法是我们在时间显示函数中以静态变量分别存储小时、分钟、秒，只有在其内容发生变化的时候才更新其显示。 extern void DisplayTime()static BYTE byHour,byMinute,bySecond;BYTE byNewHour, byNewMinute, b
17、yNewSecond;byNewHour = GetSysHour();byNewMinute = GetSysMinute();byNewSecond = GetSysSecond();if(byNewHour!= byHour) /* 显示小时 */byHour = byNewHour;if(byNewMinute!= byMinute) /* 显示分钟 */byMinute = byNewMinute;if(byNewSecond!= bySecond) /* 显示秒钟 */bySecond = byNewSecond; 这个例子也可以顺便作为 C 语言中 static 关键字强大威力的
18、证明。当然，在 C+语言里，static 具有了更加强大的威力，它使得某些数据和函数脱离“ 对象“而成为“类“的一部分，正是它的这一特点，成就了软件的无数优秀设计。 动画显示 动画是无所谓有，无所谓无的，静止的画面走的路多了，也就成了动画。随着时间的变更，在屏幕上显示不同的静止画面，即是动画之本质。所以，在一个嵌入式系统的 LCD上欲显示动画，必须借助定时器。没有硬件或软件定时器的世界是无法想像的： （1） 没有定时器，一个操作系统将无法进行时间片的轮转，于是无法进行多任务的调度，于是便不再成其为一个多任务操作系统； （2） 没有定时器，一个多媒体播放软件将无法运作，因为它不知道何时应该切换到
19、下一帧画面； （3） 没有定时器，一个网络协议将无法运转，因为其无法获知何时包传输超时并重传之，无法在特定的时间完成特定的任务。 因此，没有定时器将意味着没有操作系统、没有网络、没有多媒体，这将是怎样的黑暗？所以，合理并灵活地使用各种定时器，是对一个软件人的最基本需求！ 菜单操作 无数人为之绞尽脑汁的问题终于出现了，在这一节里，我们将看到，在 C 语言中哪怕用到一丁点的面向对象思想，软件结构将会有何等的改观！ 笔者曾经是个笨蛋，被菜单搞晕了，给出这样的一个系统： 要求以键盘上的“ “键切换菜单焦点，当用户在焦点处于某菜单时，若敲击键盘上的 OK、CANCEL 键则调用该焦点菜单对应之处理函数。
20、我曾经傻傻地这样做着： /* 按下 OK 键 */void onOkKey()/* 判断在什么焦点菜单上按下 Ok 键，调用相应处理函数 */Switch(currentFocus)case MENU1:menu1OnOk();break;case MENU2:menu2OnOk();break;/* 按下 Cancel 键 */void onCancelKey()/* 判断在什么焦点菜单上按下 Cancel 键，调用相应处理函数 */Switch(currentFocus)case MENU1:menu1OnCancel();break;case MENU2:menu2OnCancel();
21、break; 终于有一天，我这样做了： /* 将菜单的属性和操作“封装“在一起 */typedef struct tagSysMenuchar *text; /* 菜单的文本 */BYTE xPos; /* 菜单在 LCD 上的 x 坐标 */BYTE yPos; /* 菜单在 LCD 上的 y 坐标 */void (*onOkFun)(); /* 在该菜单上按下 ok 键的处理函数指针 */void (*onCancelFun)(); /* 在该菜单上按下 cancel 键的处理函数指针 */SysMenu, *LPSysMenu; 当我定义菜单时，只需要这样： static SysMenu
22、 menuMENU_NUM =“menu1“, 0, 48, menu1OnOk, menu1OnCancel,“ menu2“, 7, 48, menu2OnOk, menu2OnCancel,“ menu3“, 7, 48, menu3OnOk, menu3OnCancel,“ menu4“, 7, 48, menu4OnOk, menu4OnCancel; OK 键和 CANCEL 键的处理变成： /* 按下 OK 键 */void onOkKey() menucurrentFocusMenu.onOkFun(); /* 按下 Cancel 键 */void onCancelKey()m
23、enucurrentFocusMenu.onCancelFun(); 程序被大大简化了，也开始具有很好的可扩展性！我们仅仅利用了面向对象中的封装思想，就让程序结构清晰，其结果是几乎可以在无需修改程序的情况下在系统中添加更多的菜单，而系统的按键处理函数保持不变。 面向对象，真神了！C 语言嵌入式系统编程修炼之键盘操作篇功能键的问题在于，用户界面并非固定的，用户功能键的选择将使屏幕画面处于不同的显示状态下。 处理功能键 功能键的问题在于，用户界面并非固定的，用户功能键的选择将使屏幕画面处于不同的显示状态下。例如，主画面如图 1： 图 1 主画面 当用户在设置 XX 上按下 Enter 键之后，画面
24、就切换到了设置 XX 的界面，如图 2： 图 2 切换到设置 XX 画面 程序如何判断用户处于哪一画面，并在该画面的程序状态下调用对应的功能键处理函数，而且保证良好的结构，是一个值得思考的问题。 让我们来看看 WIN32 编程中用到的“窗口“概念，当消息（ message）被发送给不同窗口的时候，该窗口的消息处理函数（是一个 callback 函数）最终被调用，而在该窗口的消息处理函数中，又根据消息的类型调用了该窗口中的对应处理函数。通过这种方式，WIN32 有效的组织了不同的窗口，并处理不同窗口情况下的消息。 我们从中学习到的就是： （1）将不同的画面类比为 WIN32 中不同的窗口，将窗口
25、中的各种元素（菜单、按钮等）包含在窗口之中； （2）给各个画面提供一个功能键“消息“处理函数，该函数接收按键信息为参数； （3）在各画面的功能键“消息“处理函数中，判断按键类型和当前焦点元素，并调用对应元素的按键处理函数。 /* 将窗口元素、消息处理函数封装在窗口中 */struct windowsBYTE currentFocus;ELEMENT elementELEMENT_NUM;void (*messageFun) (BYTE keyValue);/* 消息处理函数 */void messageFunction(BYTE keyValue)BYTE i = 0;/* 获得焦点元素 */
26、while ( (element .ID!= currentFocus)i = 879 / 16;j = 562 % 32; /* 方法 2 */int i,j;i = 879 4;j = 562 - (562 5 “通常可以提高算法效率。因为乘除运算指令周期通常比移位运算大。 C 语言位运算除了可以提高运算效率外，在嵌入式系统的编程中，它的另一个最典型的应用，而且十分广泛地正在被使用着的是位间的与（outword(INT_MASK, wTemp 而将该位设置为 1 的做法是： #define INT_I2_MASK 0x0040 wTemp = inword(INT_MASK);outwor
27、d(INT_MASK, wTemp | INT_I2_MASK); 判断该位是否为 1 的做法是： #define INT_I2_MASK 0x0040 wTemp = inword(INT_MASK);if(wTemp & INT_I2_MASK) /* 该位为 1 */ 上述方法在嵌入式系统的编程中是非常常见的，我们需要牢固掌握。 总结 在性能优化方面永远注意 80-20 准备，不要优化程序中开销不大的那 80%，这是劳而无功的。 宏定义是 C 语言中实现类似函数功能而又不具函数调用和返回开销的较好方法，但宏在本质上不是函数，因而要防止宏展开后出现不可预料的结果，对宏的定义和使用要慎而处之。很遗憾，标准 C 至今没有包括 C+中 inline 函数的功能，inline 函数兼具无调用开销和安全的优点。 使用寄存器变量、内嵌汇编和活用位操作也是提高程序效率的有效方法。 除了编程上的技巧外，为提高系统的运行效率，我们通常也需要最大可能地利用各种硬件设备自身的特点来减小其运转开销，例如减小中断次数、利用 DMA 传输方式等。
