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。

C语言嵌入式系统编程修炼之二:软件架构篇！
模块划分
模块划分的"划"是规划的意思，意指怎样合理的将一个很大的软件划分为一
系列功能独立的部分合作完成系统的需求。C语言作为一种结构化的程序设计语
言，在模块的划分上主要依据功能（依功能进行划分在面向对象设计中成为一个
错误，牛顿定律遇到了>相对论），C语言模块化程序设计需理解如下概念：
（1） 模块即是一个.c文件和一个.h文件的结合，头文件(.h)中是对于该
模块接口的声明；
（2） 某模块提供给其它模块调用的外部函数及数据需在.h中文件中冠以e
xtern关键字声明；
（3） 模块内的函数和全局变量需在.c文件开头冠以static关键字声明；
（4） 永远不要在.h文件中定义变量！定义变量和声明变量的区别在于定
义会产生内存分配的操作，是汇编阶段的概念；而声明则只是告诉包含该声明的
模块在连接阶段从其它模块寻找外部函数和变量。如：
/*module1.h*/
int a = 5; /* 在模块1的.h文件中定义int a */
/*module1 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块1中包含模块1的.h文件 */
/*module2 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块2中包含模块1的.h文件 */
/*module3 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块3中包含模块1的.h文件 */
以上程序的结果是在模块1、2、3中都定义了整型变量a，a在不同的模块
中对应不同的地址单元，这个世界上从来不需要这样的程序。正确的做法是：
/*module1.h*/
extern int a; /* 在模块1的.h文件中声明int a */
/*module1 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块1中包含模块1的.h文件 */
int a = 5; /* 在模块1的.c文件中定义int a */
/*module2 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块2中包含模块1的.h文件 */
/*module3 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块3中包含模块1的.h文件 */
这样如果模块1、2、3操作a的话，对应的是同一片内存单元。
一个嵌入式系统通常包括两类模块：
（1）硬件驱动模块，一种特定硬件对应一个模块；
（2）软件功能模块，其模块的划分应满足低偶合、高内聚的要求。
多任务还是单任务
所谓"单任务系统"是指该系统不能支持多任务并发操作，宏观串行地执行一
个任务。而多任务系统则可以宏观并行（微观上可能串行）地"同时"执行多个任
务。
多任务的并发执行通常依赖于一个多任务操作系统（OS），多任务OS的核
心是系统调度器，它使用任务控制块（TCB）来管理任务调度功能。TCB包括任
务的当前状态、优先级、要等待的事件或资源、任务程序码的起始地址、初始堆
栈指针等信息。调度器在任务被激活时，要用到这些信息。此外，TCB还被用来
存放任务的"上下文"（context)。任务的上下文就是当一个执行中的任务被停止
时，所要保存的所有信息。通常，上下文就是计算机当前的状态，也即各个寄存
器的内容。当发生任务切换时，当前运行的任务的上下文被存入TCB，并将要被
执行的任务的上下文从它的TCB中取出，放入各个寄存器中。
嵌入式多任务OS的典型例子有Vxworks、ucLinux等。嵌入式OS并非遥不
可及的神坛之物，我们可以用不到1000行代码实现一个针对80186处理器的功
能最简单的OS内核，作者正准备进行此项工作，希望能将心得贡献给大家。
究竟选择多任务还是单任务方式，依赖于软件的体系是否庞大。例如，绝大
多数手机程序都是多任务的，但也有一些小灵通的协议栈是单任务的，没有操作
系统，它们的主程序轮流调用各个软件模块的处理程序，模拟多任务环境。
单任务程序典型架构
（1）从CPU复位时的指定地址开始执行；
（2）跳转至汇编代码startup处执行；
（3）跳转至用户主程序main执行，在main中完成：
a.初试化各硬件设备；
b.初始化各软件模块；
c.进入死循环（无限循环），调用各模块的处理函数
用户主程序和各模块的处理函数都以C语言完成。用户主程序最后都进入了
一个死循环，其首选方案是：
while(1)
{
}
有的程序员这样写：
for(;;)
{
}
这个语法没有确切表达代码的含义，我们从for(;;)看不出什么，只有弄明
白for(;;)在C语言中意味着无条件循环才明白其意。
下面是几个"著名"的死循环：
（1）操作系统是死循环；
（2）WIN32程序是死循环；
（3）嵌入式系统软件是死循环；
（4）多线程程序的线程处理函数是死循环。
你可能会辩驳，大声说："凡事都不是绝对的，2、3、4都可以不是死循环"。
Yes，you are right，但是你得不到鲜花和掌声。实际上，这是一个没有太大意
义的牛角尖，因为这个世界从来不需要一个处理完几个消息就喊着要OS杀死它
的WIN32 程序，不需要一个刚开始RUN就自行了断的嵌入式系统，不需要莫名
其妙启动一个做一点事就干掉自己的线程。有时候，过于严谨制造的不是便利而
是麻烦。君不见，五层的TCP/IP协议栈超越严谨的ISO/OSI七层协议栈大行其
道成为事实上的标准？
经常有网友讨论：
printf("%d,%d",++i,i++); /* 输出是什么？*/
c = a+++b; /* c=? */
等类似问题。面对这些问题，我们只能发出由衷的感慨：世界上还有很多有
意义的事情等着我们去消化摄入的食物。
实际上，嵌入式系统要运行到世界末日。
中断服务程序
中断是嵌入式系统中重要的组成部分，但是在标准C中不包含中断。许多编
译开发商在标准C上增加了对中断的支持，提供新的关键字用于标示中断服务程
序 (ISR)，类似于__interrupt、#program interrupt等。当一个函数被定义为
ISR的时候，编译器会自动为该函数增加中断服务程序所需要的中断现场入栈和
出栈代码。
中断服务程序需要满足如下要求：
(1)不能返回值；
(2)不能向ISR传递参数；
(3) ISR应该尽可能的短小精悍；
(4) printf(char * lpFormatString,…)函数会带来重入和性能问题，不能
在ISR中采用。
在某项目的开发中，我们设计了一个队列，在中断服务程序中，只是将中断
类型添加入该队列中，在主程序的死循环中不断扫描中断队列是否有中断，有则
取出队列中的第一个中断类型，进行相应处理。
在主程序循环中判断是否有中断：
While(1)
{
If( !IsIntQueueEmpty() )
{
intType = GetFirstInt();
switch(intType) /* 是不是很象WIN32 程序的消息解析函数? */
{
/* 对，我们的中断类型解析很类似于消息驱动 */
case xxx: /* 我们称其为"中断驱动"吧？ */
…
break;
case xxx:
…
break;
…
}
}
}
按上述方法设计的中断服务程序很小，实际的工作都交由主程序执行了。
/* 存放中断的队列 */
typedef struct tagIntQueue
{
int intType; /* 中断类型 */
struct tagIntQueue *next;
}IntQueue;
IntQueue lpIntQueueHead;
__interrupt ISRexample ()
{
int intType;
intType = GetSystemType();
QueueAddTail(lpIntQueueHead, intType)；/* 在队列尾加入新的中
断 */
}
硬件驱动模块
一个硬件驱动模块通常应包括如下函数：
（1）中断服务程序ISR
（2）硬件初始化
a.修改寄存器，设置硬件参数（如UART 应设置其波特率，AD/DA设备应设
置其采样速率等）；
b.将中断服务程序入口地址写入中断向量表：
/* 设置中断向量表 */
m_myPtr = make_far_pointer(0l); /* 返回void far型指针void far
* */
m_myPtr += ITYPE_UART; /* ITYPE_UART： uart中断服务程序 */
/* 相对于中断向量表首地址的偏移 */
*m_myPtr = &UART _Isr; /* UART _Isr：UART的中断服务程序 */
（3）设置CPU针对该硬件的控制线
a.如果控制线可作PIO（可编程I/O）和控制信号用，则设置CPU内部对应
寄存器使其作为控制信号；
b.设置CPU内部的针对该设备的中断屏蔽位，设置中断方式（电平触发还是
边缘触发）。
（4）提供一系列针对该设备的操作接口函数。例如，对于LCD，其驱动模
块应提供绘制像素、画线、绘制矩阵、显示字符点阵等函数；而对于实时钟，其
驱动模块则需提供获取时间、设置时间等函数。
C 的面向对象化
在面向对象的语言里面，出现了类的概念。类是对特定数据的特定操作的集
合体。类包含了两个范畴：数据和操作。而C 语言中的struct仅仅是数据的集
合，我们可以利用函数指针将struct模拟为一个包含数据和操作的"类"。下面
的C程序模拟了一个最简单的"类"：
我们可以利用C语言模拟出面向对象的三个特性：封装、继承和多态，但是
更多的时候，我们只是需要将数据与行为封装以解决软件结构混乱的问题。C模
拟面向对象思想的目的不在于模拟行为本身，而在于解决某些情况下使用C语言
编程时程序整体框架结构分散、数据和函数脱节的问题。我们在后续章节会看到
这样的例子。
总结
本篇介绍了嵌入式系统编程软件架构方面的知识，主要包括模块划分、多任
务还是单任务选取、单任务程序典型架构、中断服务程序、硬件驱动模块设计等，
从宏观上给出了一个嵌入式系统软件所包含的主要元素。
请记住：软件结构是软件的灵魂！结构混乱的程序面目可憎，调试、测试、
维护、升级都极度困难。
#ifndef C_Class
#define C_Class struct
#endif
C_Class A
{
C_Class A *A_this; /* this指针 */
void (*Foo)(C_Class A *A_this); /* 行为：函数指针 */
int a; /* 数据 */
int b;
};