嵌入式C修炼<2>

CPU字长与存储器位宽不一致处理

在背景篇中提到，本文特意选择了一个与CPU字长不一致的存储芯片，就是为了进行

本节的讨论，解决CPU字长与存储器位宽不一致的情况。80186的字长为16，而NVRAM

的位宽为8，在这种情况下，我们需要为NVRAM提供读写字节、字的接口，如下：

 

typedef unsigned char BYTE;

typedef unsigned int WORD;

/* 函数功能：读NVRAM中字节

* 参数：wOffset，读取位置相对NVRAM基地址的偏移

* 返回：读取到的字节值

*/

extern BYTE ReadByteNVRAM(WORD wOffset)

{

LPBYTE lpAddr = (BYTE*)(NVRAM + wOffset * 2); /* 为什么偏移要×2? */

return *lpAddr;

}

/* 函数功能：读NVRAM中字

* 参数：wOffset，读取位置相对NVRAM基地址的偏移

* 返回：读取到的字

*/

 

 

 

 

extern void WriteByteNVRAM(WORD wOffset, BYTE byData)

{

…

}

/* 函数功能：向NVRAM中写一个字 */

*参数：wOffset，写入位置相对NVRAM基地址的偏移

* wData，欲写入的字

*/

extern void WriteWordNVRAM(WORD wOffset, WORD wData)

{

…

}

extern WORD ReadWordNVRAM(WORD wOffset)

{

WORD wTmp = 0;

LPBYTE lpAddr;

/* 读取高位字节 */

lpAddr = (BYTE*)(NVRAM + wOffset * 2); /* 为什么偏移要×2? */

wTmp += (*lpAddr)*256;

/* 读取低位字节 */

lpAddr = (BYTE*)(NVRAM + (wOffset +1) * 2); /* 为什么偏移要×2? */

wTmp += *lpAddr;

return wTmp;

}

/* 函数功能：向NVRAM中写一个字节

*参数：wOffset，写入位置相对NVRAM基地址的偏移

* byData，欲写入的字节

*/

 

 

 

 

子贡问曰：Why偏移要乘以2?

子曰：请看图1，16位80186与8位NVRAM之间互连只能以地址线A1对其A0,CPU

本身的A0与NVRAM不连接。因此，NVRAM的地址只能是偶数地址，故每次以0x10为

单位前进！

 

图1 CPU与NVRAM地址线连接

 子贡再问：So why 80186的地址线A0不与NVRAM的A0连接？

子曰：请看《IT论语》之《微机原理篇》，那里面讲述了关于计算机组成的圣人之道。

总结

本篇主要讲述了嵌入式系统C编程中内存操作的相关技巧。掌握并深入理解关于数据

指针、函数指针、动态申请内存、const及volatile关键字等的相关知识，是一个优秀的C

语言程序设计师的基本要求。当我们已经牢固掌握了上述技巧后，我们就已经学会了C语

言的99%，因为C语言最精华的内涵皆在内存操作中体现。

我们之所以在嵌入式系统中使用C语言进行程序设计，99%是因为其强大的内存操作能

力！

如果你爱编程，请你爱C语言；

如果你爱C语言，请你爱指针；

如果你爱指针，请你爱指针的指针！

 

C语言嵌入式系统编程修炼之键盘操作

 

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 windows

{

BYTE currentFocus;

ELEMENT element[ELEMENT_NUM];

void (*messageFun) (BYTE keyValue);

…

};

/* 消息处理函数 */

void messageFunction(BYTE keyValue)

{

BYTE i = 0;

/* 获得焦点元素 */

while ( (element [i].ID!= currentFocus)&& (i < ELEMENT_NUM) )

{

i++;

}

 

 

 

 

 /* "消息映射" */

if(i < ELEMENT_NUM)

{

switch(keyValue)

{

case OK:

element[i].OnOk();

break;

…

}

}

}

 

 

 

 

在窗口的消息处理函数中调用相应元素按键函数的过程类似于"消息映射"，这是我们从

WIN32编程中学习到的。编程到了一个境界，很多东西都是相通的了。其它地方的思想可

以拿过来为我所用，是为编程中的"拿来主义"。

在这个例子中，如果我们还想玩得更大一点，我们可以借鉴MFC中处理MESSAGE_MAP

的方法，我们也可以学习MFC定义几个精妙的宏来实现"消息映射"。

处理数字键

用户输入数字时是一位一位输入的，每一位的输入都对应着屏幕上的一个显示位置（x

坐标，y坐标）。此外，程序还需要记录该位置输入的值，所以有效组织用户数字输入的最佳

方式是定义一个结构体，将坐标和数值捆绑在一起：

 

/* 用户数字输入结构体 */

typedef struct tagInputNum

{

BYTE byNum; /* 接收用户输入赋值 */

BYTE xPos; /* 数字输入在屏幕上的显示位置x坐标 */

BYTE yPos; /* 数字输入在屏幕上的显示位置y坐标 */

}InputNum, *LPInputNum;

 

 

 

 

那么接收用户输入就可以定义一个结构体数组，用数组中的各位组成一个完整的数字：

 

InputNum inputElement[NUMLENGTH]; /* 接收用户数字输入的数组*/

 

 

 

 

/* 数字按键处理函数 */

extern void onNumKey(BYTE num)

{

if(num==0|| num==1) /* 只接收二进制输入 */

{

/* 在屏幕上显示用户输入 */

DrawText(inputElement[currentElementInputPlace].xPos,

inputElement[currentElementInputPlace].yPos, "%1d", num);

/* 将输入赋值给数组元素 */

inputElement[currentElementInputPlace].byNum = num;

/* 焦点及光标右移 */

moveToRight();

}

}

 

 

 

 

将数字每一位输入的坐标和输入值捆绑后，在数字键处理函数中就可以较有结构的组织

程序，使程序显得很紧凑。

整理用户输入

继续第2节的例子，在第2节的onNumKey函数中，只是获取了数字的每一位，因而

我们需要将其转化为有效数据，譬如要转化为有效的XXX数据，其方法是：

 

/* 从2进制数据位转化为有效数据：XXX */

void convertToXXX()

{

BYTE i;

XXX = 0;

for (i = 0; i < NUM_LENGTH; i++)

{

XXX += inputElement[i].byNum*power(2, NUM_LENGTH - i - 1);

}

}

 

 

 

 

反之，我们也可能需要在屏幕上显示那些有效的数据位，因为我们也需要能够反向转化：

 

 

 

 

/* 从有效数据转化为2进制数据位：XXX */

void convertFromXXX()

{

BYTE i;

XXX = 0;

for (i = 0; i < NUM_LENGTH; i++)

{

inputElement[i].byNum = XXX / power(2, NUM_LENGTH - i - 1) % 2;

}

}

 

 

 

 

当然在上面的例子中，因为数据是2进制的，用power函数不是很好的选择，直接用"<<

>>"移位操作效率更高，我们仅是为了说明问题的方便。试想，如果用户输入是十进制的，

power函数或许是唯一的选择了。

总结

本篇给出了键盘操作所涉及的各个方面：功能键处理、数字键处理及用户输入整理，基

本上提供了一个全套的按键处理方案。对于功能键处理方法，将LCD屏幕与Windows窗口

进行类比，提出了较新颖地解决屏幕、键盘繁杂交互问题的方案。

计算机学的许多知识都具有相通性，因而，不断追赶时髦技术而忽略基本功的做法是徒

劳无意的。我们最多需要"精通"三种语言（精通，一个在如今的求职简历里泛滥成灾的词语），

最佳拍档是汇编、C、C++（或JAVA），很显然，如果你"精通"了这三种语言，其它语言你

应该是可以很快"熟悉"的，否则你就没有"精通"它们。

C语言嵌入式系统编程修炼之性能优化

 

使用宏定义

在C语言中，宏是产生内嵌代码的唯一方法。对于嵌入式系统而言，为了能达到性能

要求，宏是一种很好的代替函数的方法。

写一个"标准"宏MIN ，这个宏输入两个参数并返回较小的一个：

错误做法：

 

#define MIN(A,B) ( A <= B ? A : B )

 

 

 

 

正确做法：

 

 

#define MIN(A,B) （（A）<= (B) ? (A) : (B) )

 

 

 

 

对于宏，我们需要知道三点：

(1)宏定义"像"函数；

(2)宏定义不是函数，因而需要括上所有"参数"；

(3)宏定义可能产生副作用。

下面的代码：

 

least = MIN(*p++, b);

 

 

 

 

将被替换为：

 

( (*p++) <= (b) ?(*p++):(b) )

 

 

 

 

发生的事情无法预料。

因而不要给宏定义传入有副作用的"参数"。

使用寄存器变量

当对一个变量频繁被读写时，需要反复访问内存，从而花费大量的存取时间。为此，C

语言提供了一种变量，即寄存器变量。这种变量存放在CPU的寄存器中，使用时，不需要访

问内存，而直接从寄存器中读写，从而提高效率。寄存器变量的说明符是register。对于循环

次数较多的循环控制变量及循环体内反复使用的变量均可定义为寄存器变量，而循环计数是

应用寄存器变量的最好候选者。

 

 

 

 (1) 只有局部自动变量和形参才可以定义为寄存器变量。因为寄存器变量属于动态存储

方式，凡需要采用静态存储方式的量都不能定义为寄存器变量，包括：模块间全局变量、模

块内全局变量、局部static变量；

(2) register是一个"建议"型关键字，意指程序建议该变量放在寄存器中，但最终该变量

可能因为条件不满足并未成为寄存器变量，而是被放在了存储器中，但编译器中并不报错（在

C++语言中有另一个"建议"型关键字：inline）。

下面是一个采用寄存器变量的例子：

 

/* 求1+2+3+….+n的值 */

WORD Addition(BYTE n)

{

register i,s=0;

for(i=1;i<=n;i++)

{

s=s+i;

}

return s;

}

 

 

 

 

本程序循环n次，i和s都被频繁使用，因此可定义为寄存器变量。

内嵌汇编

程序中对时间要求苛刻的部分可以用内嵌汇编来重写，以带来速度上的显著提高。但是，

开发和测试汇编代码是一件辛苦的工作，它将花费更长的时间，因而要慎重选择要用汇编的

部分。

在程序中，存在一个80-20原则，即20%的程序消耗了80%的运行时间，因而我们要改

进效率，最主要是考虑改进那20%的代码。

嵌入式C程序中主要使用在线汇编，即在C程序中直接插入_asm{ }内嵌汇编语句：

 

 

/* 把两个输入参数的值相加，结果存放到另外一个全局变量中 */

int result;

void Add(long a, long *b)

{

_asm

{

MOV AX, a

MOV BX, b

ADD AX, [BX]

MOV result, AX

}

}

 

 

 

 

利用硬件特性

首先要明白CPU对各种存储器的访问速度，基本上是：

CPU内部RAM > 外部同步RAM > 外部异步RAM > FLASH/ROM

对于程序代码，已经被烧录在FLASH或ROM中，我们可以让CPU直接从其中读取代码

执行，但通常这不是一个好办法，我们最好在系统启动后将FLASH或ROM中的目标代码拷

贝入RAM中后再执行以提高取指令速度；

对于UART等设备，其内部有一定容量的接收BUFFER，我们应尽量在BUFFER被占满

后再向CPU提出中断。例如计算机终端在向目标机通过RS-232传递数据时，不宜设置UART

只接收到一个BYTE就向CPU提中断，从而无谓浪费中断处理时间；

如果对某设备能采取DMA方式读取，就采用DMA读取，DMA读取方式在读取目标中包

含的存储信息较大时效率较高，其数据传输的基本单位是块，而所传输的数据是从设备直接

送入内存的（或者相反）。DMA方式较之中断驱动方式，减少了CPU 对外设的干预，进一

步提高了CPU与外设的并行操作程度。

活用位操作

 

 

 使用C语言的位操作可以减少除法和取模的运算。在计算机程序中数据的位是可以操作

的最小数据单位，理论上可以用"位运算"来完成所有的运算和操作，因而，灵活的位操作可

以有效地提高程序运行的效率。举例如下：

 

/* 方法1 */

int i,j;

i = 879 / 16;

j = 562 % 32;

/* 方法2 */

int i,j;

i = 879 >> 4;

j = 562 - (562 >> 5 << 5);

 

 

 

 

对于以2的指数次方为"*"、"/"或"%"因子的数学运算，转化为移位运算"<< >>"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（&）、或（|）、非（~）操作，这跟嵌入

式系统的编程特点有很大关系。我们通常要对硬件寄存器进行位设置，譬如，我们通过将

AM186ER型80186处理器的中断屏蔽控制寄存器的第低6位设置为0（开中断2），最通用

的做法是：

 

#define INT_I2_MASK 0x0040

wTemp = inword(INT_MASK);

outword(INT_MASK, wTemp &~INT_I2_MASK);

 

 

 

 

而将该位设置为1的做法是：

 

#define INT_I2_MASK 0x0040

wTemp = inword(INT_MASK);

outword(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。