嵌入式系统设计要点

嵌入式系统 
采用大容量ＥＰＲＯＭ来固化程序的专用系统，正在智能仪器和自动化等领域里 得到广泛应用。传统设计方法用汇编语言编写程序，这主要是从保证速度和节省存储 空间考虑，但编程费时，调试和排错很不容易。微电子技术的飞速发展，使高性能微 处理器和大容量存储器的价格变得十分便宜，速度和存储容量不再是困扰设计者的主 要问题。人们将ＲＯＭＢＩＯＳ和ＣＲＴ显示器等外设加进这类专用系统，并尝试用 高级语言来开发其软件，即把通用计算机上的软件和硬件“嵌入”专用系统，构成所 谓的嵌入式系统（ＥｍｂｅｄｄｅｄＳｙｓｔｅｍ）。由于Ｃ语言容易编程、代码紧 凑、可移植性和可维护性好，因而被普遍用于嵌入式程序的设计。 
大多数嵌入式系统无操作系统支持，要由设计者提供所有低级Ｉ／Ｏ功能。系统 Ｉ／Ｏ资源有限，程序必须固化在ＥＰＲＯＭ中，不能象在ＤＯＳ下那样从磁盘装入 和由用户编程。设计者要编写一个定位程序（Ｌｏｃａｔｏｒ），把ＥＸＥ格式的应 用程序转换成可固化进ＥＰＲＯＭ的二进制文件（ＲＯＭ图）。还要编写一个启动程 序（ｒｕｎｔｉｍｅＳｔａｒｔｕｐＣｏｄｅ），与ＲＯＭ图一起嵌入ＥＰＲＯＭ， 先由它建立数据区和对系统硬件作必要初始化，然后调Ｍａｉｎ函数，执行应用程序。 若想发挥Ｃ语言之优势，使用一些标准Ｉ／Ｏ语句，如用ｐｒｉｎｔｆ驱动显示器等， 则要在嵌入式程序中加进经过修改的库函数。总之，Ｃ语言编程会使系统开发面临一 些新问题，要求设计人员具备软硬件方面的综合知识，才能正确进行系统调试和排错。 
当然，如果拥有专用的嵌入式系统开发工具，设计工作便要省劲些。它们通常配 有定位程序和可供设计者修改的启动程序样板，有些还能通过串口或并口，在ＰＣ机 上联机调试程序，甚至有源级代码调试功能。利用工控机来设计系统，事情就更简单。 不过，专用开发工具和工控机价格昂贵，因此许多人在设计嵌入式系统时选择自己编 写定位程序和启动程序，甚至编写可嵌入的Ｉ／Ｏ库函数。本文就嵌入式系统的程序 设计方法及设计中可能遇到的问题作些讨论，供打算设计嵌入式程序的读者参考，有关编写定位程序和启动程序的具体方法将另文介绍。 


２　嵌入式程序的定位 
２．１　ＥＸＥ文件格式和ＤＯＳ重定位 
ＤＯＳ下的ＥＸＥ文件是一种可重定位文件 （Ｒｅ－ｌｏｃａｔａｂｌｅＦｉｌｅ），它由重定位标头和装入模块组成。后者含 一段或几段程序代码，段数与类型取决于程序规模和编译时所用的内存模式，然后是 初始化与未初始化的数据及堆栈，还可能有程序排错信息。代码、数据和堆栈段地址 均是参考到程序开头的相对地址。标头放在装入模块之前，含若干定位控制信息和一 张定位表。控制信息包括ＥＸＥ文件大小、标头长度、需要重定位的项数和位置、装 入模块的开头和堆栈的相对地址等。定位表是一组形式为段址：偏址的远指针，指示 装入模块中要重定位的那些段址相对于模块开头处的位置。装进ＲＡＭ后，加载程序 建立起程序段前缀ＰＳＰ，并根据系统当前可用ＲＡＭ地址修改这些段址，对装入模 块重定位，使程序中所有参考绝对地址的量正确指向模块装入后的起始地址，然后执 行（图１）。因此它可在ＲＡＭ中的任何位置上执行。图　ＤＯＳ对ＥＸＥ文件的定位过程 
２．２ 嵌入式程序的定位 
嵌入式系统有ＲＯＭ和ＲＡＭ两类内存，程序被固化进ＲＯＭ，而程序 变量和堆栈应设在ＲＡＭ中。因此，对ＥＸＥ文件的重定位过程与ＤＯＳ下不一样。定位程序必须根据系统的ＲＯＭ和ＲＡＭ地址，对定位表中各远指针指向的字进行修改。定位程序最后以一种可加载进测试系统或 
可烧入ＥＰＲＯＭ的形式输出程序，即ＲＯＭ图，它可以是二进制或Ｉｎｔｅｌ的ＨＥＸ格式，根据ＥＰＲＯＭ编程器、仿真器或调试程序的要求而定。 
可用两种方法把ＥＸＥ文件转换为ＲＯＭ图： 
一是使用ＥＸＥ２ＢＩＮ命令。若ＥＸＥ文件定位表中不含有定位远指针，ＥＸＥ２ＢＩＮ便将它转换成ＣＯＭ文件，它是可固化进ＥＰＲＯＭ的二进制文件，否则便放弃转换。这仅适用于较小的单段程序。较新版本的ＥＸＥ２ＢＩＮ在发现ＥＸＥ文件中含重定位项时，会提示用户提供一个基地址，进行重定位。若选用适当的内存模式，并限制使用远指针，它也可能用一个基地址进行定位。但对于规模较大的程序，ＥＸＥ２ＢＩＮ无能为力。 
二是根据标头和ＭＡＰ文件所提供的信息进行定位，适用于所有的ＥＸＥ文件（图２）。若在连接时进行限定，可生成只含内存分配段表的简单ＭＡＰ文件。段表的每行描述一个段，按代码段、数据段和堆栈段的次序排列。ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＣ和ＢｏｒｌａｎｄＣ的ＭＡＰ文件每行长度略有区别，但行上各参数（段始址、段末址、段长、段名、段类)的位置是固定的。 定位程序根据第一个ＲＡＭ段的段名，从ＭＡＰ文件中抽取出它的起始地址，它就是数据区的相对始址。再从标头内容计算出装入模块大小，即要占用的ＲＯＭ容量。将系统ＲＯＭ始址加上代码段在装入模块中的 
相对地址，便得到程序开始执行的地址。然后，对定位指针进行自小到大排序。根据各段的始末地址逐段析出段址，并从装入模块中读入该段代码或数据。接着按定位指针顺序考察待定位的段址，若它落在该段范围内，便进行定位操作，即把此段址修改成实际的ＲＯＭ或ＲＡＭ地址。直到将属于这个段的定位指针全部处理好后，便把这段内容写到输出文件。对所有段都进行定位后，便获得ＲＯＭ图。 图２　８０ｘ８６系统上嵌入式程序的定位过程 

３　启动程序 
ＲＯＭ中程序执行前，先要在ＲＡＭ中建立堆栈和数据区。串数据等常数与程序一起固化在ＲＯＭ中，程序可以访问它们，但ＲＡＭ的存取速度比Ｅ－ＰＲＯＭ高，因此也被复制进ＲＡＭ，以提高读出速度。还需要建立Ｃ程序运行的环境，如对段寄存器和堆栈指针初始化、对静态变量和ＲＡＭ区清零、建立堆（ｈｅａｐ）等。程序运行前还应设置必要的中断矢量，并让各未用中断指向一个只含ＲＥＴ指令的哑函数，以防止错误中断引起系统的混乱。此外，还要对系统硬件进行初始化，并根据具体的系统，加入出错时中止程序或重启动的程序段等。这些工作都由用汇编语言编写的启动程序完成。启动程序是嵌入式程序的开头部分，应与应用程序一起固化在ＥＰＲＯＭ 中，并首先在系统上运行（图２）。它应包含进各模块中可能出现的所有段类，并合理安排它们的次序。当它作为第一个模块和应用程序等一起连接时，ＬＩＮＫ将按照该次序归并类名相同的段。 
写好启动程序是设计好嵌入式程序的关键。各类Ｃ编译均提供自己的启动程序模块（Ｃ０．ＡＳＭ），可以此为样板，经简化和修改形成适用本系统的启动程序，也可以先搭一个启动程序骨架，再逐步完善。 
４　嵌入式程序的运行 
嵌入式系统大多不能从键盘接受命令，而要在系统通电或复位时，自动执行ＲＯＭ中的程序。各系统的复位地址不尽相同，以工作在实模式的８０ｘ８６嵌入式系统为例，ＣＰＵ复位后将执行Ｆ０００：ＦＦＦ０Ｈ处的代码。这是系统ＲＯＭ的高址端，仅有１６字节空间，设计者可用ＤＥＢＵＧ命令在ＲＯＭ图的这个位置上，放一条无条件远跳转指令ＪＭＰＦＡＲＰＴＲｓｔａｒｔ，转到ＲＯＭ开头，从那里执行启动程序（见图２）。启动程序完成上述的初始化后调ｍａｉｎ函数，执行应用程序。 ８０２８６以上的ＣＰＵ复位时，ＣＳ：ＩＰ初值仍是Ｆ０００：ＦＦＦ０Ｈ。但 
Ａ２０以上地址线在ＣＳ寄存器被第一次装进新的内容前，一直保持高电平，即开始地址指向最高地址端。如只要求系统工作在实模式，可由译码电路将开始的高地址反射到低端的１ＭＢ空间，复位矢量仍是Ｆ０００：ＦＦＦ０Ｈ。当上述ＪＭＰ指令一 执行，ＣＳ被改写，Ａ２０以上地址线将变低而进入实模式。要是希望启动后进入保护模式，就不需要进行地址反射，但是相应的复位地址上只能放一条近跳转指令，保证不改变ＣＳ值。然后进行必要的初始化，尽快进入保护模式。 


５　嵌入式程序的编译和连接 
综上所述，设计嵌入式系统时要在ＰＣ机上编写三个程序：应用程序MYPROG.C；定位程序LO-CATOR.C；启动程序ＳＴＡＲＴＵＰ．ＡＳＭ。然后按以下步骤进行编译和连接，生成可编程的ROM图： 
·将应用程序编译成ＭＹＰＲＯＧ．ＯＢＪ。 
·将定位程序编译和连接成可执行程序ＬＯ－ＣＡＴＯＲ．ＥＸＥ。 
·将启动程序编译成ＳＴＡＲＴＵＰ．ＯＢＪ。 
·对ＳＴＡＲＴＵＰ．ＯＢＪ、ＭＹＰＲＯＧ．ＯＢＪ及必要的库函数进行连接，生成ＥＭＢＥＤ．ＥＸＥ和简化的ＭＡＰ文件ＥＭＢＥＤ．ＭＡＰ。ＳＴＡＲＴＵＰ 必须是ＬＩＮＫ行上的第一个模块，保证它先执行。 
·执行ＬＯＣＡＴＯＲ．ＥＸＥ，以ＥＭＢＥＤ．ＥＸＥ、ＥＭＢＥＤ．ＭＡＰ、第一个ＲＡＭ段的段类名、ＲＡＭ和ＲＯＭ始址为输入参数，实现定位，输出ＲＯＭ图ＥＭＢＥＤ．ＢＩＮ。 
·用ＤＥＢＵＧ命令在ＥＭＢＥＤ．ＢＩＮ的Ｆ０００：ＦＦＦ０Ｈ位置上加进指令ＪＭＰＦＡＲＰＴＲｓｔａｒｔ，形成最终的ＲＯＭ图。 


６　其它几个问题 
６．１ 系统内存考虑 
为确保正确复位，设计硬件时要让ＲＯＭ地址空间覆盖复位矢量。例如８０８６系统的最高地址为Ｆ０００：ＦＦＦＦＨ，若采用１２８ＫＢ的ＲＯＭ，其地址范围应取Ｅ０００：００００－Ｆ０００：ＦＦＦＦＨ。 ＲＡＭ地址则应从０开始，由于开头１ＫＢ字节ＲＡＭ要保留给中断矢量表，通常如图２那样将ＲＡＭ数据区设在地址００４０：００００Ｈ处。 
常数先固化在ＲＯＭ中，然后被复制进ＲＡＭ，因此占用的存储器空间是ＤＯＳ下的两倍。可在程序设计中设法限制要复制进ＲＡＭ的常数数量。例如，系统若支持ＣＲＴ显示器，可能需要在屏幕上显示各种消息和菜单提示。这时，可把所有显示函数和有关文本串放进一个模块，再用指针来存取它们。比如，本来可用下面语句打印提示： 
　ｐｒｉｎｔｆ（"ＰｒｅｓｓＳｔｏＳｔａｒｔ"）；　 
ｐｒｉｎｔｆ（"ＰｅｒｓｓＱｔｏＱｕｉｔ"）； 
若程序中有许多类似的语句，便可能存在较多重复串。要是对各子串都用指针访问，编译就会把其中重复的串（如Ｐｒｅｓｓ，ｔｏ等）合并，省下不少内存空间。即把上面语句改为： 
ｐｒｉｎｔｆ（"％ｓ％ｓ％ｓ％ｓ"，"Ｐｒｅｓｓ"，"Ｓ"，"ｔｏ"，"Ｓｔａｒｔ"） ；　 
ｐｒｉｎｔｆ（"％ｓ％ｓ％ｓ％ｓ"，"Ｐｅｒｓｓ"，"Ｑ"，"ｔｏ"，"Ｑｕｉｔ"）； 

６．２ 标准Ｉ／Ｏ函数的使用 
用Ｃ语言编写嵌入式程序的过程与ＤＯＳ下一样，只是要避免使用不能被固化到 ＲＯＭ中的库函数。在ＤＯＳ下，许多低级Ｉ／Ｏ函数（如ｐｕｔｃｈ，ｇｅｔｃｈ） 均通过ＤＯＳ中断２１与硬件接口，高级函数ｐｒｉｎｔｆ，ｓｃａｎｆ等也使用该中断。若希望在无ＲＯＭＢＩＯＳ的系统上使用这些函数，应编写一个模仿 ＤＯＳＩＮＴ２１的函数，这样便能使用除磁盘Ｉ／Ｏ函之外的大多数标准Ｉ／Ｏ 函数，缩短程序开发时间，并保证较好的可移植性。当然，如果使用的是现成的嵌入式系统开发软件包，厂商将告知哪些函数可被固化进ＲＯＭ，不必自己编写ＩＮＴ２１函数。 
编写嵌入式支持函数时要防止使用与ＤＯＳ有关的库函数。比较起来，ＢＣ提供 的库比ＭＳＣ的更独立于ＤＯＳ。例如，ＭＳＣ的ｐｒｉｎｔｆ函数要依赖几个低级 的ＤＯＳ函数。所以在仿真ＩＮＴ２１的控制台Ｉ／Ｏ函数时，建议用ＢＣ的 ｐｒｉｎｔｆ函数。 
６．３ 配置参数的保护 
断电时，嵌入式系统应能保持那些用于系统恢复或外设配置的数据，可用电池供 电的ＲＡＭ或ＥＥＰＲＯＭ来存放它们。但在复位时，启动程序要把有初值的变量复 制进ＲＡＭ，并对其余ＲＡＭ区清０，结果会清除应保持的数据。为此，可把这类数据归入一个专门段，不包括在初始化和未初始化数据区中，不让启动程序修改它们。