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嵌入式系統(tǒng) <BR> 采用大容量ＥＰＲＯＭ來固化程序的專用系統(tǒng)，正在智能儀器和自動化等領(lǐng)域里 得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)設(shè)計方法用匯編語言編寫程序，這主要是從保證速度和節(jié)省存儲 空間考慮，但編程費時，調(diào)試和排錯很不容易。微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使高性能微 處理器和大容量存儲器的價格變得十分便宜，速度和存儲容量不再是困擾設(shè)計者的主 要問題。人們將ＲＯＭＢＩＯＳ和ＣＲＴ顯示器等外設(shè)加進這類專用系統(tǒng)，并嘗試用 高級語言來開發(fā)其軟件，即把通用計算機上的軟件和硬件“嵌入”專用系統(tǒng)，構(gòu)成所 謂的嵌入式系統(tǒng)（ＥｍｂｅｄｄｅｄＳｙｓｔｅｍ）。由于Ｃ語言容易編程、代碼緊 湊、可移植性和可維護性好，因而被普遍用于嵌入式程序的設(shè)計。 <BR> 大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)無操作系統(tǒng)支持，要由設(shè)計者提供所有低級Ｉ／Ｏ功能。系統(tǒng) Ｉ／Ｏ資源有限，程序必須固化在ＥＰＲＯＭ中，不能象在ＤＯＳ下那樣從磁盤裝入 和由用戶編程。設(shè)計者要編寫一個定位程序（Ｌｏｃａｔｏｒ），把ＥＸＥ格式的應(yīng) 用程序轉(zhuǎn)換成可固化進ＥＰＲＯＭ的二進制文件（ＲＯＭ圖）。還要編寫一個啟動程 序（ｒｕｎｔｉｍｅＳｔａｒｔｕｐＣｏｄｅ），與ＲＯＭ圖一起嵌入ＥＰＲＯＭ， 先由它建立數(shù)據(jù)區(qū)和對系統(tǒng)硬件作必要初始化，然后調(diào)Ｍａｉｎ函數(shù)，執(zhí)行應(yīng)用程序。 若想發(fā)揮Ｃ語言之優(yōu)勢，使用一些標準Ｉ／Ｏ語句，如用ｐｒｉｎｔｆ驅(qū)動顯示器等， 則要在嵌入式程序中加進經(jīng)過修改的庫函數(shù)。總之，Ｃ語言編程會使系統(tǒng)開發(fā)面臨一 些新問題，要求設(shè)計人員具備軟硬件方面的綜合知識，才能正確進行系統(tǒng)調(diào)試和排錯。 <BR> 當然，如果擁有專用的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具，設(shè)計工作便要省勁些。它們通常配 有定位程序和可供設(shè)計者修改的啟動程序樣板，有些還能通過串口或并口，在ＰＣ機 上聯(lián)機調(diào)試程序，甚至有源級代碼調(diào)試功能。利用工控機來設(shè)計系統(tǒng)，事情就更簡單。 不過，專用開發(fā)工具和工控機價格昂貴，因此許多人在設(shè)計嵌入式系統(tǒng)時選擇自己編 寫定位程序和啟動程序，甚至編寫可嵌入的Ｉ／Ｏ庫函數(shù)。本文就嵌入式系統(tǒng)的程序 設(shè)計方法及設(shè)計中可能遇到的問題作些討論，供打算設(shè)計嵌入式程序的讀者參考，有關(guān)編寫定位程序和啟動程序的具體方法將另文介紹。 </P><P> <BR> ２ 嵌入式程序的定位 <BR> ２．１�。牛兀盼募袷胶停模希又囟ㄎ� <BR> ＤＯＳ下的ＥＸＥ文件是一種可重定位文件 （Ｒｅ－ｌｏｃａｔａｂｌｅＦｉｌｅ），它由重定位標頭和裝入模塊組成。后者含 一段或幾段程序代碼，段數(shù)與類型取決于程序規(guī)模和編譯時所用的內(nèi)存模式，然后是 初始化與未初始化的數(shù)據(jù)及堆棧，還可能有程序排錯信息。代碼、數(shù)據(jù)和堆棧段地址 均是參考到程序開頭的相對地址。標頭放在裝入模塊之前，含若干定位控制信息和一 張定位表。控制信息包括ＥＸＥ文件大小、標頭長度、需要重定位的項數(shù)和位置、裝 入模塊的開頭和堆棧的相對地址等。定位表是一組形式為段址：偏址的遠指針，指示 裝入模塊中要重定位的那些段址相對于模塊開頭處的位置。裝進ＲＡＭ后，加載程序 建立起程序段前綴ＰＳＰ，并根據(jù)系統(tǒng)當前可用ＲＡＭ地址修改這些段址，對裝入模 塊重定位，使程序中所有參考絕對地址的量正確指向模塊裝入后的起始地址，然后執(zhí) 行（圖１）。因此它可在ＲＡＭ中的任何位置上執(zhí)行。圖�。模希訉Γ牛兀盼募亩ㄎ贿^程 <BR> ２．２ 嵌入式程序的定位 <BR> 嵌入式系統(tǒng)有ＲＯＭ和ＲＡＭ兩類內(nèi)存，程序被固化進ＲＯＭ，而程序 變量和堆棧應(yīng)設(shè)在ＲＡＭ中。因此，對ＥＸＥ文件的重定位過程與ＤＯＳ下不一樣。定位程序必須根據(jù)系統(tǒng)的ＲＯＭ和ＲＡＭ地址，對定位表中各遠指針指向的字進行修改。定位程序最后以一種可加載進測試系統(tǒng)或 <BR> 可燒入ＥＰＲＯＭ的形式輸出程序，即ＲＯＭ圖，它可以是二進制或Ｉｎｔｅｌ的ＨＥＸ格式，根據(jù)ＥＰＲＯＭ編程器、仿真器或調(diào)試程序的要求而定。 <BR> 可用兩種方法把ＥＸＥ文件轉(zhuǎn)換為ＲＯＭ圖： <BR> 一是使用ＥＸＥ２ＢＩＮ命令。若ＥＸＥ文件定位表中不含有定位遠指針，ＥＸＥ２ＢＩＮ便將它轉(zhuǎn)換成ＣＯＭ文件，它是可固化進ＥＰＲＯＭ的二進制文件，否則便放棄轉(zhuǎn)換。這僅適用于較小的單段程序。較新版本的ＥＸＥ２ＢＩＮ在發(fā)現(xiàn)ＥＸＥ文件中含重定位項時，會提示用戶提供一個基地址，進行重定位。若選用適當?shù)膬?nèi)存模式，并限制使用遠指針，它也可能用一個基地址進行定位。但對于規(guī)模較大的程序，ＥＸＥ２ＢＩＮ無能為力。 <BR> 二是根據(jù)標頭和ＭＡＰ文件所提供的信息進行定位，適用于所有的ＥＸＥ文件（圖２）。若在連接時進行限定，可生成只含內(nèi)存分配段表的簡單ＭＡＰ文件。段表的每行描述一個段，按代碼段、數(shù)據(jù)段和堆棧段的次序排列。ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＣ和ＢｏｒｌａｎｄＣ的ＭＡＰ文件每行長度略有區(qū)別，但行上各參數(shù)（段始址、段末址、段長、段名、段類)的位置是固定的。 定位程序根據(jù)第一個ＲＡＭ段的段名，從ＭＡＰ文件中抽取出它的起始地址，它就是數(shù)據(jù)區(qū)的相對始址。再從標頭內(nèi)容計算出裝入模塊大小，即要占用的ＲＯＭ容量。將系統(tǒng)ＲＯＭ始址加上代碼段在裝入模塊中的 <BR> 相對地址，便得到程序開始執(zhí)行的地址。然后，對定位指針進行自小到大排序。根據(jù)各段的始末地址逐段析出段址，并從裝入模塊中讀入該段代碼或數(shù)據(jù)。接著按定位指針順序考察待定位的段址，若它落在該段范圍內(nèi)，便進行定位操作，即把此段址修改成實際的ＲＯＭ或ＲＡＭ地址。直到將屬于這個段的定位指針全部處理好后，便把這段內(nèi)容寫到輸出文件。對所有段都進行定位后，便獲得ＲＯＭ圖。 圖２�。福埃福断到y(tǒng)上嵌入式程序的定位過程 </P><P> ３ 啟動程序 <BR> ＲＯＭ中程序執(zhí)行前，先要在ＲＡＭ中建立堆棧和數(shù)據(jù)區(qū)。串數(shù)據(jù)等常數(shù)與程序一起固化在ＲＯＭ中，程序可以訪問它們，但ＲＡＭ的存取速度比Ｅ－ＰＲＯＭ高，因此也被復制進ＲＡＭ，以提高讀出速度。還需要建立Ｃ程序運行的環(huán)境，如對段寄存器和堆棧指針初始化、對靜態(tài)變量和ＲＡＭ區(qū)清零、建立堆（ｈｅａｐ）等。程序運行前還應(yīng)設(shè)置必要的中斷矢量，并讓各未用中斷指向一個只含ＲＥＴ指令的啞函數(shù)，以防止錯誤中斷引起系統(tǒng)的混亂。此外，還要對系統(tǒng)硬件進行初始化，并根據(jù)具體的系統(tǒng)，加入出錯時中止程序或重啟動的程序段等。這些工作都由用匯編語言編寫的啟動程序完成。啟動程序是嵌入式程序的開頭部分，應(yīng)與應(yīng)用程序一起固化在ＥＰＲＯＭ 中，并首先在系統(tǒng)上運行（圖２）。它應(yīng)包含進各模塊中可能出現(xiàn)的所有段類，并合理安排它們的次序。當它作為第一個模塊和應(yīng)用程序等一起連接時，ＬＩＮＫ將按照該次序歸并類名相同的段。 <BR> 寫好啟動程序是設(shè)計好嵌入式程序的關(guān)鍵。各類Ｃ編譯均提供自己的啟動程序模塊（Ｃ０．ＡＳＭ），可以此為樣板，經(jīng)簡化和修改形成適用本系統(tǒng)的啟動程序，也可以先搭一個啟動程序骨架，再逐步完善。 <BR> ４ 嵌入式程序的運行 <BR> 嵌入式系統(tǒng)大多不能從鍵盤接受命令，而要在系統(tǒng)通電或復位時，自動執(zhí)行ＲＯＭ中的程序。各系統(tǒng)的復位地址不盡相同，以工作在實模式的８０ｘ８６嵌入式系統(tǒng)為例，ＣＰＵ復位后將執(zhí)行Ｆ０００：ＦＦＦ０Ｈ處的代碼。這是系統(tǒng)ＲＯＭ的高址端，僅有１６字節(jié)空間，設(shè)計者可用ＤＥＢＵＧ命令在ＲＯＭ圖的這個位置上，放一條無條件遠跳轉(zhuǎn)指令ＪＭＰＦＡＲＰＴＲｓｔａｒｔ，轉(zhuǎn)到ＲＯＭ開頭，從那里執(zhí)行啟動程序（見圖２）。啟動程序完成上述的初始化后調(diào)ｍａｉｎ函數(shù)，執(zhí)行應(yīng)用程序。 ８０２８６以上的ＣＰＵ復位時，ＣＳ：ＩＰ初值仍是Ｆ０００：ＦＦＦ０Ｈ。但 <BR> Ａ２０以上地址線在ＣＳ寄存器被第一次裝進新的內(nèi)容前，一直保持高電平，即開始地址指向最高地址端。如只要求系統(tǒng)工作在實模式，可由譯碼電路將開始的高地址反射到低端的１ＭＢ空間，復位矢量仍是Ｆ０００：ＦＦＦ０Ｈ。當上述ＪＭＰ指令一 執(zhí)行，ＣＳ被改寫，Ａ２０以上地址線將變低而進入實模式。要是希望啟動后進入保護模式，就不需要進行地址反射，但是相應(yīng)的復位地址上只能放一條近跳轉(zhuǎn)指令，保證不改變ＣＳ值。然后進行必要的初始化，盡快進入保護模式。 </P><P> <BR> ５ 嵌入式程序的編譯和連接 <BR> 綜上所述，設(shè)計嵌入式系統(tǒng)時要在ＰＣ機上編寫三個程序：應(yīng)用程序MYPROG.C；定位程序LO-CATOR.C；啟動程序ＳＴＡＲＴＵＰ．ＡＳＭ。然后按以下步驟進行編譯和連接，生成可編程的ROM圖： <BR> ·將應(yīng)用程序編譯成ＭＹＰＲＯＧ．ＯＢＪ。 <BR> ·將定位程序編譯和連接成可執(zhí)行程序ＬＯ－ＣＡＴＯＲ．ＥＸＥ。 <BR> ·將啟動程序編譯成ＳＴＡＲＴＵＰ．ＯＢＪ。 <BR> ·對ＳＴＡＲＴＵＰ．ＯＢＪ、ＭＹＰＲＯＧ．ＯＢＪ及必要的庫函數(shù)進行連接，生成ＥＭＢＥＤ．ＥＸＥ和簡化的ＭＡＰ文件ＥＭＢＥＤ．ＭＡＰ。ＳＴＡＲＴＵＰ 必須是ＬＩＮＫ行上的第一個模塊，保證它先執(zhí)行。 <BR> ·執(zhí)行ＬＯＣＡＴＯＲ．ＥＸＥ，以ＥＭＢＥＤ．ＥＸＥ、ＥＭＢＥＤ．ＭＡＰ、第一個ＲＡＭ段的段類名、ＲＡＭ和ＲＯＭ始址為輸入?yún)?shù)，實現(xiàn)定位，輸出ＲＯＭ圖ＥＭＢＥＤ．ＢＩＮ。 <BR> ·用ＤＥＢＵＧ命令在ＥＭＢＥＤ．ＢＩＮ的Ｆ０００：ＦＦＦ０Ｈ位置上加進指令ＪＭＰＦＡＲＰＴＲｓｔａｒｔ，形成最終的ＲＯＭ圖。 </P><P> <BR> ６ 其它幾個問題 <BR> ６．１ 系統(tǒng)內(nèi)存考慮 <BR> 為確保正確復位，設(shè)計硬件時要讓ＲＯＭ地址空間覆蓋復位矢量。例如８０８６系統(tǒng)的最高地址為Ｆ０００：ＦＦＦＦＨ，若采用１２８ＫＢ的ＲＯＭ，其地址范圍應(yīng)�。牛埃埃埃海埃埃埃埃疲埃埃埃海疲疲疲疲�。 ＲＡＭ地址則應(yīng)從０開始，由于開頭１ＫＢ字節(jié)ＲＡＭ要保留給中斷矢量表，通常如圖２那樣將ＲＡＭ數(shù)據(jù)區(qū)設(shè)在地址００４０：００００Ｈ處。 <BR> 常數(shù)先固化在ＲＯＭ中，然后被復制進ＲＡＭ，因此占用的存儲器空間是ＤＯＳ下的兩倍�？稍诔绦蛟O(shè)計中設(shè)法限制要復制進ＲＡＭ的常數(shù)數(shù)量。例如，系統(tǒng)若支持ＣＲＴ顯示器，可能需要在屏幕上顯示各種消息和菜單提示。這時，可把所有顯示函數(shù)和有關(guān)文本串放進一個模塊，再用指針來存取它們。比如，本來可用下面語句打印提示： <BR> ｐｒｉｎｔｆ（"ＰｒｅｓｓＳｔｏＳｔａｒｔ"）； <BR> ｐｒｉｎｔｆ（"ＰｅｒｓｓＱｔｏＱｕｉｔ"）； <BR> 若程序中有許多類似的語句，便可能存在較多重復串。要是對各子串都用指針訪問，編譯就會把其中重復的串（如Ｐｒｅｓｓ，ｔｏ等）合并，省下不少內(nèi)存空間。即把上面語句改為： <BR> ｐｒｉｎｔｆ（"％ｓ％ｓ％ｓ％ｓ"，"Ｐｒｅｓｓ"，"Ｓ"，"ｔｏ"，"Ｓｔａｒｔ"） ； <BR> ｐｒｉｎｔｆ（"％ｓ％ｓ％ｓ％ｓ"，"Ｐｅｒｓｓ"，"Ｑ"，"ｔｏ"，"Ｑｕｉｔ"）； </P><P> ６．２ 標準Ｉ／Ｏ函數(shù)的使用 <BR> 用Ｃ語言編寫嵌入式程序的過程與ＤＯＳ下一樣，只是要避免使用不能被固化到 ＲＯＭ中的庫函數(shù)。在ＤＯＳ下，許多低級Ｉ／Ｏ函數(shù)（如ｐｕｔｃｈ，ｇｅｔｃｈ） 均通過ＤＯＳ中斷２１與硬件接口，高級函數(shù)ｐｒｉｎｔｆ，ｓｃａｎｆ等也使用該中斷。若希望在無ＲＯＭＢＩＯＳ的系統(tǒng)上使用這些函數(shù)，應(yīng)編寫一個模仿 ＤＯＳＩＮＴ２１的函數(shù)，這樣便能使用除磁盤Ｉ／Ｏ函之外的大多數(shù)標準Ｉ／Ｏ 函數(shù)，縮短程序開發(fā)時間，并保證較好的可移植性。當然，如果使用的是現(xiàn)成的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)軟件包，廠商將告知哪些函數(shù)可被固化進ＲＯＭ，不必自己編寫ＩＮＴ２１函數(shù)。 <BR> 編寫嵌入式支持函數(shù)時要防止使用與ＤＯＳ有關(guān)的庫函數(shù)。比較起來，ＢＣ提供 的庫比ＭＳＣ的更獨立于ＤＯＳ。例如，ＭＳＣ的ｐｒｉｎｔｆ函數(shù)要依賴幾個低級 的ＤＯＳ函數(shù)。所以在仿真ＩＮＴ２１的控制臺Ｉ／Ｏ函數(shù)時，建議用ＢＣ的 ｐｒｉｎｔｆ函數(shù)。 <BR> ６．３ 配置參數(shù)的保護 <BR> 斷電時，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)能保持那些用于系統(tǒng)恢復或外設(shè)配置的數(shù)據(jù)，可用電池供 電的ＲＡＭ或ＥＥＰＲＯＭ來存放它們。但在復位時，啟動程序要把有初值的變量復 制進ＲＡＭ，并對其余ＲＡＭ區(qū)清０，結(jié)果會清除應(yīng)保持的數(shù)據(jù)。為此，可把這類數(shù)據(jù)歸入一個專門段，不包括在初始化和未初始化數(shù)據(jù)區(qū)中，不讓啟動程序修改它們。<BR>
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