基于嵌入式系統(tǒng)的C語(yǔ)言編程軟件設(shè)計(jì)研究

徐玉蓮

(新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)分院， 昌吉 831100)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)程序復(fù)雜化程度逐漸提高，對(duì)系統(tǒng)軟件更新速度的需求逐漸提升，C語(yǔ)言兼具高初級(jí)語(yǔ)言特性，支持對(duì)硬件的直接操作，在普遍應(yīng)用的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用較多的便是C語(yǔ)言，在提高靈活性的同時(shí)易增加復(fù)雜代碼管理和維護(hù)的難度，在特定硬件平臺(tái)上建立的嵌入式系統(tǒng)編程需解決復(fù)雜的硬件操作問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層次上的通用性，需采用良好的軟件框架完成軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，提高程序代碼的重用性、拓展性，實(shí)現(xiàn)工程化管理，提高軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和維護(hù)效率。

1 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的分層架構(gòu)

分層技術(shù)可將復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)化成具體的應(yīng)用功能，隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)嵌入式系統(tǒng)采用分層技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可使軟件開(kāi)發(fā)效率得以有效提升。

1.1 分層原則

為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的軟件系統(tǒng)功能，需有效分解開(kāi)發(fā)需求，將軟件按照概念層次、功能等的不同劃分為相應(yīng)的軟件模塊，在此基礎(chǔ)上確定不同模塊間的關(guān)系。對(duì)軟件邏輯架構(gòu)進(jìn)行分層時(shí)需遵循的原則為：兼顧功能顆粒度和可重用性，各層針對(duì)不同的問(wèn)題能夠提供相應(yīng)的解決方案，上層應(yīng)用能夠從下層獲取相應(yīng)支撐，以監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度功能為例，根據(jù)概念的不同將其劃分為采集層、處理層、顯示層等，確保整體功能遞進(jìn)實(shí)現(xiàn)；最大程度降低層與層間的相關(guān)性，避免某一層出現(xiàn)問(wèn)題后對(duì)軟件系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生影響，如顯示層沒(méi)有處理或修改溫度數(shù)據(jù)的權(quán)限，使處理層的邏輯實(shí)現(xiàn)更加獨(dú)立快速；確保軟件功能的高內(nèi)聚、低耦合，進(jìn)行各層內(nèi)部模塊劃分時(shí)需按照任務(wù)分解、功能優(yōu)化、重用程度完成[1]。

1.2 分層設(shè)計(jì)方法

遵循最優(yōu)模塊化的設(shè)計(jì)思路，詳細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)邏輯架構(gòu)，針對(duì)嵌入式應(yīng)用軟硬層次比較明顯等特點(diǎn)，對(duì)軟件功能模塊進(jìn)行梳理和劃分：梳理嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需求(采取自頂向下的方法)，邏輯功能抽象化處理后得到明確的概念層次，在此基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)化為軟件層次，屬于漸進(jìn)過(guò)程，以電子羅盤(pán)開(kāi)發(fā)為例，為了確定具體的方向，首先需對(duì)方位數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確采集，通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)的采集(包含x、y、z軸)實(shí)現(xiàn)方位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，最后在顯示屏上顯示輸出，整個(gè)過(guò)程的邏輯層次可劃分為硬件訪問(wèn)、硬件驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集及處理、頁(yè)面顯示等；抽象處理硬件功能，細(xì)化應(yīng)用開(kāi)發(fā)所需硬件操作原語(yǔ)(采取自底向上方式)，開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)時(shí)相應(yīng)專(zhuān)用功能的實(shí)現(xiàn)大多通過(guò)軟件驅(qū)動(dòng)底層硬件完成，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程，提高程序代碼的復(fù)用性，對(duì)硬件功能進(jìn)行封裝處理，降低硬件的相關(guān)性，以傳感器采集數(shù)據(jù)為例，開(kāi)發(fā)時(shí)分為硬件驅(qū)動(dòng)和功能拓展兩個(gè)層次，降低了系統(tǒng)的耦合性；對(duì)于鄰層間的調(diào)用關(guān)系和信息交互的檢驗(yàn)則需逐層檢測(cè)(結(jié)合使用自頂向下和自底向上方式)，通過(guò)合并整合各層的功能，盡量實(shí)現(xiàn)最優(yōu)模塊化[2]。

1.3 分層技術(shù)的應(yīng)用

在面向?qū)ο髮?duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行“去中心化”設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，可將系統(tǒng)邏輯架構(gòu)區(qū)分為：應(yīng)用管理層(負(fù)責(zé)界面交互的實(shí)現(xiàn)及調(diào)度業(yè)務(wù)邏輯等)、算法協(xié)議層(負(fù)責(zé)協(xié)議解析、文件及數(shù)據(jù)庫(kù)管理等)、功能拓展層、硬件驅(qū)動(dòng)層(實(shí)現(xiàn)與硬件的無(wú)關(guān)性)，為降低業(yè)務(wù)應(yīng)用的耦合性，提高軟件功能模塊的開(kāi)發(fā)效率，實(shí)現(xiàn)功能在使用同類(lèi)或相似技術(shù)時(shí)，通過(guò)聚合處理降低模型算法及硬件操作間的耦合性，多個(gè)應(yīng)用邏輯可由一個(gè)成熟的模型算法實(shí)現(xiàn)，從而使功能在分析設(shè)計(jì)過(guò)程中更加清晰明確，所構(gòu)建的應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)具備較高的靈活性、可重用性和拓展性，能夠適應(yīng)不同的硬件環(huán)境。

2 基于C語(yǔ)言的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為提高項(xiàng)目開(kāi)發(fā)效率，基于C語(yǔ)言的嵌入式系統(tǒng)需靈活運(yùn)用C語(yǔ)言的編程模式，提高代碼編寫(xiě)質(zhì)量及維護(hù)效率。

2.1 代碼管理

C語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)在于其使用的靈活性，但易出現(xiàn)文件組織混亂、降低代碼可閱讀性等問(wèn)題，可依據(jù)上述系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)(C語(yǔ)言不提供軟件框架管理)完成工程文件管理原則的構(gòu)建，從而使代碼文件的開(kāi)發(fā)和管理能力得以有效提升，代碼管理主要涉及到兩部分：文件目錄管理，文件目錄的組織同樣需按照分層原則，遵循統(tǒng)一規(guī)范對(duì)各文件命名，在根目錄存放主程序、全局變量文件，在Apfunc中存放應(yīng)用管理層文件，在Modelfunc中存放算法協(xié)議層，在Hardext中存放功能拓展層，在Hardopt中存放硬件驅(qū)動(dòng)層文件，可通過(guò)建立Comfuc文件夾用來(lái)存放涉及到的第三方通用函數(shù)庫(kù)，利用分層模型的優(yōu)勢(shì)完成開(kāi)發(fā)過(guò)程，不同文件夾可并行開(kāi)發(fā)工作，滿(mǎn)足工程化管理需求；功能模塊管理，最大程度降低全局變量的使用量，通過(guò)函數(shù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，以實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)的高內(nèi)聚性，聚合相同或相似的業(yè)務(wù)應(yīng)用功能、硬件操作功能，使其能夠在同一文件內(nèi)實(shí)現(xiàn)[3]。

2.2 面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)

充分運(yùn)用C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和函數(shù)指針，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似面向?qū)ο蟮闹匾匦浴?/p>

對(duì)象屬性的繼承可通過(guò)結(jié)構(gòu)嵌套實(shí)現(xiàn)，以羅盤(pán)對(duì)象參數(shù)繼承為例[4]。

typedef struct_compassbase{ //羅盤(pán)基類(lèi)

Int radius; //羅盤(pán)半徑

Int centerx, centery; //羅盤(pán)中心

} compassbase;

Typedef struct_compass {

Struct _ compassbase ;

Int handle; //指針位置

Int handle //指針位置

}

利用函數(shù)指針可封裝對(duì)象屬性和對(duì)象實(shí)現(xiàn)，羅盤(pán)基類(lèi)封裝如下：

struct_compassbase；

void (* drawcompass) (struct _compassbase * p com-base) ;

struct _ compassbase { //羅盤(pán)基類(lèi)

Int radius ; //羅盤(pán)半徑

Int centerx, centery； // 羅盤(pán)中心

Draw compass pdrawcompass ;

}

2.3 模塊重用設(shè)計(jì)

通過(guò)函數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)重用功能，函數(shù)定義實(shí)現(xiàn)方式：宏定義，宏是類(lèi)型無(wú)關(guān)，降低額外開(kāi)銷(xiāo)；函數(shù)，作為可重復(fù)使用的代碼，函數(shù)能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)某功能。通過(guò)使用角速度傳感器制作電子羅盤(pán)，函數(shù)的調(diào)用關(guān)系描述如下[5]。

當(dāng)前方位的實(shí)時(shí)顯示在LCD顯示屏上完成，可對(duì)功能模塊(算法協(xié)議層、功能拓展層、硬件驅(qū)動(dòng)層)進(jìn)行復(fù)用，

通過(guò)羅盤(pán)角度函數(shù)(位于算法模型層)的調(diào)用獲取angle，通過(guò)畫(huà)線函數(shù)(位于功能拓展層)的調(diào)用獲取畫(huà)指針函數(shù)，應(yīng)用管理層示例代碼為：unit draw_ compass (unit angle, unit pcolor)

通過(guò)計(jì)算將傳感器獲取數(shù)據(jù)(xyz值)轉(zhuǎn)換為指針角度，以確定羅盤(pán)指針?lè)轿唬惴Ｐ蛯邮纠a為：uint cac_ compass (unit x, unit y, unitz )；

功能拓展層的畫(huà)線、調(diào)用畫(huà)點(diǎn)函數(shù)示例代碼為：uint lcd_ line (unit x 1, unit y1, unit x2, unit y2, uint pcolor);

硬件驅(qū)動(dòng)層驅(qū)動(dòng)LID進(jìn)行畫(huà)點(diǎn)的示例代碼為：uint lcd_pixel(unit x, unit y, unint pcolor)。

3 系統(tǒng)語(yǔ)言的使用函數(shù)表達(dá)

C語(yǔ)言涉及到較多的含有參數(shù)和函數(shù)的表達(dá)式，在程序研究中關(guān)于main函數(shù)的變化較為關(guān)鍵，在main可編輯函數(shù)中的參數(shù)的含義及個(gè)數(shù)由agent表示，分析判斷作為指導(dǎo)性參數(shù)值的agent能夠獲取函數(shù)相關(guān)的即時(shí)數(shù)組信息。操作系統(tǒng)的函數(shù)變化決定著函數(shù)的配置啟動(dòng)，因此對(duì)其初始變化值要求較為嚴(yán)格，需先進(jìn)行函數(shù)的歸零處理，通過(guò)不同數(shù)值的參數(shù)的提取(在各函數(shù)變換模塊中)使計(jì)算機(jī)程序進(jìn)入有效運(yùn)行狀態(tài)，main語(yǔ)言在程序進(jìn)入預(yù)定設(shè)計(jì)軌道后能夠?qū)Τ绦虻南乱徊竭\(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)控制(即嵌入式的系統(tǒng)模式)，在嵌入過(guò)程中通過(guò)交叉比對(duì)實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)原有數(shù)據(jù)值的保留，自動(dòng)地刪除無(wú)用的數(shù)據(jù)，并修改運(yùn)行錯(cuò)誤和編輯錯(cuò)位，在嵌入交匯過(guò)程中系統(tǒng)自動(dòng)甄別所出現(xiàn)的語(yǔ)言混亂情況，重新擬定新main函數(shù)獲取相應(yīng)的函數(shù)編輯式，若仍無(wú)法完成重新定義則自動(dòng)劃分函數(shù)為初始程序處理，從而確保函數(shù)間的有效串接，使系統(tǒng)程序能較好的適應(yīng)新的語(yǔ)言環(huán)境[6]。

4 總結(jié)

本文主要研究了C語(yǔ)言編程軟件在嵌入式系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)路徑，依據(jù)分層設(shè)計(jì)的原則，完成了功能模塊劃分，對(duì)系統(tǒng)軟件的編程思路進(jìn)行了詳細(xì)闡述，介紹了軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的程序框架、模塊重用等設(shè)計(jì)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)方法，結(jié)合C語(yǔ)言編程使用的函數(shù)表達(dá)功能，提高了C語(yǔ)言的靈活性，同時(shí)滿(mǎn)足了軟件開(kāi)發(fā)工程化的需求，為在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中使用C語(yǔ)言提供參考。