黎 建

（廣州工商學院，廣東 廣州 528138）

0 引言

隨著科學技術(shù)的進步，嵌入式系統(tǒng)已大量應用于制造工業(yè)、過程控制、機器人、通訊、儀器儀表、汽車、船舶、航空航天、軍事裝備、消費類產(chǎn)品等國民經(jīng)濟的主要行業(yè)［1-3］。在嵌入式產(chǎn)品日漸普及和迅速發(fā)展的今天，對嵌入式人才的需求越來越大，對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才的素質(zhì)和能力要求也越來越高。嵌入式技術(shù)人才緊缺現(xiàn)象日漸突出，眾多公司和科研院所不惜重金招聘嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方面的高層次人才。高校是培養(yǎng)科研人才的重要基地，是創(chuàng)造高科技產(chǎn)品的重要基地，也是推動社會科技發(fā)展的重要力量，培養(yǎng)具備嵌入式系統(tǒng)設(shè)計能力的復合型專業(yè)人才已是迫在眉睫。然而，嵌入式技術(shù)涉及的知識面廣、實踐性強、技術(shù)發(fā)展快，跨越了電子、計算機、控制和通信等多個專業(yè)，學習難度大［4］，對嵌入式系統(tǒng)教學提出了更高要求。嵌入式C語言是對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)使用最多的語言，主要是由于C語言兼具高低級語言的特性，支持對硬件的直接操作［5］，開發(fā)速度快、可讀性好、工作效率高等優(yōu)勢，加上高級功能的開發(fā)必須在操作系統(tǒng)下進行，故逐漸取代了匯編語言成為嵌入式系統(tǒng)的主流開發(fā)工具。因此，在嵌入式教學中，都會使用嵌入式C語言來完成實驗和實訓項目。一般情況下，C語言課程都在大學一年級開設(shè)，是學生學習編程語言的入門課程。由于課時限制，學習的課程內(nèi)容有限，導致學生對C語言一知半解。在嵌入式課程實驗中，C語言編寫的程序存在較多問題，調(diào)試進展緩慢，嚴重影響學習效率。讓學生了解嵌入式C語言的特點，掌握嵌入式開發(fā)技巧，設(shè)計出良好的軟件代碼，是教師的重要職責。

1 不良編程習慣問題

嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)要求高效率、低成本，在軟件設(shè)計上，代碼的優(yōu)化尤其重要，還有硬件資源的利用。嵌入式的概念非常廣，嵌入式計算機可以從8位的51系列單片機到64位的ARM系處理器。嵌入式計算機有運行內(nèi)存容量比通用計算機（如PC機）少的特點（手機應用除外），一般在100多字節(jié)到100 M字節(jié)間，因成本要求，不可能豐富。嵌入式系統(tǒng)課程都在大學三年級和四年級開設(shè)，而大學一、二年級的上機實驗課程基本上在PC機上進行，對硬件資源幾乎沒有約束，學生也就“大手大腳”：在程序代碼里喜歡定義和申請大數(shù)組，其實數(shù)據(jù)量并不大；可以使用一維數(shù)組的，卻使用二維數(shù)組；可以用char類型數(shù)組來存放的數(shù)據(jù)，為圖方便，經(jīng)常使用int數(shù)組類型；本可以用一個for循環(huán)解決的問題，卻使用多循環(huán)結(jié)構(gòu)，只要結(jié)果正確就行，不管CPU耗時多少。如果嵌入式設(shè)計還是采取這樣的形式，可能導致項目失敗或成本劇增。為了糾正學生這些不良編程習慣，教師先要講解嵌入式系統(tǒng)資源的組成，不同芯片有不同資源；不同功能需求，使用不同的芯片；不同資源，有不同成本價格。設(shè)定項目需求、CPU類型和存儲容量，讓學生采用C語言編程實現(xiàn)，通過檢查學生的代碼，了解他們對資源的使用情況、程序優(yōu)化情況以及運行情況。通過這樣的訓練，可以培養(yǎng)學生良好的編程習慣和嵌入式軟件編程風格。

2 執(zhí)行速度問題

在嵌入式應用領(lǐng)域，計算機運行速度是一個非常重要的指標，在滿足功能的前提下，希望速度越快越好。在硬件一定的情況下，系統(tǒng)的執(zhí)行時間取決于編程效率和優(yōu)化處理等，而學生不一定能理解和掌握。

2.1 數(shù)據(jù)訪問局部性

在嵌入式C語言中，內(nèi)存分配方式主要是堆和棧。棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，計算機會在底層對棧提供支持，分配專門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的執(zhí)行指令（如ARM系列的STMFD，LDMFD指令），這決定了棧的效率比較高，但?？臻g一般都不大，很容易溢出。用malloc（）分配的空間就是堆空間，編程者可以自由分配和釋放。另外，還有全局與靜態(tài)數(shù)據(jù)、常量等存放空間。顯然，由于棧空間有硬件的支持，棧內(nèi)存取數(shù)據(jù)是最快的，故存放函數(shù)的局部變量、返回值等熱數(shù)據(jù)。

下面的程序，破壞了數(shù)據(jù)訪問局部性，運行效率不高，執(zhí)行速度下降：

在求和過程中，變量sum要調(diào)用1 000次，是熱數(shù)據(jù)［6］，應該定義在函數(shù)內(nèi)，放到?？臻g里，上面程序沒有，而是作為全局變量定義。如果把sum作為靜態(tài)變量放在函數(shù)內(nèi)，其效果類似于全局變量，執(zhí)行效率都受影響，因為二者都沒有把變量定義在棧中，破壞了數(shù)據(jù)訪問的時間局部性。

2.2 數(shù)組存放的行優(yōu)先

在實驗項目編程中，很多學生喜歡使用C語言數(shù)組，覺得簡單、方便，但對數(shù)組的讀寫機制并不清楚?？聪旅孢@2段程序。

程序1

程序1和2功能相同，時間空間復雜度一樣，執(zhí)行時間一樣嗎？多數(shù)同學會回答是一樣的。其實，區(qū)別還是很大的，主要涉及2個方面的問題：首先，數(shù)組分配內(nèi)存，一般是按照行優(yōu)先連續(xù)存放的，即存放順序為a[0][0]，a[0][1]…a[0][N-1]，然后才是a[1][0]，a[1][1]…；對于程序1，數(shù)組的讀寫，符合行優(yōu)先的規(guī)則，下個單元的讀寫，只需要地址按字增1即可，但對程序2，下個單元的讀寫，每次地址需要做+N運算，降低了程序運行速度。其次，高檔一點的嵌入式CPU，如ARM系列，為提高性能，一般都有cache，但容量不大（個別除外），如Cortex-A8處理器一級cache配置了16 kB；假定不考慮其他條件（如二級cache），對Cortex-A8處理器，使用程序1，每執(zhí)行2N次循環(huán)，只需要從主內(nèi)存讀數(shù)據(jù)到cache一次（4*N*2=16 kB，int型4字節(jié)），如果使用程序2，每2次循環(huán)后，chache數(shù)據(jù)失缺［6］，命中失敗，要從主內(nèi)存再讀2行數(shù)據(jù)到cache，如此類推，每執(zhí)行2N次循環(huán)，需要從主內(nèi)存讀數(shù)據(jù)N次，很不合算，運行速度大為降低。所以，一定要讓學生理解數(shù)組存放的行優(yōu)先原則（一般不會設(shè)置列優(yōu)先），還有cache的作用。當然，如果使用指針來代替數(shù)組索引，還能加快速度。

2.3 移位操作完成乘法運算

很多嵌入式CPU（一些8位單片機）并沒有乘法器硬件，做乘法運算只能間接實現(xiàn)，速度慢、效率低。其實，可以通過移位操作和加法運算來完成乘法運算。一個二進制數(shù)左移一位，相當于乘2，右移一位，相當于除2。利用這一性質(zhì)，可以完成一些乘法運算功能，而移位操作是最快的指令之一。

（1）變量X乘以2n，則直接左移n位即可。如8*X=23*X，編程可以寫成X=X<<3。

（2）變量X乘以其他數(shù)，則需要進行分解處理。如100*X，可以分解為（4+32+64）*X=（22+25+26）*X，編程同a類似，可以寫成X=（X<<2）+（X<<5）+（X<<6）。

總而言之，通過移位和加法運算，可以完成一些主要的乘法和一些特殊的除法（右移一位相當于除2），這對于沒有硬件乘法器的CPU，能加快運行速度。很多學生不知道對沒有乘法器的CPU，應該怎樣加快乘法運算。

3 嵌入式C的一些特殊關(guān)鍵字

嵌入式C語言同其他語言一樣，有很多關(guān)鍵字，有幾個關(guān)鍵字在嵌入式軟件開發(fā)中是很重要的，但在C語言課程中一般不會學到，這幾個關(guān)鍵字跟硬件有關(guān)。

3.1 interrupt

interrupt不是標準的關(guān)鍵字，但在使用嵌入式C語言編程時普遍應用，特別是在單片機項目中。用interrupt修飾的函數(shù)，應看成一個中斷處理函數(shù)（ISR）。中斷處理函數(shù)要求特殊的寄存器保存規(guī)則，以及一些特殊的返回序列。當C代碼被中斷時，ISR必須預先保存所有會被ISR用到的寄存器內(nèi)容，中斷返回時，按逆順序彈出。中斷處理程序需要滿足下列要求：中斷處理程序不能有返回值，不能給中斷處理程序傳遞參數(shù)，中斷處理程序應盡量簡單精煉［7］。由于學生以前沒有學過這些，往往很容易當作普通函數(shù)對待，導致在實驗中調(diào)試失敗。

3.2 volatile

volatile關(guān)鍵字在嵌入式C中頻繁使用，作用是告訴編譯器該變量是易變的，要編譯器去注意該變量的狀態(tài)，變量是易變的，每次讀取該變量的值都重新從內(nèi)存中讀取。也就是說，優(yōu)化器在用到這個變量時必須每次都重新讀取這個變量的值，而不是使用保存在寄存器里的備份［8］。有幾種情況需要volatile關(guān)鍵字來修飾變量。

（1）變量值是一個特殊地址，如寄存器地址。

（2）子線程與主線程共享的全局變量。

（3）中斷處理函數(shù)（ISR）訪問到的變量。

如果程序編譯時不做優(yōu)化處理，volatile可能看不出作用，不優(yōu)化的程序效率低下；如果做優(yōu)化處理，上面幾種情況的變量不使用volatile關(guān)鍵字，可能導致值不一致，如一個定時器內(nèi)的變量沒有用volatile修飾，其定時時間與計算的時間相差很大。

3.3 regester

被regester修飾的變量，使用寄存器來存儲數(shù)據(jù)。由于寄存讀寫速度比內(nèi)存快一個數(shù)量級以上，對于經(jīng)常反復使用的變量，若在寄存器中讀寫，程序的執(zhí)行時間要快不少：

程序中的s、i變量每個循環(huán)都要使用，放入寄存器中能大大地縮短運行時間。不過，使用register修飾符有幾點限制。

（1）register變量長度應該小于或者等于整型的長度（即機器的字長）。

（2）不能用“&”來獲取register變量的地址，寄存器不是內(nèi)存。

（3）只有局部變量和形參可以作為寄存器變量。

由于CPU中的寄存器數(shù)量有限（51系列單片機少的只有幾個，而ARM系列則有幾十個），當寄存器不夠用時，編譯器會自動忽略register修飾符。隨著編譯技術(shù)的發(fā)展，嵌入式C語言在優(yōu)化方面可能比程序員做得更好，在決定哪些變量應該被存到寄存器中時，可能編譯器會考慮。

4 聯(lián)合位域體及位操作

在嵌入式軟件開發(fā)過程中，經(jīng)常用到位操作，如I/O口控制、端口寄存器的設(shè)置等。大部分CISC類CPU，有位操作指令（如51系列單片機的SETB bit指令）。但是，對于RISC這類CPU，由于指令要精簡，沒有設(shè)計位指令。要完成對端口寄存器的設(shè)置，只能采用組合操作，不但麻煩，而且可讀性極差，學生不能理解，換一下設(shè)置要求就不會編程了，很難舉一反三。ARM系列S5PV210芯片是應用很廣的32位CPU，有多個I/O口，既可以作為輸入口，也可以作輸出口使用，通過設(shè)置端口控制寄存器來復用，如設(shè)置GPH3的控制寄存器GPH3CON可以決定對應的8個I/O口是作為輸入還是輸出使用。由于沒有位操作指令，要對變量（或寄存器）的某些位設(shè)置，只能通過嵌入式C語言的一些算術(shù)運算和移位操作來達到。如果只是使用某個寄存器其中的某一位，其他位的定義不變，則：

這對剛進入嵌入式領(lǐng)域的學生，上面的語句難以理解。

GPH3CON寄存器以4位為一組確定復用功能，0000作為輸入，0001作為輸出?？梢?，GPH3需要用4×8=32位來控制8個I/O口。如果借助于C語言的聯(lián)合位域結(jié)構(gòu)來設(shè)置寄存器，學生就很容易理解了。這里假定，要求GPH3的0，2，4，6位作輸入，1，3，5，7位作為輸出，如設(shè)置GPH3CON寄存器的嵌入式C聯(lián)合體如下。}H3；

位域bit與gpcon共32位存儲單元，bit的每個成員占4位，正好作為設(shè)置GPH3CON寄存器復用功能的一組數(shù)據(jù)。

H3.gpcon=GPH3.GPH3CON；//如果H3的每個口都要設(shè)置，這一句就多余

顯然，這種設(shè)置控制寄存器的方法，學生容易理解，很快就會掌握設(shè)置方法。經(jīng)過多次練習，上面寄存器設(shè)置，不再需要聯(lián)合位域，而是直接設(shè)置：GPH3.GPH3CON=0×10101010。

也可以舉一反三：如果定義輸入的4位值不是0000，是0010，則GPH3.GPH3CON=0×12121212。

5 結(jié)語

隨著嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式C語言應用越來越廣泛，對嵌入式人才的需求越來越大，開設(shè)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程的高校也越來越多。有資料統(tǒng)計，90%以上的嵌入式系統(tǒng)應用代碼都是采用C（或者C++）編寫的［9］，掌握好C語言是學習嵌入式系統(tǒng)對前導課程的要求。由于課時限制，課程中很多內(nèi)容沒有講到，導致學生的C語言基礎(chǔ)不扎實，在嵌入式課程實驗中，往往C語言編寫的程序問題較多，特別是不會優(yōu)化處理。筆者根據(jù)多年的教學經(jīng)驗，在文章中所提出的問題，都是學生在學習嵌入式系統(tǒng)課程時經(jīng)常發(fā)生的，希望能夠起到拋磚引玉的作用，達到希望的教學目標，盡量通過程序優(yōu)化和編程技巧等方式降低前述問題發(fā)生的概率，提升嵌入式軟件開發(fā)的整體效率與質(zhì)量［10］。