嵌入式系统设计要点

嵌入式系统。

采用大容量ｅｐｒ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**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ｒｏｍ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由于ｃ语言容易编程、**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ｅｐｒ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把ｅｘｅ格式的应用程序转换成可固化进ｅｐｒ的二进制文件（ｒｏ图）。

还要编写一个启动程序与ｒｏｍ图一起嵌入ｅｐｒ先由它建立数据区和对系统硬件作必要初始化，然后调ｍａｉ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ｐｒｉ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**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**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。

嵌入式程序的定位。

．１ｅ文件格式和ｄｏｓ重定位。

ｏｓ下的ｅｘｅ文件是一种可重定位文件它由重定位标头和装入模块组成。后者含一段或几段程序**，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。**、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ｅｐｒ的形式输出程序，即ｒｏｍ图，它可以是二进制或ｉｎｔ的ｈｅｘ格式，根据ｅｐｒ编程器、**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ｅｘｅ命令。若ｅｘｅ文件定位表中不含有定位远指针，ｅｘ便将它转换成ｃｏｍ文件，它是可固化进ｅｐｒ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ｅｘｅ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，ｅｘ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**段、数据段和堆栈段的次序排列和ｂｏｒ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**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**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２８０系统上嵌入式程序的定位过程。

启动程序。ｏｍ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－ｐ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（ｈｅ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ｅｐｒ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，ｌｉ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。

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８０ｘ嵌入式系统为例，ｃｐ复位后将执行处的**。这是系统ｒｏｍ的高址端，仅有１６字节空间，设计者可用ｄｅｂ命令在ｒｏｍ图的这个位置上，放一条无条件远跳转指令转到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ｍａｉ函数，执行应用程序。８０以上的ｃｐｕ复位时，ｃｓ初值仍是但。

２０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。

量仍是当上述ｊｍｐ指令一执行，ｃｓ被改写，ａ２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。

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：应用程序定位程序启动程序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。

将定位程序编译和连接成可执行程序将启动程序编译成。

对及必要的库函数进行连接，生成ｅｍｂ和简化的ｍａｐ文件必须是ｌｉｎ行上的第一个模块，保证它先执行。

执行以第一个ｒａｍ段的段类名、ｒａ和ｒｏｍ始址为输入参数，实现定位，输出ｒｏｍ图。

用ｄｅｂ命令在ｅｍｂ的位置上加进指令形成最终的ｒｏｍ图。

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８０８系统的最高地址为若采用１２８的ｒｏｍ其地址范围应取地址则应从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。

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