嵌入式系統(tǒng)中C語言編程軟件設(shè)計

劉林芳

（長沙華中涉外職業(yè)高中 湖南省長沙市 410000）

1 引言

嵌入式系統(tǒng)是一種可以獨(dú)立、自主運(yùn)行的計算機(jī)器件，其特點(diǎn)在于其中的軟硬件可裁剪。嵌入式系統(tǒng)主要由軟件及硬件兩部分組成，C 語言是其軟件功能開發(fā)過程中應(yīng)用最為廣泛的一種計算機(jī)語言[1-2]。

C 語言計算的靈活性較高，且管理與維護(hù)較為容易，可在很大程度上提高嵌入式系統(tǒng)編程軟件的拓展性和高效性。為此，設(shè)計嵌入式系統(tǒng)中C 語言編程軟件的重要性不言而喻[3]。

目前，常用的編程軟件主要有文獻(xiàn)[4]中提出的基于ZYNQ-7000 的遠(yuǎn)距無線時間同步系統(tǒng)的C 語言編程軟件設(shè)計方法和文獻(xiàn)[5]中提出的基于C 語言技術(shù)的計算機(jī)軟件編程設(shè)計方法。但在實際的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，上述傳統(tǒng)方法存在編程過程耗時長、軟件空間資源占用率高、運(yùn)行準(zhǔn)確率低的問題，使得其可靠性大大降低。

為有效解決傳統(tǒng)方法存在的不足，本研究設(shè)計了一種嵌入式系統(tǒng)中C 語言編程軟件設(shè)計方法，以期為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展提供可靠、有效的技術(shù)支持。

2 嵌入式系統(tǒng)層次架構(gòu)設(shè)計

伴隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的飛躍式發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的功能性也越來越強(qiáng)大，與此同時，其技術(shù)性也逐漸變得愈加復(fù)雜[6-8]。因此，為有效提高嵌入式系統(tǒng)軟件部分的開發(fā)以及運(yùn)行效果，本研究提出對其展開層次架構(gòu)設(shè)計。

2.1 層次架構(gòu)設(shè)計思路

本研究以層次化劃分為理念，將嵌入式系統(tǒng)中編程軟件部分規(guī)劃為不同的層次架構(gòu)，每個架構(gòu)對應(yīng)不同的軟件模塊，與此同時確定模塊與模塊間的關(guān)聯(lián)性。層次架構(gòu)的設(shè)計思路如下：

（1）本研究將嵌入式系統(tǒng)的層次架構(gòu)劃分為數(shù)據(jù)整理層、分析處理層以及功能展示層三個主要的部分，各層次架構(gòu)之間的功能呈現(xiàn)出漸進(jìn)的關(guān)系。應(yīng)用過程中，注重嵌入式系統(tǒng)各個功能模塊的協(xié)調(diào)性和層次性，針對相同的問題，對不同的層次架構(gòu)均可提供有效的處理方案，上一層次架構(gòu)的運(yùn)行需依靠下一層次架構(gòu)的支撐；

（2）保障嵌入式系統(tǒng)軟件模塊功能的高內(nèi)聚與低耦合，在劃分其層次架構(gòu)的過程中，按照任務(wù)分析、功能選擇、重用程度的順利實現(xiàn)；

（3）盡可能地降低層次架構(gòu)與層次架構(gòu)間的相關(guān)性，以此來避免因某一層次架構(gòu)發(fā)生故障而對整個嵌入式系統(tǒng)軟件模塊產(chǎn)生影響。

2.2 層次架構(gòu)設(shè)計方法

本研究設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)軟件模塊層次架構(gòu)設(shè)計方法的步驟如下：

步驟一：按照遞進(jìn)式的方式對嵌入式系統(tǒng)的功能需求展開分析，并將其抽象化，從而確定嵌入式系統(tǒng)的概念層次，再將概念層次變化為軟件層次。上述步驟是一個明確功能需求并將其變化為開發(fā)設(shè)計需求的過程[9-10]；

步驟二：按照反向遞進(jìn)式的方式對嵌入式系統(tǒng)硬件部分的功能需求展開分析，并將其抽象化，從而細(xì)化出必要的嵌入式系統(tǒng)硬件環(huán)境操作原語。針對嵌入式系統(tǒng)來說，規(guī)模龐大的開發(fā)過程是通過軟件編程設(shè)計來實現(xiàn)系統(tǒng)硬件的各項功能的過程。封裝硬件功能能夠有效降低嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程的繁雜性，同時也可以提高嵌入式系統(tǒng)軟件編程代碼的復(fù)用性[11-12]；

步驟三：按照遞進(jìn)式和反向遞進(jìn)式相融合的方式，逐級檢查相鄰的兩個層次架構(gòu)間的調(diào)用關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，保障二者間數(shù)據(jù)交流的暢通性，從而保障每一個層次架構(gòu)上的調(diào)用都有效；

步驟四：對嵌入式系統(tǒng)軟件模塊的每一個層次架構(gòu)的功能實施整合處理，優(yōu)化其各項功能，以此來達(dá)到軟件模塊最優(yōu)化，這一過程也是對軟件編程代碼重用的最優(yōu)選擇過程。

3 C語言編程軟件設(shè)計

在上述設(shè)計嵌入式系統(tǒng)層次架構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用C 語言技術(shù)對其中的編程軟件展開設(shè)計。

3.1 代碼調(diào)控

盡管標(biāo)準(zhǔn)的C 語言開發(fā)過程缺少軟件框架管理，但結(jié)合上述設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)層次架構(gòu)，可建立嵌入式系統(tǒng)的管理原則，從而提高對編程代碼的組織管理和調(diào)控開發(fā)能力。

3.1.1 代碼管理

首先按照層次劃分的原理對代碼目錄實施組織管理，主程序代碼以及頭文 件置于根目錄中，其余文件置于其余文件夾中，文件名的格式要統(tǒng)一。在此基礎(chǔ)上，在嵌入式系統(tǒng)C 語言開發(fā)的過程中，就能夠充分利用不同層次架構(gòu)的優(yōu)勢，使得操作人員能夠在不同的文件夾中同時完成不同種類的工作。

3.1.2 模塊管理

為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)軟件模塊的高內(nèi)聚性功能，本研究盡量避免使用全局變量來完成對系統(tǒng)模塊的管理，而是利用函數(shù)參數(shù)來實現(xiàn)信息的交互與處理。相同種類的系統(tǒng)任務(wù)盡量儲存于同一文件夾內(nèi)。上一層次架構(gòu)在開發(fā)時能夠調(diào)用下一層次架構(gòu)，但要注意下層次架構(gòu)盡可能避免交叉和越級調(diào)用。

3.2 循環(huán)設(shè)計

在任務(wù)循環(huán)設(shè)計時，盡量讓循環(huán)變量接近于零，以此來減少因循環(huán)終止而造成的不必要嵌入式系統(tǒng)開銷。一般情況下，for( )循環(huán)的格式應(yīng)表示為如下形式：

for(x=0,x<10,x++){…}

這一過程中，x 從 0 增加到 9。若將上述代碼改寫為如下形式，則x 從 9 減少到 0，循環(huán)執(zhí)行速度將會大大提高。

for(x=10,x--){…}

3.3 函數(shù)表達(dá)設(shè)計

C 語言編程中包括很多含有參數(shù)和函數(shù)的表達(dá)式，因此，設(shè)計函數(shù)表達(dá)并研究函數(shù)的變化至關(guān)重要。本研究對main 函數(shù)實施編輯處理，將其中的參數(shù)利用agent 來表示，在這一過程中，需通過分析來獲得main 函數(shù)相關(guān)的即時數(shù)組信息。

嵌入式系統(tǒng)軟件模塊的函數(shù)變化會對函數(shù)的配置啟動產(chǎn)生直接影響，因此，本研究首先對main 函數(shù)實施歸零處理，從而使C 語言編程程序進(jìn)入高效運(yùn)行狀態(tài)，且main 函數(shù)可以對嵌入式系統(tǒng)模式實施智能調(diào)控，通過交叉比對結(jié)果刪除無用數(shù)據(jù)，避免C 語言程序混亂，然后重新定義新的main 函數(shù)表達(dá)式，以此來保障函數(shù)間的有效串接，從而使嵌入式系統(tǒng)編程程序更好地適應(yīng)不同的語言環(huán)境。

4 仿真實驗與結(jié)果分析

為驗證上述研究的嵌入式系統(tǒng)中C 語言編程軟件設(shè)計方法的可行性與有效性，設(shè)計如下實驗加以證明。實驗在MATLAB 仿真平臺上完成。為有效避免實驗結(jié)果過于單一、提高其說明性，將文獻(xiàn)[4]中的基于ZYNQ-7000 的遠(yuǎn)距無線時間同步系統(tǒng)的C 語言編程軟件設(shè)計方法和文獻(xiàn)[5]中的基于C 語言技術(shù)的計算機(jī)軟件編程設(shè)計方法作為對照，與本文方法共同完成性能對比驗證。對比指標(biāo)如下：

（1）編程過程耗時。該指標(biāo)可直接反映不同方法的編程效率。編程過程耗時越短，說明編程效率越高。

（2）軟件空間資源占用率。該指標(biāo)可直接反映不同方法的空間資源占用差異。

（3）運(yùn)行準(zhǔn)確率。該指標(biāo)可體現(xiàn)不同方法編程結(jié)果的可靠性。運(yùn)行準(zhǔn)確率越高，說明方法編程結(jié)果的可靠性越高。

在實驗次數(shù)不斷增加的情況下，統(tǒng)計不同方法的編程過程耗時，結(jié)果如表1所示。

表1：不同方法的編程過程耗時統(tǒng)計結(jié)果

表2：不同方法的軟件空間資源占用率對比結(jié)果

表3：不同方法的運(yùn)行準(zhǔn)確率對比結(jié)果

分析表1可知，文獻(xiàn)[4]方法的編程過程耗時在8.10s-8.90s 之間，文獻(xiàn)[5]方法的編程過程耗時在8.80s ～10.00s 之間，而本文方法的最大編程過程耗時僅為6.60s，明顯少于兩種傳統(tǒng)方法。根據(jù)上述結(jié)果可知，應(yīng)用本文方法能夠使得編程過程耗時大大縮短。

在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步驗證嵌入式系統(tǒng)中C 語言編程軟件設(shè)計方法的可行性與有效性，測試不同方法的軟件空間資源占用率，對比結(jié)果如表2所示。

分析表2中的實驗數(shù)據(jù)可知，由于3 種方法采用的編程處理方式不同，隨著試驗次數(shù)的增加，其軟件空間資源占用率也會隨之發(fā)生變化。2 種傳統(tǒng)方法的軟件空間資源占用率均在30.0%以上。而本文方法的軟件空間資源占用率最低為16.0%，最高也僅為18.0%，說明本文方法占用的軟件空間資源量最少。

最后，在實驗次數(shù)不斷增加的情況下，統(tǒng)計不同方法的運(yùn)行準(zhǔn)確率，結(jié)果如表3所示。

分析表3中的實驗數(shù)據(jù)可知，由于3 種方法采用的編程處理方式不同，隨著試驗次數(shù)的增加，其運(yùn)行準(zhǔn)確率也會不斷變化。2 種傳統(tǒng)方法的軟件空間資源占用率均在85.0%以下。而本文方法的軟件空間資源占用率最低為95.0%，最高也僅為98.0%，說明本文方法編程結(jié)果的可靠性更高。

綜上所述可知，本文提出的嵌入式系統(tǒng)中C 語言編程軟件設(shè)計方法具有編程過程耗時少、軟件空間資源占用率低、運(yùn)行準(zhǔn)確率高的應(yīng)用優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

本研究提出了一種嵌入式系統(tǒng)中C 語言編程軟件設(shè)計方法，并通過仿真實驗，證明了該方法具有編程過程耗時少、軟件空間資源占用率低、運(yùn)行準(zhǔn)確率高的應(yīng)用優(yōu)勢，可有效為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展提供技術(shù)支持。