嵌入式C语言简介及应用

嵌入式系统软件开发中，C语言是最为常用的开发语言。过去，汇编语言曾经流行，但是随着C语言的普及使用，越来越多的开发环境支持C语言，越来越多的开发团队使用C语言。

1）C语言已经是世界汽车界普遍公认的开发语言，不但大部分主机厂、供应商应用C语言开发控制系统，大部分高校也将C或C++作为机电工程、机械工程和车辆工程等学科的主要计算机语言类课程。使得C语言的开发基础进一步扩大和流行。

2）C语言是一种功能强大的开发语言并且不失应用的灵活性。它比汇编语言简练、易懂同时又接近底层，不会出现像面向对象的开发环境中常见的层级过高而很难纠错（Debug）的现象。同时很多公司开发出来功能强大的操作系统、编译器和其他相关工具链。

3）C语言对于汽车电子控制系统软件开发，有很强的可移植性。由于拥有很好的设计规则、软件架构，C语言所编译的程序可以移植到许多微处理器上或开发环境中。

4）C语言相对来讲，简单易学，规则明确。旧的C标准（20世纪90年代）只有30多个关键字，其模块化设计思路支持复用和即插即用的理念。

5）对于动力总成特别是变速器控制系统软件开发来讲，C语言还有很好的经济性。它几乎支持变速器目前所应用的所有目标CPU。工具链完整而强大（意味着价格更合理），绝大部分变速器供应商都已经有过用C开发变速器控制软件的经验，开发成本大大降低。

（1）C语言的主要组成部分

1）主程序main（）：这是唯一一个所有C程序都必须有的程序入口。操作系统一般从这里开始执行。

main（）/∗主程序的开始入口∗/

2）包含系统#include：将必要的内容文件在编译过程中加入到程序里。文件一般用“.h”为后缀。主要存储变量命名和库函数等。如：

#include<stdio.h>

3）对象：用于存储在内存中的内容。一般包括函数、变量、常量等。每个对象应该有唯一的名称并且和关键字有所区别。每个对象在使用前必须先定义。如：

int a；

const int b=2；

4）程序本体：实现主要功能的实体。一般来讲以行为单位，一行一般一个语句。如：

z=0x00FF；/∗赋值语句∗/

if（x＜y）/∗条件语句∗/x=y；/∗将x值最小设为y∗/

5）函数定义：指用来执行某一个特定任务的一段独立代码。函数在被调用时执行。如：

int Addition（int x，int y）/∗执行加法的程序，返回两个数的和∗/return（x+y）；

6）函数命名：函数在使用前必须先命名，这是告诉程序，有这样一个函数存在，可以被调用。如：

int Addition（int x，int y）；

7）说明内容：一般来讲说明内容仅仅是起到辅助的说明作用，这部分内容会被编译器忽略。有用“//”的说明，更常用的是“/∗”开头，“∗/”结束的说明格式。

（2）C语言的基本操作符

1）赋值操作：使用“=”符号对变量进行赋值。如“A=10；”，也可以用来进行两个变量之间的赋值，如“A=B；”。在嵌入式系统中，一般多变量的相互赋值是应该避免的，如“A=B=C；”，赋值的变量间应该有同样的结构、形式、单位，否则不能直接进行赋值。

2）算术运算：C语言中有多个算术运算符，可以实现多种有效且简便的运算，见表7-1。

表7-1 C语言算术运算符

3）位逻辑操作符：主要用来对变量中的位进行操作运算，见表7-2。

表7-2 C语言位逻辑操作符

4）基本逻辑操作符：主要用来对变量进行基本逻辑操作，见表7-3。

表7-3 逻辑操作符及其功能

进行与逻辑运算时，都需要用括号来表示前后顺序，比如，A>B&&C<D逻辑可读性不强，如果写成（A＞B）&&（C＜D），就可以看清是两个大小比较结果的与运算。对于逻辑或的运算，也应该应用同样的方法。

对于布尔变量的逻辑判断，许多人习惯直接用作if、while、do-while或for的逻辑判断，有时会产生逻辑不清的现象。所以，应该用显式的表达方式。比如，发动机转速高位布尔变量，逻辑表达if（EngineSpeedHigh）就不如用if（Engine SpeedHigh==CbTRUE）表达的清晰。逻辑取反操作除非万不得已应尽量避免使用，因为大部分情况都能找到正逻辑进行判断，比如if（A！=CbTRUE）就不如if（A==CbFALSE）来得更清晰。

比较双方应该有同样的数值类型，否则应该提前进行强制类型转换后再进行比较，否则比较容易出现问题。

5）地址运算：在嵌入式软件开发中，直接的地址运算”goto”“&”等应该避免。比如，A=∗（&Variable1+100）；其原意是想将Variable1的地址加100后的内存中的内容赋值给A变量。由于嵌入式系统中的地址安排许多是自动调节的，所以地址的信息往往无法确认。另外，∗号的运算也应尽量避免，原因和上述类似。

6）函数调用：一般来讲，汽车电子的嵌入式系统软件的函数一般不设参数，不设返回值，如果需要对某参数进行赋值、运算，需要将其设置成全局变量，显式赋值。递归函数一般要避免应用，这种函数是自己调用自己的函数，如果边界条件没有设置好，就会出现多次调用，而一般嵌入式系统的堆栈空间有限，最后会导致堆栈溢出等问题。

7）结构体和联合体：实际应用中，有时候会出现，一组数据具有不同的数据类型，这个时候就需要考虑用结构体或联合体。结构体需要预定整个数据的内存，而联合体却只需要定义一个最大值。在嵌入式系统开发中，对这两个数据类型的应用没有限制。

8）大小操作sizeof（）：在嵌入式软件开发中需要避免，这是ANSI C标准库函数，但汽车电子中极少用到。

9）强制操作：一般来讲，汽车电子软件应避免使用强制操作，因为它会产生许多模糊状态，比如一个浮点变量，强制成整数进行运算，软件会将高出的位数直接砍掉，逻辑就有可能和原来设想的不同。如果必须进行，较好的做法是产生一个中间变量将其设置成强制目标类型，再进行操作。

10）条件和逗号运算：这两个运算在汽车电子中应避免，建议使用显示的逻辑。

11）预处理操作：#和##符号操作也应避免，这两种仅仅在有限的应用中使用。

12）代码操作内容应尽量分行进行：比如，在一行中写“a=b；b=c；”是要避免的，应分两行写。

代码操作一般由如下几种：标识、选择、循环、跳跃。

标识：所有的标识在汽车电子中只有case和default两种，也就是说在switch体中运用，其余的应用应该避免。

选择：主要是if和switch代码操作

(www.zuozong.com)

循环（Loop）：主要有while、do-while和for循环。对于它们的应用除了需要进行显式表达外（比如for的3个表达不应简略），其余没有太多的限制。

跳跃（Jump）：主要由return，break，continue和goto组成。

对于return，汽车嵌入式系统软件一般不使用返回值，所以return在软件中主要返回void即空值。Break仅仅在switch的最后一句使用。而continue和goto一般不建议使用。

（3）声明符，分类符

汽车电控系统软件一般接受如下分类符：程序分类符、存储分类符、类型限定符。如果一段程序中含有多种分类符，应当按照上面的顺序进行声明。

1）程序分类符：主要是inline内联函数的应用。内联函数在应用中非常像宏，它不是在调用时才被触发，而是在编译时就由编译器将其内容嵌入到应用程序中。一般来讲，汽车电子的嵌入式系统软件中，内联函数是不提倡使用的。

2）存储分类符：一般由如下几个组成：typedef、extern、static、auto和register。

typedef：可以看做是宏命令。在编译前，由预处理器替代将程序中的所有遇到的相同定义词进行替代。

extern：表示其描述的变量或函数的定义在别的文件中，需要编译器到此变量和函数定义所在的外部模块中寻找。同时，要求变量或函数必须是static（静态）的。

static：静态标识符号，一般可以用来定义全局变量、局部变量和函数。如果全局变量被定义成静态的，定义的范围是整个程序，内容是不可变的（即保持上一次结果的内容）。如果定义的是局部静态变量，那么变量对于其他的文件是不可见的，但其内容可以保持上次的结果。如果定义的是函数，那么这个函数只对于这个文件是可见的，其余文件不可见。

auto：自动变量标识符，在嵌入式系统软件中不建议使用，因为变量定义默认就是auto，无须重复定义。

register：寄存器变量在嵌入式系统软件中不建议使用，因为变量定义在寄存器中，内容需要具体的物理地址指引。

3）类型限定符：主要有const和volatile两个。

const：用来限定一个变量的内容为常量而且不可更改。一般常量存放在ROM只读存储器中。

volatile：这是一个多线程访问（可修改）的限定符，对于一个系统来说，实际的意义是不产生优化，而结果是多个可变结果。比如

A=0；

A=1；

如果，A的定义不是volatile，那么，一般的编译系统就会将A=0；这个赋值语句省略掉。但是，在许多的嵌入式系统中，我们需要产生一些瞬时、多变的信号，这时就需要用到volatile定义的变量了。

4）数据类型定义符：嵌入式系统软件开发中，所有的变量，函数等都需要进行数据类型定义。有void、char、int、short、long、signed、unsigned、float、doub-le、enumeration、structure、union。

void：在C语言中表示“无类型”。在程序编写中对定义函数的参数类型、返回值、函数中指针类型进行声明，表示类型为“无”。

Char：容纳单个字符的一种基本数据类型，一般的数据类型都会显式地表明符号正负，但char是隐式表明被标识对象为正值。

int、short、long、signed、unsigned、float、double：各表示一种数据类型，数据长度见表7-4，存储值随所使用的CPU位数有所变化。

表7-4 不同处理器所能显示的数据长度

IEEE规定浮点类型见表7-5。

表7-5 IEEE规定浮点类型

枚举类型enumeration：枚举变量本身不是一个数据结构，它定义了从一个数据结构得到连续数据的方法，用来从含有多个元素的数据结构中得到的下一个元素。

结构体类型structure：结构体可以包含构造函数、常数、字段、方法、属性、索引器、运算符和嵌套类型。每个结构体定义后都应该有个标签，同时结构体应该有对象被定义，只有被定义的对象能够被使用。对于汽车电子控制系统，出于可移植性和控制器资源的考虑，一般不建议在结构体中使用点操作。另外，一个好的编写软件的习惯是在结构体定义中加入有效的说明。

联合体类型Union：联合体是一种特殊形式的变量。联合体变量定义与结构十分相似，但是他们的本质却不同。结构体定义了多个数据类型的集合，每个类型都是实际存在的单独个体。而联合体仅仅定义了所有可能用到的内部元素，而在使用时只会应用其中的一个，也就是说，联合体的元素共享同一个存储空间。

（4）预编译处理 嵌入式系统软件中有如下几种预编译处理。

1）条件包含预处理：有#ifdef、#ifndef、#if、#elif、#else、#endif。

#ifndef和#endif应该只在头文件中出现，其余的预处理不建议在嵌入式软件中使用。

2）文件包含预处理：文件包含#include主要用来将头文件包含在一个文件中，注意要和宏文件加以区分。在嵌入系统中文件的路径一般不需要注明（比如“/home/users/file.h”）。一些在传统C语言中广泛使用的被包含标准文件，见表7-6。

表7-6 标准头文件及其功能

由于汽车嵌入式软件是相对独立的，这些头文件不会被使用。

3）宏替代预处理：嵌入系统软件的宏替代预处理主要指#define和#undef。#define一般应用于类似对象的宏处理中，而#undef一般不建议使用。

4）其余的预处理操作：像#line、#error、#pragma这些预处理操作在嵌入式系统软件开发中不建议使用。

预定义的宏应用：

__LINE__

__FILE__

__DATE__

__TIME__

__STDC__

这些预定义的宏应用应该避免使用。

（5）嵌套循环 嵌套循环是一个比较难具体规定的问题，在ANSI C中，规定嵌套不得超过15层，这和使用的硬件环境息息相关。用MFC等在PC机上运行的C语言时，一般先定义好堆栈。由于PC机的存储量和速度较高，嵌套循环的可执行层数就会很多，但许多编译器没有明确规定嵌套层级的大小，主要是因为语言开发时，应用的硬件系统差别可以很大。所以，有的规则就定义了一个较为实用的要求——15层，而且在开发时，会对系统内存有一定的要求（比如要求内存空间必须达到多少等）。因此在嵌入式系统开发中，应尽量避免多层嵌套，特别是recursive递归函数的调用（因为如果跳出条件设定不好，就会陷入死循环或堆栈溢出），应该避免。