面向設(shè)備的編程模式概述

嵌入式系統(tǒng)傳統(tǒng)編程模式

編程就是讓計算機為解決某個問題而使用某種程序設(shè)計語言編寫程序代碼，并最終得到結(jié)果的過程。為了使計算機能夠理解人的意圖，人類就必須要將需解決的問題的思路、方法、和手段通過計算機能夠理解的形式告訴計算機，使得計算機能夠根據(jù)人的指令一步一步去工作，完成某種特定的任務(wù)。這種人和計算機之間交流的過程就是編程。從計算機發(fā)明至今，隨著計算機硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，計算機的編程語言經(jīng)歷了機器語言、匯編語言、面向過程的程序設(shè)計語言以及面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言階段。

嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)同源，可是因為應(yīng)用領(lǐng)域和研發(fā)人員的不同，嵌入式系統(tǒng)很早就走向相對獨立的發(fā)展道路，其編程模式與通用計算機系統(tǒng)有較大的區(qū)別。一般來說，嵌入式系統(tǒng)傳統(tǒng)編程模式有面向寄存器的編程模式、面向API的編程模式、面向端口的編程模式等，其中面向寄存器的編程模式仍然占主導(dǎo)地位。

1.1 面向寄存器的編程模式

嵌入式系統(tǒng)是"控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機器和設(shè)備運行的裝置"（devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。目前國內(nèi)一個普遍被認同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。

所謂"面向寄存器的編程",就是軟件直接操作硬件提供的編程接口來編寫嵌入式軟件的編程模式。目前，本地硬件提供的編程接口大多數(shù)為寄存器，它們通常映射到軟件能夠直接訪問的I/O空間或存儲器空間。

面向寄存器的編程模式的基本步驟如圖1所示，這是一個蜂鳴器鳴叫的程序。由此可以看出，面向寄存器的編程模式需要對硬件細節(jié)非常了解，這是非常繁瑣和容易出錯的，并且對開發(fā)人員的要求較高。

一句話形容：面向寄存器的編程模式就是自己既作將軍又作士兵，眉毛胡子一把抓。

1.2 面向API的編程模式

API（ApplicationProgrammingInterface,應(yīng)用程序編程接口）是一些預(yù)先定義的函數(shù)，目的是提供應(yīng)用程序與開發(fā)人員基于某軟件或硬件的以訪問一組例程的能力，而又無需訪問源碼，或理解內(nèi)部工作機制的細節(jié)。API除了有應(yīng)用"應(yīng)用程序接口"的意思外，還特指API的說明文檔，也稱為幫助文檔。另外，也是美國石油協(xié)會、空氣污染指數(shù)、醫(yī)藥、空中位置指示器的英文簡稱。

面向寄存器的編程模式非常麻煩，效率低下，不是人人都能勝任的。為了方便嵌入式軟件的編寫，有些公司編寫軟件把硬件屏蔽起來形成API,應(yīng)用軟件則通過這些API接口訪問硬件。這種通過第三方軟件提供的接口來訪問硬件的編程模式就是面向API的編程模式。

即使相同的硬件，不同公司提供的API也有很大的出入。有些僅僅提供了一些程序庫，對硬件進行簡單封裝。而有的則提供標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)接口，如WinCE、嵌入式Linux和VxWorks等。

面向API編程模式的基本步驟如圖2所示?？梢钥闯觯嫦駻PI的編程模式只需要對硬件細節(jié)有大概的了解即可，但需要對API手冊進行詳細閱讀才能開發(fā)。不同系統(tǒng)的API可能完全不同，換一種系統(tǒng)，開發(fā)人員就需要重新熟悉新的API.另外，不同系統(tǒng)的API功能和性能差異極大，對開發(fā)人員的要求也有較大的差別。一句話形容：面向API的編程模式就是手把手教別人干活。

1.3 面向端口的編程

可編程控制器簡稱PC（英文全稱：ProgrammableController），它經(jīng)歷了可編程序矩陣控制器PMC、可編程序順序控制器PSC、可編程序邏輯控制器PLC（英文全稱：ProgrammableLogicController）和可編程序控制器PC幾個不同時期。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。

面向端口編程是PLC的編程模式。PLC把所有硬件都虛擬成端口，通過對端口的讀寫完成對硬件的控制。PLC最初是為了替代繼電器編程，對復(fù)雜程序的支持比較弱，對遠程硬件的支持也比較弱（主要支持PLC廠商自己的配件）。

2 嵌入式系統(tǒng)傳統(tǒng)編程方法的困境

2.1 對 比

各種傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)編程模式有各自特點，如表1所列。

2.2 困 境

最初，嵌入式系統(tǒng)都是獨立工作的。傳統(tǒng)的編程模式都是面向獨立的微控制器（微處理器），操作的硬件都是本地硬件。

微控制器是將微型計算機的主要部分集成在一個芯片上的單芯片微型計算機。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，其成本越來越低，而性能越來越強大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無處不在，遍及各個領(lǐng)域。例如電機控制、條碼閱讀器/掃描器、消費類電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門禁控制、工業(yè)控制與自動化和白色家電（洗衣機、微波爐）等。

隨著時間的推移，嵌入式系統(tǒng)由獨立工作走向了網(wǎng)絡(luò)控制（典型的系統(tǒng)就是集散控制系統(tǒng)），此時嵌入式系統(tǒng)的編程模式依然是面向獨立的微控制器（微處理器）。要把這些嵌入式系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，需要為所有控制器增加兼容的通信接口硬件，并設(shè)計兼容的通信協(xié)議。而且，每個系統(tǒng)需要對硬件通信接口編程及對通信協(xié)議編程后才可能組成網(wǎng)絡(luò)。這個設(shè)計無疑是復(fù)雜的。

用面向寄存器的編程模式編寫聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的步驟如圖3所示，面向API的編程模式的步驟如圖4所示。圖3、圖4的右邊是編寫控制遠程蜂鳴器鳴叫程序的步驟。至于面向端口的編程模式，目前主要是PLC,它的開發(fā)步驟比較簡單，讀者可以參考PLC的開發(fā)手冊。不過，PLC一般支持有限的遠程設(shè)備，并且成本高昂，很多時候并不適用。通過圖3和圖4可以看出，對于聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)，這兩種編程模式的步驟基本相同。面向寄存器的編程模式開發(fā)難度很大，而面向API的編程模式相對小一些，不過任務(wù)依然艱巨。

各種編程模式的對比如表2所列。

現(xiàn)在，組網(wǎng)的范圍更加廣泛：不但需要本地組網(wǎng)，還需要遠程組網(wǎng)；不但控制設(shè)備之間需要互連，控制設(shè)備與普通計算機之間還需要互連，以及不同廠商的設(shè)備之間也要互連。這些要求無疑加劇了系統(tǒng)編程的復(fù)雜性。

3 面向設(shè)備的編程模式

3.1 范 例

面向設(shè)備的編程模式是由面向API的編程模式和面向端口的編程模式繼承發(fā)展而來的，具有兩者的優(yōu)點，避免了各自的缺點，同時極大地增強了組網(wǎng)能力。

這里依然以開發(fā)控制遠程蜂鳴器的嵌入式系統(tǒng)為例，其開發(fā)流程如圖5所示。圖5的左邊是面向設(shè)備的編程模式，右邊是開發(fā)步驟。

通過查看遠程設(shè)備圖，得知蜂鳴器的端口地址為0x1111,寫1為鳴叫，寫0為停止鳴叫。

這種編程模式非常簡單。事實上延時功能已經(jīng)定義成本地端口，真實的程序?qū)⒏唵巍Ｃ嫦蛟O(shè)備編程模式與傳統(tǒng)編程模式的對比如表3所列。

3.2 設(shè)計目標(biāo)

針對目前嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的困境，本文提出"面向設(shè)備的編程"這一概念。研發(fā)人員不需要考慮硬件細節(jié)和網(wǎng)絡(luò)細節(jié)，使用同一種方式操作本地硬件和遠程硬件。

與傳統(tǒng)編程模式不同，面向設(shè)備的編程模式把所有通過網(wǎng)絡(luò)連接的嵌入式系統(tǒng)和計算機作為一個整體來考慮。研發(fā)人員只需要知道設(shè)備地址和設(shè)備內(nèi)端口地址的分配即可，不需要知道設(shè)備如何連接到系統(tǒng)，可以通過有限的幾個函數(shù)操作設(shè)備。

3.3 特 點

AnyWhere最大的特點是著眼于系統(tǒng)，是系統(tǒng)級解決方案。一個系統(tǒng)中的所有嵌入式設(shè)備都使用AnyWhere兼容設(shè)備，整體效果最佳。除了這個特點外，AnyWhere還有以下特點：

①使用ANSIC編程。將來可能增加編程語言支持。

②編程接口統(tǒng)一。無論操作設(shè)備的什么功能，都使用有限的幾個函數(shù)操作。

③編程不區(qū)分遠程設(shè)備和本地硬件。系統(tǒng)保留1個系統(tǒng)地址（符號為AW_LOCAL_ADDR,值為0x00000000）用于識別本地設(shè)備，用這個地址操作的就是本地設(shè)備。大多數(shù)情況下，設(shè)備也可以使用設(shè)備的真實地址來訪問本地硬件。這樣，設(shè)備可以使用同樣的接口訪問本地硬件和遠程設(shè)備。

④多協(xié)議多網(wǎng)絡(luò)支持。AnyWhere默認協(xié)議計劃支持RS232、RS485、RS422、以太網(wǎng)、CAN、USB等網(wǎng)絡(luò)。AnyWhere還計劃支持ModeBus、iCAN、CANOpen、DeviceNet、J1939、DMX512、MVB等協(xié)議。用戶還可以通過多協(xié)議接口增加特定的協(xié)議。

⑤協(xié)議及鏈路自動動態(tài)匹配。研發(fā)人員只需要知道設(shè)備的地址就可以編程，而不需關(guān)心主控設(shè)備與被控設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議匹配問題。系統(tǒng)會自動選擇兩者均支持（并且當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持）的協(xié)議。如果網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，系統(tǒng)會再次主動選擇協(xié)議。這些過程都是透明的，研發(fā)人員無需關(guān)心。

⑥提供被控設(shè)備編程接口。用戶可以通過這個接口設(shè)計特殊的被控設(shè)備。

4 基本設(shè)計思想

（1）總體設(shè)計思想

AnyWhere把所有用網(wǎng)絡(luò)連接起來的嵌入式系統(tǒng)作為一個整體來考慮。依據(jù)其在系統(tǒng)中的作用，把嵌入式系統(tǒng)分為主控設(shè)備和被控設(shè)備兩類。

主控設(shè)備通過遠程調(diào)用來控制被控設(shè)備。每當(dāng)主控設(shè)備調(diào)用AnyWhere的主機接口核心函數(shù)時，對應(yīng)的被控設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)。被控設(shè)備的函數(shù)執(zhí)行完畢后，把返回值和執(zhí)行結(jié)果反饋給主控設(shè)備，主控設(shè)備獲得執(zhí)行結(jié)果，函數(shù)返回。

（2）基本框圖

AnyWhere的基本框圖如圖6所示。

（3）一般處理流程

為主控設(shè)備訪問遠程設(shè)備中awRead（）函數(shù)的一般處理流程是：主控設(shè)備首先查找ARP表，如果ARP表中存有被控設(shè)備信息，調(diào)用被控設(shè)備函數(shù)開始執(zhí)行；如果ARP表中不存在此遠程設(shè)備的情況，則需要請求添加此設(shè)備；在遠程設(shè)備添加成功后，調(diào)用被控設(shè)備函數(shù)開始執(zhí)行；程序處理完成后應(yīng)答返回。

5 主要的用戶編程接口

5. 1 主控設(shè)備編程接口（核心編程接口）

這是一般用戶使用的接口，也是最常用的API.這部分有4個函數(shù)，分別是awRead（）、awWrite（）、awReadEx（）和awWriteEx（）。其中函數(shù)awRead（）和awWrite（）是對指定設(shè)備的指定端口用默認的模式讀寫，讀寫的數(shù)據(jù)都會轉(zhuǎn)化為32位無符號數(shù)。而awReadEx（）和awWriteEx（）用于對端口一次讀寫多個數(shù)據(jù)，需要指定讀寫模式，這個模式還必須與端口的模式一致。

5.2 被控設(shè)備編程接口

在設(shè)計一個控制系統(tǒng)時，被控設(shè)備一般會選擇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，不需要用戶編程。如果使用非標(biāo)準(zhǔn)的被控設(shè)備，就需要進行產(chǎn)品研發(fā)。從圖6可以看出，被控設(shè)備的應(yīng)用程序僅僅是初始化而已。如果用戶選擇廣州致遠電子有限公司的半成品模塊，大多數(shù)情況下也無需開發(fā)，只需通過向?qū)В≒C機程序）配置需要的功能就可以生成需要的代碼。如果這些半成品模塊不能完全滿足系統(tǒng)需求，就要進行研發(fā)。