嵌入式系统高级编程语言技术分析.docx

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1、嵌入式系统高级编程语言技术分析shixiang导语：从嵌入式系统高级编程语言特点入手，对高级语言的根本性能作扼要总结摘要：随着嵌入式技术的普及推广，嵌入式系统高级语言编程势在必行。然而，人们在选择语言系统时往往具有很大的随意性。对价格、获取方便性等因素考虑较多，而对语言本身的技术因素考虑较少。文章从嵌入式系统高级编程语言特点入手，对高级语言的根本性能作扼要总结，对目前比拟流行的几种嵌入式系统编程语言Ada、C/C+、Modula-2的根本技术性能进展分析比拟；对Java作扼要介绍。关键词：嵌入式系统高级语言根本性能编程特点一、嵌入式系统高级语言编程特点随着嵌入式系统应用范围的不断扩大和嵌入式实

2、时操纵系统RTOSRealTimeOperatingSystem的广泛使用，高级语言编程已是嵌入式系统设计的必然趋势。由于汇编语言和详细的微处理器的硬件构造亲密相关，移植性较差，既不宜在复杂系统中使用，又不便于实现软件重用；而高级语言具有良好的通用性和丰富的软件支持，便于推广，易于维护。因此高级语言编程具有很多上风。1通用性强。随着微处理器技术的不断开展，其功能越来越详细，种类越来越多，而不同种类的微处理器都有自己专用的汇编语言。这就为系统开发者设置了一个宏大的障碍，使得系统编程更加困难，软件重用无法实现；而高级语言一般和详细机器的硬件构造联络较少，比拟流行的高级语言对多数微处理器都有良好的支

3、持，通用性较好。2轻易编程。随着嵌入式系统应用范围的不断扩大和应用层面的不断深化，系统规模越来越大，构造越来越复杂，设计变得越来越困难。一个系统内有多种微处理器已是常见的事情。这时，要用汇编语言编程不仅要求编程人员要对所有微处理器的汇编语言都了如指掌，而且随着任务复杂程度的不断进步，用汇编语言实现规模较大的任务难度极大；而高级语言的语意层次较高，且有丰富的程序库支持，因此，编写较复杂的程序相对简单。使用高级语言编程，不仅可以加快系统开发进程，节省大量时间，同时也有利于系统调试及维护工作。3轻易浏览。由于汇编语言的语意层次较低，在浏览汇编语言程序时，往往要花费大量精力分析细节问题，如为什么把一个

4、数据传送给一个存放器，为什么把某个标志位清零等。当把留意力放在这些细节上的时候，往往又把程序的主线忘记了。因此，汇编语言程序不仅难写，而且难读。采用高级语言就可以很好地解决这些问题。由于高级语言的语意层次较高，表达方式更接近人们日常的思维方法，一些数学表达式可以直接用一条语句表达，程序的思路更加明晰、简捷。因此，程序也就轻易浏览。4可移植性好。由于汇编语言和详细的微处理器亲密相关，为某个微处理器设计的程序不能直接移植到另一个不同种类的微处理器上使用，因此，移植性差；而高级语言对所有微处理器都是通用的，因此，程序可以在不同的微处理器上运行，可移植性较好。这是实现软件重用的根底。5可维护性好。高级

5、语言程序往往是模块化设计，各个模块之间的接口是固定的。因此，当系统出现问题时，可以很快地将问题定位到某个模块内，并尽快得到解决。另外，模块化设计也便于系统功能的扩大和晋级。6直接支持中断治理。中断是嵌入式系统最重要也是最常用的信息交换方式，因此中断系统是否灵敏，中断功能是否强大对系统的性能影响极大。在高级语言中，一般都有强大的中断治理机制，以便构建高效灵敏的中断系统；而在汇编语言中，一般要由程序设计者自己编程来进展中断治理。这不仅增加了编程的难度，而且效果也不一定好。7支持软件重用。由于汇编语言的可移植性极差，使得其软件重用性严重受阻；而高级语言具有较好的通用性和可移植性，这就使得高级语言程序

6、可以在不同时间、不同地点、不同系统、不同人员之间共享，实现软件重用。这不仅可以进步产品质量，缩短开发周期，降低产品本钱，而且还可以使软件开发走上正规化、产业化的道路1。二、嵌入式系统高级编程语言概述在过去40多年，人们开发研制了几十种计算机语言，但是仅有少数几种得到了广泛应用。这就提示我们选择一个适宜的语言系统并不轻易。在小型嵌入式系统中，通常只有一个微处理器，并且其主要工作往往不是计算，而是控制，应选择控制才能较强的语言。在大型嵌入式系统中，往往会有多个微处理器或者计算机并行工作，构成多机系统。它们中有些工作于真正的嵌入式形式，有的那么为纯粹的信息处理。此时，对系统的编程就变得相当复杂，不同

7、的任务可能会用不同的语言编程。因此，大型系统往往是一个多语言系统。对于这种混合系统的语言选择更应慎重考虑。目前，在嵌入式系统开发经过中使用的语言种类很多，但仅有少数几种语言得到了比拟广泛的应用。本文选择了Ada、C/C+、Modula-2作为讨论对象，并对Java作扼要介绍。Ada语言是20世纪70年代美国国防部开发并投入使用的功能强大的通用系统开发语言，最初为Ada83。它支持模块化、独立编译、协处理等功能。其可靠性、可维护性、可读性都是相当好的。后来，为了更好地支持OOPObject-OrientedProgramming，对其进展了改良，形成了目前广泛使用的Ada95。使用Ada语言可以

8、大大改善系统的明晰性、可靠性、可维护性等性能指标2,3。它是美国国防部指定的唯逐一种可用于军用系统开发的语言。C语言是由DennisRichie于1972年在AT&Bell实验室研究成功并投入使用的系统编程语言。其设计目的是使C既具有汇编语言的效率，又具有高级语言的易编程性。其最具代表性的应用是UNIX操纵系统。从20世纪80年代中期C语言涉足实时系统后，受到了普遍欢送。目前是使用最广泛的嵌入式系统编程语言。C+是由BjarneStroustrup于1995年在Bell实验室研制成功并投入使用的。C+在支持当代软件工程、OOP、构造化等方面对C进展了卓有成效的改良，但在程序代码容量、执行速度、

9、程序复杂程度等方面比C语言程序性能差一些2,4,5。Modula-2是由NicklansWirth在70年代后期根据Pascal和Modula开发的系统设计语言。其主要目的是在模块化、系统编程、协同处理等方面对Pascal进展改良。Modula-2具有很强的类型检查才能和丰富的低级功能支持。因此，可用它设计一个完好的实时程序而不用汇编语言的支持。Modula-3是1988年由DECDigitalEquipmentCompany和ORCOlivettiResearchCenter根据Modula-2开发研制并投入使用的系统开发语言。目的是设计一个功能强大但构造简单的通用编程语言。它在协同处理、O

10、OP、自动垃圾采集以及对C语言和UNIX的支持等方面对Modula-2进展了改良6。考察一门语言是否适用，需要从多个方面进展考虑。不同语言，都有自己的特色。很难将其全面进展比拟。另外，任何一门语言的运行特性都与运行环境亲密相关，因此，选择语言时，应综合考虑。为表达方便，我们把语言的性能划分为根本性能和运行性能两个方面进展分析。1根本性能一门语言的根本性能主要是指语言本身的固有特性，或者称静态特性，即构成语言的组成局部所具有的特性。它不仅决定着语言的可用性、适用性、可靠性等，而且对应用程序的开发产量、便携性、可维护性、平安性也有一定影响。它是一门语言的核心和基石。考察语言的根本性能主要从以下几个

11、方面入手：与汇编语言/机器语言的接口，直接寻址，对硬件的控制，位操纵，中断处理，指针操纵，数据类型的支持及检测，控制构造的支持及检测，模块化支持，独立编译支持，任务构造支持，异常事件处理，数学模型支持，语法和整体构造，多任务支持，标准程序库，面向对象编程OOP构造等。2运行性能语言的运行性能是指其应用软件在实际运行时所表现出来的行为特点，是一门语言的动态特性。它对语言的适用性、实用性及可用性影响极大。主要表如今任务期限设置、代码执行时间的简单评价，调度策略选择，时序分析支持等几个方面。由于语言的运行性能和运行环境亲密相关，如CPU速度、内存大小、硬盘速度、操纵系统、编译环境等。因此，评价语言的

12、运行性能应和详细的应用环境联络起来，任何理论上的评价都没有多大的实际意义。故本文不再讨论这方面的内容。三、常用嵌入式系统高级编程语言根本性能一门语言的根本性能是组成这门语言的根本要素，是决定其性能好坏的关键因素。因此，认真研究语言的根本性能是非常必要的。下面对上述几种流行的嵌入式系统编程语言的根本性能进展简单的分析和比拟7。1与汇编语言和机器代码的接口在Ada语言中，可以通过子程序功能实现对汇编语言及机器代码的访问。标准程序包MACHINE-CODE支持这一功能。在C中，汇编语言可以定义为一个asm模块嵌入在C源代码中，也可以编写成一个独立的外部进程，用功能调用进展通讯。宏Macros也可以用

13、来提供汇编语言操纵。语言本身没有提供这方面的机制，由编译器提供支持。2直接寻址Ada通过SYSTEM包中的Address类寻址绝对地址；C/C+通过指针完成绝对寻址，在C+中也可以通过Peek、Poke操纵完成存储器寻址；Modula-2通过SYSTEM模块支持绝对寻址。3对硬件的访问和控制Ada通过表述从句把Ada代码映射到详细器件；C/C+通过指针完成对硬件的操纵；在Modula-2中器件被标识为具有绝对地址的对象，通过赋值语句访问这些对象。4位操纵Ada详细的位可以在表述从句中指明，多个独立位也可组成一个逻辑字，通过逻辑操纵对它们进展加工处理。位操纵是C的强项，逻辑操纵、移位操纵均可实现

14、位操纵；在C+中，还可以通过定义bitfields构造实现更多的位操纵功能。Modula-2用SET构造处理位操纵。在嵌入式应用中最有用的构造是BITSET，通过它可以方便地实现各种位操纵。5中断处理Ada通过中断处理任务实现中断处理。一个中断任务和一个中断矢量亲密相关，在中断矢量地址处存放中断任务入口地址。C/C+语言本身没有提供标准的中断处理机制，用户可以自行处理。Modula-2通过SYSTEM模块中的IOTRANSFER进程实现中断处理。用户也可以编写自己的中断处理程序。6指针三种语言都提供了较强的指针操纵。7数据类型检测Ada有严格的数据类型检测机制，混合类型是制止的，数据类型的转换

15、是允许的，但有严格的标准。C语言的数据类型检测功能较弱，在数据类型转换时可能会出现错误，C+有改良。Modula-2对数据类型检测严格，不允许不明确的数据类型转换。8程序控制构造Ada提供了一整套严格的程序控制构造以支持分支、循环等功能，也支持无条件转移；C/C+提供了分支、循环等控制构造，方便灵敏，但在使用时应留意防止不平安因素；Modula-2在分支、循环控制方面是很严格的，但在使用CASE-ELSE构造时应留意，在无条件转移时，用EXIT跳出循环，用RETURN完毕进程，使用时应多加小心。9模块构造与独立编译Ada程序的根本单元是subprogram、package、task和gener

16、ic，而编译的根本单元是subprogram和package，所有程序单元都可以独立编译，类型检查严格，没有公用数据区。C程序的根本单元是function，外部变量是全局变量，内部变量是部分变量；C+程序是假设干编译文件的集合，每个文件可以定义class、function全局变量等类型，每个文件可以独立编译。Modula-2的主程序由假设干程序模块和库模块组成，程序模块是程序单元的最高层，各模块可独立编译。10异常事件处理Ada提供了一个综合错误处理机制，用于处理由于语言本身和用户自己引起的异常事件；C/C+语言没有提供直接的异常事件处理机制，需由用户自己处理，C+V3.0提供直接的异常事件处

17、理功能；PIMModula-2不提供异常事件处理功能，但也有一些其它编译系统提供运行错误检测和处理机制。11任务task构造支持task是Ada程序标准的组成模块，是该语言重要的和不可分割的组成局部；C中没有独立的task构造，但可以通过function实现；在C+中可以通过classes实现；Modula-2中没有独立的task构造，可以用PROC构造实现。12数学模型支持Ada提供了较好的数学模型支持，无论在何种微处理器上运行，其程序行为都会受到严格检查；C/C+支持定点、浮点运算。但数学模型并不完善，轻易引起一些无定义的行为，如被0除或者上下溢出等；PIMModula-2的数学模型与运行

18、环境有联络，新标准在改良。13语法与构造Ada英语式构造及语法，程序易读易懂；C/C+是一种简洁terse语言，程序比拟难读，C+更难读；Modula-2语言构造定义明确，程序轻易浏览。14多任务支持多任务支持是Ada语言的一大特点，是其不可分割的组成局部；C/C+不支持多任务；Modula-2通过Coroutines等机制支持多任务。15标准库Ada有丰富的根本功能库；C/C+有非常丰富的库程序，但在应用中应当留意兼容性；Modula-2有比拟丰富的库程序，但也应留意兼容性。16OOP构造支持Ada83就是一个OOP语言，Ada95又有增强；C不支持OOP，C+具有较强的OOP功能；Modu

19、la-2不支持OOP，Modula-3支持OOP。四、关于JavaJava语言是SunMicrosystems公司于1995年在Internet上发布的面向对象的程序设计语言。其主要研制人是Gosling。他的目的是设计一个可以运行于规模宏大、地域分布、体系异构的网络环境中的语言系统，完成多个电子设备之间的通讯与协同工作。Gosling在设计中采用了虚拟机器码virtualmachinecode方式，即Java语言编译后产生的是虚拟机，虚拟机运行在一个解释器上，解释器用来解释Java编译器编译后的程序。这使得Java成为一个与平台无关的计算机语言，即Java应用程序不用修改即可在不同的软硬件平

20、台上运行。进而实现了一次编程，到处可用Writeonce,Runanywhere，使得Java语言很快风行全球，甚至有人讲是一场革命8。1Java的特点Java语言是一种网络语言，但它又不仅仅局限于此。近两年Java语言开展迅速，在很多领域得到广泛使用。这讲明Java确实具有鲜明的特色。首先，Java是简单的。它删除了一些高级语言不是绝对必要的东西，如运算符重载、标题文件、指针运算、隐式类型转换、多重继承等，并通过自动垃圾采集功能大大简化了程序设计者的内存治理工作，使程序设计变得简单。第二，Java是面向对象的。Java语言的设计集中于对象及其接口，它提供了简单的类机制及动态的接口模型。对象中

21、封装了它的状态变量及相应的方法，实现了模块化和信息隐藏；而类那么提供了一类对象的原型，并通过继承机制使子类可以使用父类的方法，实当代码重用。第三，Java的体系构造是中立的。一般来讲，网络是由不同构造的机器构成，CPU和作业构造均有不同。让应用程序在不同构造的机器上运行是一件困难的事；但Java编译器能产生一种构造中立的目的文件格式，使编译码可以在不同的处理器上运行。第四，Java是健全的。Java在编译和运行程序时都要对可能出现的问题进展检查，以防止错误的产生。当程序出现例外时，Java会把它抛弃，以保证计算机系统不会崩溃。第五，Java是平安的。Java不支持指针操纵，防止了指针操纵带来的

22、种种弊端。Java拥有多个阶层的互锁interlocking保护措施，能有效防止病毒的侵入和破坏行为的发生。字节码验证被Web阅读器用来确保小程序不含病毒。第六，Java是多线程的。Java可以同时执行多个线程，如它可以在进展计算的同时与用户交互对话。通常，编写多线程程序是困难的；但Java提供了轻易使用的同步机制，使程序设计方便轻易。第七，Java是可扩展的。Java的设计使它可以适应不断开展的环境。在类库中可以自由地参加新的方法和实例变量而不影响用户程序的执行，同时，Java通过接口来支持多重继承，使之比严格的类继承具有更灵敏的方式和更大的扩展性。2Java与嵌入式系统Java是网络语言，

23、而嵌入式系统那么在功能、价格、体积、功耗、上市时间等方面有特殊要求。因此Java语言受速度和代码容量的限制，本身并不合适于嵌入式系统的应用。但Sun公司并不愿意放弃这个开展潜力宏大的应用市场，对Java进展改良后发表了J2MEJava2MicroEdition。它是JavaAPI的一个子集，只包含了Java的关键特性，是专门针对对内存具有苛刻要求的嵌入式系统而设计的。J2ME粗略地将应用对象划分为两大类：内存在128KB512KB之间的设备和内存大于512KB的设备，根据不同的种别提供不同的用户接口和软件包。但是由于嵌入式系统的特殊性，一些在Java语言中被以为是特性优异的东西却在嵌入式系统中

24、成了特别棘手的问题。如缺乏指针寻址和运行于Java虚拟机形式中的平安特性都使Java很难对硬件进展直接控制；自动垃圾采集功能使应用失去了实时决策才能，即它不能以可预知、可重复的时间长度来处理一个详细的代码局部。实际上Java在进展垃圾采集时暂停了整个应用程序的执行，因此，开发人员几乎不能控制垃圾采集的时间。令人鼓舞的是这些问题已经或者正在被解决。即时编译just-in-time-compiler程序和预先编译ahead-of-time-compiler程序都可以进步Java代码的执行速度。如NewMonic公司的RealTimeExecutive和WindRiver公司的FastJ都可以在一定

25、程度上保证绝对时间决策应用的开发。另一方面，为可以从硬件上更好地支持Java，很多厂家都致力于Java芯片的开发研制，以充分发挥嵌入式Java小巧灵敏的特点来开拓嵌入式市场。如HP公司正在开发、完善自己的编译工具和Java虚拟机。其目的是要Java嵌入到如打印机、医学监视器、自动取款机等设备中，使设备具有一定的智能，增加设备的可治理性和可用性，大大进步设备的工作效率。Sun公司声称将在J2ME中以Profile的形式为每个领域规定API组件。JavaTV就是其中面向双向数码电视的API组件。Sun表示，JavaTV技术将提供双向电视所需的根本环境、平安性、扩展性及可携带性。通过JavaTV技术

26、，开发人员可以开发出更加富有吸引力的信息内容和效劳。Sun还公布，将和通用汽车公司达成合作伙伴关系，共同致力于汽车工业Java标准确实立。一旦Java成为汽车工业的电脑标准语言，Java将增加数百万用户。在过去的一年里，J2ME在无线通讯领域得到了充分的重视和广泛的应用。由于J2ME中包含了可以在大多数消费者的设备中运行的Java虚拟机、专用的API函数库和用于开发和设置的工具。因此，手机消费商纷纷推出可以上网的手机供用户选用。在控制系统中，Java可以使所有操纵在由标准Web阅读器提供的面板上完成。这些控制面板就是JavaApplet。Web阅读器可以用来监视或者设置系统。这些监视和设置操纵

27、均可以通过网络远程进展，这使得系统更加轻易治理，十分是那些设置在危险的、遥远的或者不易接近地区的设备尤其需要Java的参与。Java不仅是一门语言，更是一种思想。它将使软件开发在设计风格、设计方法、设计目的、设计经过等方面发生根本性变化。它将成为软件再实现的根底，将来OS的核心，各种应用软件的开发平台和实现环境。但Java并不是万能的，它有自己的应用范围，在网络治理、网络应用、面向对象的应用、可视化操纵、交互式应用领域Java是优秀的；但在实时控制领域，如火箭控制、传感器控制、宇宙飞行器的方位控制等方面C或者汇编语言仍然是最正确选择。近年来计算机语言开展很快。新的语言不断产生；流行语言不断改良

28、，逐步完善；不适用的语言逐步被淘汰。计算机语言的开展呈现出活力勃勃的景象。随着嵌入式技术的开展，嵌入式系统高级编程语言倍受重视，逐步形成了百花齐放，百家争鸣的场面。将来的嵌入式系统编程语言谁主潮流，如今还很难预测。Ada语言定义严格，易读易懂，有较丰富的库程序支持，目前在国防、航空、航天等相关领域应用比拟广泛，将来仍将在这些领域占有重要地位。C语言具有广泛的库程序支持，目前在嵌入式系统中是应用最广泛的编程语言，将来仍将在嵌入式系统应用领域占重要地位。C+在PC机系统和工作站系统中都是重要的编程语言。VisualC+将在图形用户接口GUI方面有较大作用。但C+的目的代码往往比拟庞大和复杂，在嵌入

29、式系统应用中应充分考虑这一因素。Modula-2定义明晰，支持丰富，具有较好的模块化构造，在教学科研方面有较广泛的应用。固然该语言的开发应用一直比拟平缓，但近两年在欧洲有所复苏。Java语言相对年轻，但开展势头强劲。它的一次编程，到处可用的特性使得它在很多领域倍受欢送。随着网络技术和嵌入式技术的不断开展，Java及嵌入式Java的应用也将越来越广泛。从运行特性来讲，Ada语言具有较好的运行行为。由于它和运行环境联络较少，语言本身定义严格，因此其运行行为是比拟出色的。C/C+语言程序的运行行为和硬件环境及编译系统有较大联络，因此，可能会产生较多意想不到的问题。在某个环境下运行的程序换个机器或者换

30、个编译系统就可能会产生错误。因此，无论是C还是C+都有几页无定义行为的讲明。Modula-2也有比拟好的运行行为，且仍在改良。Java语言采用虚拟机技术，使得其应用程序的运行与详细的应用平台无关，因此，具有良好的运行特性。固然我们仅仅讨论了Ada、C/C+、Modula-2三种语言的根本特性，对Java语言做了扼要介绍。但这足以提示我们在嵌入式系统开发应用中，应高度重视高级语言在嵌入式系统编程中的上风所在，并应公道地选择、研究、开发、应用合适自己的嵌入式系统高级编程语言。这不仅是将来嵌入式系统开发应用的开展方向，而且对我国的嵌入式技术开展意义重大。MES1KernebeckU.Componen

31、tlibrariesforsoftwarere-use.MicroprocessorsandMicrosystems,1997，211:49542HillAD.Thechoiceofprogramminglanguagesforhighlyreliablesoftware-acomparisonofCandAda.Adauser,19913:111033ada-usa/about-ada-page./4StroustrupB.TheC+programminglanguage.3rdedn,ReadingMA:Addison-Wesly,19975KHHa.Clanguageforfinitee

32、lementprogramming.Comput.Struct,1990,374:8738806WirthW.Programminginmodula-2.Springer-verlag,Berlin,4thedn,19887CoolingJE.Languagesfortheprogrammingofreal-timeembeddedsystems-asurveyandcomparison.MicroprocessorsandMicrosystems,1996,201:67778computerworldsearch/theme/themefile.asp?themeID=327/9FazioP,GowriK.StructuralAnalysisSoftwareandCProgrammingLanguage.ComputStruct,1987,252:4630