嵌入式C语言之---模块化编程

当你在一个项目小组做一个相对较复杂的工程时，意味着你不再独自单干。你需要和你的小组成员分工合作，一起完成项目，这就要求小组成员各自负责一部分工程。比如你可能只是负责通讯或者显示这一块。这个时候，你就应该将自己的这一块程序写成一个模块，单独调试，留出接口供其它模块调用。最后，小组成员都将自己负责的模块写完并调试无误后，由项目组长进行组合调试。像这些场合就要求程序必须模块化。模块化的好处是很多的，不仅仅是便于分工，它还有助于程序的调试，有利于程序结构的划分，还能增加程序的可读性和可移植性。

初学者往往搞不懂如何模块化编程,其实它是简单易学,而且又是组织良好程序结构行之有效的方法之一.

本文将先大概讲一下模块化的方法和注意事项，最后将以初学者使用最广的keil c编译器为例，给出模块化编程的详细步骤。

模块化程序设计应该理解以下概述:

（1） 模块即是一个.c 文件和一个.h 文件的结合，头文件(.h)中是对于该模块接口的声明；

这一条概括了模块化的实现方法和实质：将一个功能模块的代码单独编写成一个.c文件,然后把该模块的接口函数放在.h文件中.举例:假如你用到液晶显示，那么你可能会写一个液晶驱动模块，以实现字符、汉字和图像的现实，命名为: led_device.c，该模块的.c文件大体可以写成:

/*************************************************************************
* 液晶驱动模块
*
* 文 件: lcd_device.c
* 编 写 人: 小瓶盖
* 描 述：液晶串行显示驱动模块，提供字符、汉字、和图像的实现接口
* 编写时间: 2009.07.03
* 版 本:1.2
*************************************************************************/
#include …
…
//定义变量
 unsigned char value；//全局变量
…
//定义函数
//这是本模块第一个函数,起到延时作用,只供本模块的函数调用,所以用到static关键字修饰
/********************延时子程序************************/
static void delay (uint us) //delay time
{}
//这是本模块的第二个函数,要在其他模块中调用
/*********************写字符程序**************************
** 功能：向LCD写入字符
** 参数：dat_comm 为1写入的是数据，为0写入的是指令
content 为写入的数字或指令
******************************************************/
void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content)
{}
……
……
/***************************** END Files***********************************/

注：此处只写出这两个函数,第一个延时函数的作用范围是模块内,第二个，它是其它模块需要的。为了简化,此处并没有写出函数体.

.h文件中给出模块的接口.在上面的例子中, 向LCD写入字符函数：wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content)就是一个接口函数,因为其它模块会调用它,那么.h文件中就必须将这个函数声明为外部函数（使用extrun关键字修饰），另一个延时函数：void delay (uint us)只是在本模块中使用（本地函数，用static关键字修饰），因此它是不需要放到.h文件中的。

.h文件格式如下：

/*****************************************************************************
* 液晶驱动模块 头文件
*
* 文 件: lcd_device.h
* 编 写 人: 小瓶盖
* 编写时间: 2010.07.03
* 版 本:1.0
*********************************************************************************/
//声明全局变量
extern unsigned char value；
//声明接口函数
extern void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content); //向LCD写入字符
……
/***************************** END Files***********************************/

这里注意三点:

1. 在keil 编译器中，extern这个关键字即使不声明,编译器也不会报错,且程序运行良好,但不保证使用其它编译器也如此。强烈建议加上，养成良好的编程规范。

2. .c文件中的函数只有其它模块使用时才会出现在.h文件中,像本地延时函数static void delay (uint us)即使出现在.h文件中也是在做无用功,因为其它模块根本不去调用它,实际上也调用不了它(static关键字的限制作用)。

3.注意本句最后一定要加分号”;”,相信有不少同学遇到过这个奇怪的编译器报错: error C132: 'xxxx': not in formal parameter list，这个错误其实是.h的函数声明的最后少了分号的缘故。

模块的应用：假如需要在LCD菜单模块lcd_menu.c中使用液晶驱动模块lcd_device.c中的函数void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content),只需在LCD菜单模块的lcd_menu.c文件中加入液晶驱动模块的头文件lcd_device.h即可.

/***************************************************************************
* 液晶菜单模块
*
* 文 件: lcd_menu.c
* 编 写 人: 小瓶盖
* 说 明：LCD菜单模块，最多实现256级菜单，与硬件无关。
* 编写时间: 2010.07.03
* 版 本:1.0
**************************************************************************/
#include“lcd_device.h //包含液晶驱动程序头文件，之后就可以在该.c文件中调用//lcd_device.h中的全局函数，使用液晶驱动程序里的全局//变量（如果有的话）。
…
//调用向LCD写入字符函数
wr_lcd (0x01,0x30)；
…
//对全局变量赋值
value=0xff；
…

（2） 某模块提供给其它模块调用的外部函数及数据需在.h 中文件中冠以extern 关键字声明；

这句话在上面的例子中已经有体现，即某模块提供给其它模块调用的外部函数和全局变量需在.h 中文件中冠以extern 关键字声明，下面重点说一下全局变量的使用。使用模块化编程的一个难点（相对于新手）就是全局变量的设定，初学者往往很难想通模块与模块公用的变量是如何实现的，常规的做法就是本句提到的，在.h文件中外部数据冠以extern关键字声明。比如上例的变量value就是一个全局变量，若是某个模块也使用这个变量，则和使用外部函数一样，只需在使用的模块.c文件中包含#include“lcd_device.h”即可。

另一种处理模块间全局变量的方法来自于嵌入式操作系统uCOS-II，这个操作系统处理全局变量的方法比较特殊，也比较难以理解，但学会之后妙用无穷，这个方法只需用在头文件中定义一次。方法为：

在定义所有全局变量（uCOS-II将所有全局变量定义在一个.h文件内）的.h头文件中：

#ifdef xxx_GLOBALS
#define xxx_EXT
#else
#define xxx_EXT extern
#endif

.H 文件中每个全局变量都加上了xxx_EXT的前缀。xxx 代表模块的名字。

该模块的.C文件中有以下定义：

#define xxx_GLOBALS
#include "includes.h"

当编译器处理.C文件时，它强制xxx_EXT（在相应.H文件中可以找到）为空，（因为xxx_GLOBALS已经定义）。所以编译器给每个全局变量分配内存空间，而当编译器处理其他.C 文件时，xxx_GLOBAL没有定义，xxx_EXT 被定义为extern，这样用户就可以调用外部全局变量。为了说明这个概念，可以参见uC/OS_II.H,其中包括以下定义：

#ifdef OS_GLOBALS
#define OS_EXT
#else
#define OS_EXT extern
#endif
OS_EXT INT32U OSIdleCtr;
OS_EXT INT32U OSIdleCtrRun;
OS_EXT INT32U OSIdleCtrMax;

同时，uCOS_II.H 有中以下定义：

#define OS_GLOBALS

#include “includes.h”

当编译器处理uCOS_II.C 时，它使得头文件变成如下所示，因为OS_EXT 被设置为空。

INT32U OSIdleCtr;

INT32U OSIdleCtrRun;

INT32U OSIdleCtrMax;

这样编译器就会将这些全局变量分配在内存中。当编译器处理其他.C 文件时，头文件变成了如下的样子，因为OS_GLOBAL没有定义，所以OS_EXT 被定义为extern。

extern INT32U OSIdleCtr;

extern INT32U OSIdleCtrRun;

extern INT32U OSIdleCtrMax;

在这种情况下，不产生内存分配，而任何 .C文件都可以使用这些变量。这样的就只需在 .H文件中定义一次就可以了。

（3） 模块内的函数和全局变量需在.c 文件开头冠以static 关键字声明；

这句话主要讲述了关键字static的作用。Static是一个相当重要的关键字，他能对函数和变量做一些约束，而且可以传递一些信息。比如上例在LCD驱动模块.c文件中定义的延时函数static void delay (uint us)，这个函数冠以static修饰，一方面是限定了函数的作用范围只是在本模块中起作用，另一方面也给人传达这样的信息：该函数不会被其他模块调用。下面详细说一下这个关键字的作用，在C 语言中，关键字static 有三个明显的作用：

1.在函数体，一个被声明为静态的变量在这一函数被调用过程中维持其值不变。

2.在模块内（但在函数体外），一个被声明为静态的变量可以被模块内所用函数访问，但不能被模块外其它函数访问。它是一个本地的全局变

量。

3.在模块内，一个被声明为静态的函数只可被这一模块内的其它函数调用。那就是，这个函数被限制在声明它的模块的本地范围内使用。

前两个都比较容易理解，最后一个作用就是刚刚举例中提到的延时函数（static void delay (uint us)），本地化函数是有相当好的作用的。

（4） 永远不要在.h 文件中定义变量！

呵呵，似乎有点危言耸听的感觉，但我想也不会有多少人会在.h文件中定义变量的。

比较一下代码：

代码一：

/*module1.h*/
; /* 在模块1 的.h 文件中定义int a */
/*module1 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块1 中包含模块1 的.h 文件 */
/*module2 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块2 中包含模块1 的.h 文件 */
/*module3 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块3 中包含模块1 的.h 文件 */

以上程序的结果是在模块1、2、3 中都定义了整型变量a，a 在不同的模块中对应不同的地址元，这个世界上从来不需要这样的程序。正确的做法是：

代码二：

/*module1.h*/
extern int a; /* 在模块1 的.h 文件中声明int a */
/*module1 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块1 中包含模块1 的.h 文件 */
; /* 在模块1 的.c 文件中定义int a */
/*module2 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块2 中包含模块1 的.h 文件 */
/*module3 .c*/
#include "module1.h" /* 在模块3 中包含模块1 的.h 文件 */

这样如果模块1、2、3 操作a 的话，对应的是同一片内存单元。

注：

一个嵌入式系统通常包括两类（注意是两类，不是两个）模块：

（1）硬件驱动模块，一种特定硬件对应一个模块；

（2）软件功能模块，其模块的划分应满足低偶合、高内聚的要求。

下面以keil C 编译器为例，讲一下模块化编程的步骤。

下面这个程序分为三层，共7个模块，共同为主程序服务（它们之间也会相互调用）。

程序的结构图如下所示：

程序主要模块和功能简介:

一. 底层驱动

1. 红外键盘:程序通过红外键盘进行操作。红外键盘独占定时器0和外部中断0，以实现红外解码和键盘键值的识别。红外键盘定义了五个按键，分别为上翻、下翻、左翻、右翻和确认键。

2. LCD液晶显示：程序主要通过LCD显示信息，LCD液晶显示驱动提供显示汉字、图形和ASCII码的函数接口。可以全屏、单行显示汉字，任意位置显示ASCII码，还可以全屏、半屏显示图形。

二. 功能模块

1. LCD菜单程序：菜单程序可以使人机交互更加方便、容易。本菜单程序的菜单级别深度受RAM大小的限制，每增加一级菜单将多消耗4字节的RAM。菜单程序主要完成菜单功能函数的调度，LCD显示刷新。

2. 计算器程序：实现65536以内的加、减、乘、除，超出范围会出现溢出，溢出发生时，LCD显示“错误：出现溢出”的错误提示，同时本次运算被忽略。对于负数会显示“-”号，除数为零时LCD显示“错误：除数为零”的错误提示。

3. 开机次数记忆程序:主要对基于IIC总线的EEPROM进行读写,单片机每次上电后,将开机次数写入EEPROM.

4. 串口测试程序:进入该程序后,单片机向电脑发送字符串“Hello Word！”，发送数字24（以字符的形式显示）。编写此程序的目的是为了能够方便的向电脑发送字符串和变量，便于程序的调试。串口占用串口资源，与频率测量程序共享定时器1

5. 频率测量:复用定时器1，占用外部中断1，实现5~20KHZ频率的测量.

三. 主程序

主程序主要完成程序的初始化，LCD菜单显示，监视键盘程序并根据键值更新菜单。

步骤为：

1.新建工程。

2.点击File—New（或者点击快捷图标：），新建一个文档。

3.点击File—Save（或者点击快捷图标：），保存新建的文档，在文件名后填写LCD_device.c（液晶驱动模块: LCD_device，提供显示汉字、字符和图像的接口），点击确定。

在该文档内编写LCD驱动程序。

4. 点击File—New（或者点击快捷图标：），再新建一个文档。

5. 点击File—Save（或者点击快捷图标：），保存新建的文档，在文件名后填写LCD_device.h（液晶驱动模块的头文件，模块的接口和全局变量在这里声明（感谢网友杨康佳指正这里的错误，原文将“声明”写成了“定义”，头文件一般用来声明变量和接口的））。点击确定。在该文档中整理全局变量和接口函数。以上步骤之后的效果见下图：

至此，液晶驱动模块书写完毕，可以对这个模块单独的调试。

6.重复以上步骤2~5，定义 红外键盘模块：key.c与key.h

菜单模块：menu.c与menu.h

串口通信模块：uart_.c与uart.h

计算器模块：counter.c与counter.h

频率测量模块:mea_fre.c与mea_fre.h

开机次数记忆模块:eepram.c与eepram.h

7.重复以上步骤2~3，定义主程序main.c

最终效果如下图所示：

完成1~7个步骤后，有些小白就习惯性的点击编译按钮了，这时候会出现两个警告信息：

*** WARNING L1: UNRESOLVED EXTERNAL SYMBOL

*** WARNING L2: REFERENCE MADE TO UNRESOLVED EXTERNAL

这是因为你只是编写好了程序模块，却没有把他们加入到工程的缘故。

解决方法：在Project Workspace框中，右击Source group 1文件夹，选择Add Files to Group‘Source Group 1’，在弹出的对话框中添加你的.c文件即可。

遥想很久很久以前，我也对上面的两个警告有过亲身体会。那时候我还在大学，周围有一大群的好哥们. 现在…想起来只剩唏嘘！！！