Principle and Interface Technology of Single Chip Microcomputer IV

2020-03-25

这里是单片微型计算机原理及接口技术的第四章知识点

单片机C语言程序设计

51汇编语言能直接操作单片机的系统硬件，指令执行速度快，代码效率高。但其程序可读性差，且编写、移植困难。

KEIL C51是为51系列单片机设计的一种C语言，其特点：

结构化语言，代码紧凑——效率可与汇编语言媲美
接近真实语言，程序可读性强——易于调试、维护
库函数丰富，编程工作量小——产品开发周期短
机器级控制能力，功能很强——适合于嵌入式系统开发
与汇编指令无关，易于掌握——在单片机基础上上手快
Keil C51编译器功能强大，界面友好，项目管理方便，深受广大单片机工程师喜爱
C51语言已成为51系列单片机程序开发的主流软件方法。

C51的程序结构

C51与标准C语言对比
相同之处：语法规则、程序结构、编程方法

举例：LED闪烁控制功能，采用Proteus仿真完成。

LOOP:   CLR  P1.0
        ACALL DEL50
        SETB  P1.0
        SJMP  LOOP
DEL50:  MOV R7,#200
DEL1:   MOV R6,#125
        DJNZ R6,$
        DJNZ R7,DEL1
        RET
        END

简单C51程序：P1.0口接发光二极管，采用软件延时实现亮灭闪烁显示

C51与标准C语言对比: C51是C语言的扩展和补充，能够实现对单片机硬件资源的访问与控制。
不同之处：
数据结构、中断处理、绝对地址访问
学习重点：

    1. 掌握C51的对C语言的扩充部分
    2. 学习C51模块化软件开发方法

C51的对C语言的扩充

1. C51的变量的扩充

在C语言编程中，数值可以发生改变的量称为变量。
例如

变量名与存储单元地址相对应，变量值与存储单元的内容相对应。

在51单片机多存储空间中如何确定变量与地址的关系？

C51变量定义的四要素:

【存储种类】	数据类型	【存储类型】	变量名
（标准C）	（标准C+C51）	（C51特有）	（标准C）

括号项——可以缺省（但需有缺省值）

【存储种类】

存储种类用于说明变量的作用范围：

1、auto（自动型）——变量的作用范围在定义它的函数体或语句块内。执行结束后，变量所占内存即被释放。
2、extern（外部型） ——在一个源文件中被定义为外部型的变量，在其它源文件中需要通过extern说明方可使用。
3、static（静态型） ——利用static可使变量定义所在的函数或语句块执行结束后，其分配的内存单元继续保留。
4、register（寄存器型） ——目前已不推荐使用。

缺省存储种类为auto (自动)型变量

数据类型

数据类型用于表示数据存放格式

标准C语言的数据类型

有符号数类型可以忽略signed标识符

除上述常规格式外，51单片机还有三种新的存储格式：

C51扩充的3种数据类型：bit、sfr或sfr16、sbit

bit型存储格式

关键词bit用于定义一个位变量，语法规则：

bit bit_name  [= 0或1];

例如：

bit door  = 0 ;   
       //定义一个叫door的位变量且初值为0

与标准C的数据类型声明的语法规则是一致的，如：

int int_name [ = 常数];

特别注意： bit型变量不能定义指针或者数组！

sfr或sfr16型存储格式

关键词sfr或sfr16用于定义SFR字节地址变量，语法规则：

sfr   sfr_name = 字节地址常数;
sfr16 sfr_name = 字节地址常数;

例如:

sfr    P0   = 0x80;       //定义P0口地址80H
sfr    PCON = 0x87;       //定义PCON地址87H
sfr16  DPTR = 0x82;       //定义DPTR的低地址82H

sbit型存储格式

关键词sbit用于定义SFR位地址变量

位地址表达形式：绝对位地址、相对位地址

	D0^7	D0^6	D0^5	D0^4	D0^3	D0^2	D0^1	D0^0	相对位地址
PSW	CY	AC	F0	RS1	RS0	0V	F1	P	D0H字节地址
	D7H	D6H	D5H	D4H	D3H	D2H	D1H	D0H	绝对位地址

sbit型可用三种定义形式

1）将SFR的绝对位地址定义为位变量名

sbit  bit_name = 位地址常数;

例如

sbit CY = 0xD7;

2）将SFR的相对位地址定义为位变量名

sbit  bit_name = sfr字节地址 ^ 位位置;

例如

sbit CY = 0xD0^7;

3）将SFR的相对位位置定义位变量名

sbit bit_name =  sfr_name ^ 位位置;

例如

sbit CY = PSW^7;

小结

C51编译器在头文件“REG51.H”中定义了全部sfr/sfr16和sbit变量。用一条预处理命令#include 把这个头文件包含到C51程序中，无需重新定义即可直接使用它们的名称。

STC15系列单片机内部功能模块增加，相应的特殊功能寄存器也进行了扩充，具体定义可以参考STC公司提供的stc15.h。

编程举例

【存储类型】

存储类型体现了变量的存放区域。51系列单片机共有6个存储类型（分布在3个逻辑存储空间中）。

不同存储类型的特点

存储类型	存储空间位置	说明	编译模式
data	片内低 128 B 存储区	访问速度快，可作为常用变量或者临时性变量存储器	SMALL系统
bdata	片内可位寻址存储区	允许位与字节混合访问	/
idata	片内高 128 B 存储区	只有52系列才有	/
pdata	片外页 RAM	常用于外部设备访问	COMPACT系统
xdata	片外 64KB RAM	常用于存放不常用的变量或等待处理的数据	LARGE系统
code	程序 ROM	常用于存放数据表格等固定信息	/

三种编译模式分别对应于三种缺省存储类型：
约定：若无特殊声明，一般均为“SMALL编译模式”

变量名

变量名可以由字母、数字和下划线三种字符组成，且第一个字符必须为字母或下划线，变量名长度随编译系统而定。

变量名具有字母大小写的敏感性，如SUM和sum代表不同的变量。

强调：头文件中定义的变量都是大写的，若程序采取小写变量则需要重新定义。

变量名不得使用标准C语言和C51语言的关键字。

关键字	用途	说明
_at_	地址定位	为变量进行存储器绝对空间地址定位
alien	函数特性声明	声明与 PL/M-51 编译器的接口
bdata	存储器类型说明	可位寻址的内部数据存储器
bit	位变量声明	声明一个位变量或位函数
code	存储器类型说明	程序存储器
compact	存储模式声明	声明一个紧凑编译存储模式
data	存储器类型说明	直接寻址的内部数据存储器
far	远变量声明	Keil 用 3BYTE 指针来引用它
idata	存储器类型说明	间接寻址的内部数据存储器
interrupt	中断函数声明	定义一个中断服务函数
large	存储模式声明	声明一个大编译存储模式

数据结构定义举例

例1

__ unsigned char data system_status = 0;

__	unsigned char	data	system_status	= 0;
自动型	无符号字符型	位与片内RAM区	变量名为system_status	初值为零

//定义system_status为无符号字符型自动变量，该变量位于data区中且初值为0。

例2

unsigned char bdata status_byte;

//定义status_byte为无符号字符型自动变量，该变量位于bdata区

例3

unsigned int code unit_id[2]={0x1234, 0x89ab};

//定义unit_id[2]为无符号整型自动变量，该变量位于code区中，是长度为2的数组，且初值为0x1234和0x89ab。

例4

static char m, n;

//定义m和n为2个位于data区中的有符号字符型静态变量。

2. C51的指针的扩充

C语言指针的一般定义形式为：

数据类型  *指针变量名 [= &被指向变量名]；

其中，指针变量指向一个由“数据类型”说明的变量。被指向变量和指针变量都位于C编译器默认的内存区中。例如：

int a =’A’;
int *p1= &a;

这表示p1是一个指向int型变量的指针变量，此时p1的值为int型变量a的地址，而a和p1两个变量都位于C编译器默认的内存区中。

对于C51，除了数据类型外，指针定义中还应能说明:

1）指针变量自身位于哪个存储区中？
2）被指向变量位于哪个存储区中？

C51指针的一般定义形式：

数据类型 [存储类型1] * [存储类型2] 变量名  [=&被指向变量名]；

数据类型——被指向变量的类型，如int型或char型
存储类型1——被指向变量所在的存储区，缺省时由地址赋值关系决定
存储类型2——指针变量所在的存储区，缺省时为编译器默认的存储区

例1　若采用SMALL编译模式，试解释下述定义的含义。
　
char xdata a = ‘A’;
char *ptr = &a;

解：ptr是一个指向char型变量的指针，它本身位于SMALL编译模式默认的data存储区里，此时它指向位于xdata存储区里的char型变量a的地址。

例2　试解释下述定义的含义

char xdata a = ‘A’;
char *ptr = &a;
char idata b = ‘B’;
ptr = &b;

解：以char *ptr形式定义的指针变量，既可指向位于xdata存储区的char型变量a的地址，也可指向位于idata存储区的char型变量b的地址（由赋值操作关系决定）。

例3：试解释以下指针定义的含义

char xdata a = ‘A’;
char xdata *ptr = &a;

解：ptr是位于data存储区且固定指向xdata存储区的char型变量的指针变量，此时ptr的值为变量a的地址（不能像例2那样再将idata存储区的char型变量b的地址赋予ptr）。

例4：试解释以下指针定义的含义

char xdata a = ‘A’;
char xdata *idata ptr = &a;

解：ptr是固定指向xdata存储区的char型变量的指针变量，它自身存放在idata存储区中，此时ptr指向位于xdata存储区中的char型变量a的地址。

3.C51的中断处理函数

中断服务函数在C51中的定义格式是统一的：

  void 函数名 （void）interrupt n  using m

这里的interrupt 和using 都是C51增加的关键词：

interrupt 表示该函数是一个中断函数，整数n是与中断源对应的中断号。
using 表示指定第m组工作寄存器存放中断相关数据，m=0~3。若每个中断都指定不同的工作寄存器组，则中断函数调用时就可以不必对相关参数进行现场保护，简化编程。m不指定时默认使用当前工作寄存器组（由PSW中的RS0和RS1位确定）

在C51中使用中断函数时应该注意一下几点：

中断函数既没有返回值也没有调用参数。
中断函数只能由硬件调用，不能被其他函数调用
为提高中断响应的实时性，中断函数应尽量简短。

4.C51中的绝对地址的访问

在C51程序中，经常需要明确指定变量的绝对地址。前面所讲的sfr、sfr16和sbit定义就属于指定绝对地址的变量定义。
实现绝对地址定义方法：

使用宏定义访问绝对地址

定义格式如下：

#include <absacc.h>    
#define 变量名 DBYTE [绝对地址]        //在内部RAM中定义绝对地址字节变量
#define 变量名 DWORD [绝对地址]        //在内部RAM中定义绝对地址字变量
#define 变量名 CBYTE [绝对地址]        //在ROM中定义绝对地址字节变量
#define 变量名 CWORD [绝对地址]        //在ROM中定义绝对地址字变量
#define 变量名 XBYTE [绝对地址]        //在外部RAM中定义绝对地址字节变量
#define 变量名 XWORD [绝对地址]        //在外部RAM中定义绝对地址字变量
#define 变量名 PBYTE [绝对地址]        //在外部RAM中某一页中定义绝对地址字节变量
#define 变量名 PWORD [绝对地址]        //在外部RAM中某一页中定义绝对地址字变量

例4-1 用define定义绝对地址变量

#include <absacc.h>
#define PA8255 XBYTE[0X0000]
#define PB8255 XBYTE[0X0001]
#define PC8255 XBYTE[0X0002]
#define COM8255 XBYTE [0x0003]
COM8255=0x83;        //把控制字写入8255控制寄存器
PA8255=0x0f;         //把数据写入8255的PA口
unsigned char a1,a2;
a1=PB8255;           //把8255PB口的数据写入变量a1
a2=XBYTE[0x0002]     //把外部RAM地址为0002H单元的数据送给变量a2

使用关键字_at_指定绝对地址

格式

[存储器类型]  数据类型  变量名_at_ 地址常数；

例:使用关键字_at_对绝对地址访问

#include <reg52.h>
data  unsigned char x1_at_0x30;   //指定变量x1在内部RAM的30H单元
xdata  unsigned char x2_at_0x3000;
main()
{
    x1=0x0f;
    x2=0xf0;
}

注意：使用_at_定义的变量必须为全局变量!

使用指针访问

例：使用指针实现对绝对地址访问

#include <reg52.h>
xdata  unsigned char  *px ;定义指向符号变量的指针px，位于外部ram区
void main (void )
{
    px  = 0x0003; // 指向0003单元
    *px = 0xFF;   // 外部RAM0003单元置为FFH
    px  = 0x0004;// 指向0004单元
    *px =0xFE;    // 外部RAM0004单元置为FFH
}

C51与汇编语言混合编程

C51语言编程可胜任单片机的基本测量与控制任务。
对于某些特殊的I/O 接口处理、中断处理、强调程序执行速度等场合，仍希望采用汇编程序。
C51 编译器提供了与汇编语言程序的接口规则，可方便地实现C51 与汇编语言程序的相互调用。
本节仅讨论在C51中调用汇编函数和在C51中嵌入汇编代码两种方法。

在C51中调用汇编程序

C51程序中调用汇编语言，需要解决三个问题：
1）程序的寻址，main.c中调用的max函数，如何与汇编文件中的相应代码对应起来；
2）参数传递，main.c中传递给max()函数的参数a和b，存放在何处可使汇编程序能够获取到它们的值；
3）返回值传递，汇编语言计算得到的结果，存放在何处可使C语言程序能够获取到。

举例：在两个数据中选出较大的数据，并赋值给变量c。其中，要求选数任务采用汇编子程序完成。

//以下代码在main.c文件中实现
void max(char a,char b);//由汇编语言实现
main(){
    char a=30,b=40,c;
    c=max(a,b);
}

程序的寻址问题

通过在汇编文件中定义同名的“函数”来实现。

C程序的函数声明	汇编语言的符号名	解释
void func(void)	FUNC	无参数传递或不含寄存器参数的函数名不做改变传入目标文件中，名字只是简单地转换为大写形式
void func(char)	_FUNC	带寄存器参数的函数名转为大写，并且加上 “ _ ” 前缀
void func(void) reentrant	_?FUNC	重入函数须使用前缀“ ? _ ”

void max(char a,char b);//由汇编语言实现
main(){
    char a=30,b=40,c;
    c=max(a,b);
}

参数传递问题

参数类型	char	int	long/float	一般指针
第一个参数	R7	R6,R7	R4,R5,R6,R7	R1,R2,R3
第二个参数	R5	R4,R5	R4,R5,R6,R7	R1,R2,R3
第三个参数	R3	R2,R3	/	R1,R2,R3

void max(char a,char b);//由汇编语言实现
main(){
    char a=30,b=40,c;
    c=max(a,b);
}

返回值传递问题

返回值	寄存器	说明
bit	C	进位标志
(unsigned)char	R7	/
(unsigned)int	R6,R7	高位在R6，低位在R7
(unsigned)long	R4,R5,R6,R7	高位在R4，低位在R7
float	R4,R5,R6,R7	32位IEEE格式，指数和符号位在R7
指针	R1,R2,R3	R3防寄存器类型，高位在R2位，低位在R1位

void max(char a,char b);//由汇编语言实现
main(){
    char a=30,b=40,c;
    c=max(a,b);
}

C51中嵌入汇编代码

程序中需要用到一些简短的汇编指令时，可以通过语句
“# pragma”嵌入汇编代码的办法实现。
实例：

#include<reg51.h>
void main(void){
unsigned char i=0;      //定义变量i
#pragma asm             //嵌入汇编代码
    MOV R0,#0AH
    LOOP:INC A          //累加器循环加一
    DJNZ R0,LOOP
#pragma endasm
i=++ACC;                //输出累加结果
}

说明：
汇编代码必须放在两条预处理命令

    #pragma asm
    #pragma endasm

之间，预处理命令必须用小写字母，汇编代码则大小写不限。
本实例可实现用汇编语句进行累加器A循环加1和将累加结果传递给C51变量的功能。

C51模块化程序设计

C51继承了C语言模块化程序设计的优势，可以将复杂项目分解为多个独立模块，分别进行设计。本节以一个简单项目设计为例，简要介绍C51模块化设计的方法和步骤。

项目要求：如图所示，8个发光二极管接在P2口，共阳极连接。要求实现8个数码管多种花样流水灯显示。

C51单文件编程：所有的代码全部都放在同一个.c 源文件中，解决的问题越多、越复杂则程序越长。

缺点：复杂问题编程时，随着代码量的增加会使得程序的结构混乱、可读性和可移植性变差，调试排错和维护都比较困难，软件的成本随之增大。

解决办法：根据软件工程的模块化编程的原理，采用模块化多文件编程

C51完美支持模块化编程思想：将复杂问题分解成为多个独立功能模块。

KEIL C51 工程管理器：每一个功能模块创建一个xxxx.c文件（源文件）和xxxx.h文件（头文件）

xxxx.h（头文件）：被外部模块调用的函数声明、宏定义和局部变量定义，尽量不用或者少用全局变量。

xxxx.c（源文件）：函数体代码实现函数功能

将所有模块的xxxx.c文件添加到工程，其它函数如果需要使用其中的函数，只需要在其代码段添加#include xxxx.h就可以了。

头文件编写格式：

1.#ifndef __ 文件名_H__
2.#define __ 文件名_H__
 // 此处开始添加代码
void pattern1(void);  //仅需声明
.........
4.#endif

防重复包含处理由条件预编译语句组成。将.h 文件的文件名全部大写，把点“.”替换成一个下划线“_”，然后在首尾各添加2 个下划线“__”。

注意：变量定义也可以放在.C文件中。当本模块需要使用其他模块中定义的变量时也要声明，但前边要加关键字extern！

例程讲解：实现流水灯需要控制IO口和延时，故设置两个模块：

延时模块 : Delay.h+Delay.c
显示模块 : Led.h+Led.c
主控模块 : main.c

程序代码：main.c       8个LED花样闪烁
/* delay实现延时，控制流水灯速度，led实现灯花样显示*/
/* 8个LED接P2，低电平点亮，采用查表指令实现花样闪烁 
#include <reg51.h>            //系统头文件
#include "Delay.h"            //包含延时模块头文件
#include "Led.h"              //包含延时模块头文件
#define u8 unsigned char      //定义数据类型简写形式  
code unsigned char  forPattern1[]={0xFE,0xFD,0xFB,0xF7,0xEF,0xDF,0xBF,0x7F};  
//单灯流水
code unsigned char forPattern2[]={0xFC,0xF9,0xE7,0xCF,0x9F,0x3F}; 
//双灯流水花样
void main(void){
    while(1){
        Pattern1();         //单灯流水显示
        DelayNms(20);       //延时20ms
        Pattern2();         //双灯流水显示
        DelayNms(20);       //延时20ms
    }
}

程序代码：Delay.h
//软件延时程序代码
//软件延时模块函数声明
#ifndef _DELAY_H_
#define _DELAY_H_
void DelayNms(unsigned char N);     //延时N毫秒      N=1~255
void Delay1s(void);
#endif

程序代码：Delay.c
//软件延时程序代码
#include "Delay.h"
void DelayNms(unsigned N){          //延时N毫秒，N=1~255 //@12MHz
    unsigned char i, j;
    do{
        i = 4;
        j = 100;
        while(i--){
            while(j--);
        }
    }while(--N);
}
void Delay1s(void){      //延时1s函数
    unsigned char i=5;
    while(i--){
        DelayNms(10);
    }
}


程序代码：Led.h      ///Led花样显示程序声明
#ifndef _LED_H_
#define _LED_H_
void Pattern1(void);         //第一种花样显示
void Pattern2(void);         //第二种花样显示
#endif

Led.c中变量声明：
extern code unsigned char forPattern1[]; //单灯流水
extern code unsigned char forPattern2[]; //双灯流水
使用关键词extern是因为其定义在main.c中

程序代码：Led.c                  //LED花样显示代码
#include "Delay.h"              //要用到延时函数，因此包含delay模块头文件
#include "Led.h"
#include <reg51.h>              //系统头文件
 extern code unsigned char  forPattern1[];  //单灯流水
 extern code unsigned char  forPattern2[];  //双灯流水
void Pattern1(void){            //延时N毫秒    N=1~255 
                                //@12MHz 示波器测试验证
    unsigned char i;
    for (i=0;i<8;i++){
        P2=forPattern1[i];
        Delay1s();
    }
}
void Pattern2(void){            //延时Nx0.1秒 N=1~255 //@12MHz 示波器测试验证
    unsigned char i;
    for (i=0;i<6;i++){
        P2=forPattern2[i];
        Delay1s();
    }
}

程序编译与运行仿真：
在Keil+Proteus可以实现项目的代码输入、仿真动态调试和全速运行