PICC編譯環(huán)境編寫PIC單片機(jī)程序的探討
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Microchip公司沒(méi)有針對(duì)中低檔系列PIC單片機(jī)的C語(yǔ)言編譯器，但很多專業(yè)的第三方公司提供眾多支持PIC單片機(jī)的C語(yǔ)言編譯器，常見的有Hitech、CCS、IAR以及Bytecraft等公司。Hitech公司的PICC編譯器穩(wěn)定可靠，編譯生成的代碼效率高，在用PIC單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的工程師群體中得到廣泛認(rèn)可。因此，本文主要以Hi—Tech PICC為基礎(chǔ)，介紹PIC的C語(yǔ)言的基本特點(diǎn)。
1 HiTech PICC語(yǔ)言的特點(diǎn)
PICC基本上符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)，但是不支持函數(shù)的遞歸調(diào)用，其主要原因是PIC單片機(jī)特殊的堆棧結(jié)構(gòu)。PIC單片機(jī)中的堆棧是硬件實(shí)現(xiàn)的，其深度已隨芯片固定，無(wú)法實(shí)現(xiàn)需要大量堆棧操作的遞歸算法；另外在PIC單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)軟件堆棧的效率也不是很高。為此，PICC編譯器采用一種“靜態(tài)覆蓋”技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)C語(yǔ)言函數(shù)中的局部變量分配固定的地址空間。經(jīng)這樣處理后產(chǎn)生出的機(jī)器代碼效率很高。當(dāng)代碼量超過(guò)4 KB后，C語(yǔ)言編譯出的代碼長(zhǎng)度與全部用匯編代碼實(shí)現(xiàn)的差別已經(jīng)不是很大(<10％)，當(dāng)然前提是在整個(gè)C代碼編寫過(guò)程中需時(shí)時(shí)注意所編寫語(yǔ)句的效率。
2 PICC中的變量
PICC中的變量類型和標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言一樣，這里不再重復(fù)。為了使編譯器產(chǎn)生最高效的機(jī)器碼，PICC把單片機(jī)中數(shù)據(jù)寄存器的bank交由編程員自己管理，因此在定義用戶變量時(shí)必須自己決定這些變量具體放在哪一個(gè)bank中。如果沒(méi)有特別指明，所定義的變量將被定位在13ank（）。定義在其他bank內(nèi)的變量前面必須加上相應(yīng)的baruk序號(hào)，例如：
bankl lresigned char temp； ／／變量定位在bankl中
中檔系列PIC單片機(jī)數(shù)據(jù)寄存器的一個(gè)bank大小為128 B，除前面若干字節(jié)的特殊功能寄存器區(qū)域，在C語(yǔ)言中某一bank內(nèi)定義的變量字節(jié)總數(shù)不能超過(guò)可用RAM字節(jié)數(shù)。如果超過(guò)bank容量，在最后連接時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)，大致信息如下：
鏈接器提示，總共有Oxl2c(300)字節(jié)準(zhǔn)備放到bankl中，但bankl容量不夠。雖然變量所在的bank定位必須由編程員自己決定，但編寫源程序時(shí)在進(jìn)行變量存取操作前無(wú)需再特意編寫設(shè)定bank的指令。C編譯器會(huì)根據(jù)所操作的對(duì)象自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)bank設(shè)定的匯編指令。為避免頻繁的bank切換以提高代碼效率，盡量把實(shí)現(xiàn)同一任務(wù)的變量定位在同一個(gè)bank內(nèi)；對(duì)不同bank內(nèi)的變量進(jìn)行讀寫操作時(shí)也盡量把位于相同bank內(nèi)的變量歸并在一起進(jìn)行連續(xù)操作。
bit型位變量只能是全局的或靜態(tài)的。PICC將把定位在同一bank內(nèi)的8個(gè)位變量合并成一個(gè)字節(jié)存放于一個(gè)固定地址。PICC對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間實(shí)行位編址，Ox000單元第O位位地址是0x0000，以此類推，每個(gè)字節(jié)有8個(gè)位地址。如果一個(gè)位變量flagl被編址為Oxl23，那么實(shí)際的存儲(chǔ)空間位于：
即flagl位變量位于地址為0x24字節(jié)的第3位。在程序調(diào)試時(shí)如果要觀察flagl的變化，必須觀察地址為Ox24的字節(jié)而不是0x123。PICC在編譯原代碼時(shí)只要有可能，對(duì)普通變量的操作也將以最簡(jiǎn)單的位操作指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。假設(shè)一個(gè)字節(jié)變量tmp最后被定位在地址Ox20，那么tmp |=Ox80=>bsf Ox20．7另外，函數(shù)可以返回一個(gè)位變量，返回的位變量將存放于單片機(jī)的進(jìn)位位中返回。
3 PICC中的指針
3．1 指向RAM的指針
PICC在編譯C源程序時(shí)，將指向RAM的指針操作最終用FSR來(lái)實(shí)現(xiàn)間接尋址。FSR能夠直接連續(xù)尋址的范圍是256 B，所以一個(gè)指針可以同時(shí)覆蓋2個(gè)bank的存儲(chǔ)區(qū)域(bankO／1或1aank2／3，一個(gè)bank區(qū)域是128 B)。要覆蓋最大512 B的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，在定義指針時(shí)必須明確指定該指針適用的尋址區(qū)域。例如：
3．2 指向ROM常數(shù)的指針
如果一組變量是已經(jīng)被定義在ROM區(qū)的常數(shù)，那么指向其的指針可以這樣定義：
3．3 指向函數(shù)的指針
因?yàn)樵赑IC單片機(jī)這一特定的架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)函數(shù)指針調(diào)用的效率不高，因此，除非特殊算法的需要，建議大家盡量不要使用函數(shù)指針。
4 PICC中的子程序和函數(shù)
中檔系列的PIC單片機(jī)程序空間有分頁(yè)的概念，但用C語(yǔ)言編程時(shí)基本不用過(guò)多關(guān)心代碼的分頁(yè)問(wèn)題。因?yàn)樗泻瘮?shù)或子程序調(diào)用時(shí)的頁(yè)面設(shè)定(如果代碼超過(guò)一個(gè)頁(yè)面)都由編譯器自動(dòng)生成的指令實(shí)現(xiàn)。
4．1 函數(shù)的代碼長(zhǎng)度限制
PICC決定了C源程序中的一個(gè)函數(shù)經(jīng)編譯后生成的機(jī)器碼一定會(huì)放在同一個(gè)程序頁(yè)面內(nèi)。中檔系列PIC單片機(jī)的一個(gè)程序頁(yè)面的長(zhǎng)度是2 KB，用C語(yǔ)言編寫的任何一個(gè)函數(shù)最后生成的代碼不能超過(guò)2 KB。如果為實(shí)現(xiàn)特定的功能確實(shí)要連續(xù)編寫很長(zhǎng)的程序，這時(shí)就必須把這些連續(xù)的代碼拆分成若干函數(shù)，以保證每個(gè)函數(shù)最后編譯出的代碼不超過(guò)一個(gè)頁(yè)面空間。
4．2 調(diào)用層次的控制
PIC單片機(jī)采用硬件堆棧，所以編程時(shí)函數(shù)的調(diào)用層次會(huì)受到一定限制。一般PIC系列的中檔單片機(jī)硬件堆棧深度為8級(jí)。程序員必須自己控制子程序調(diào)用時(shí)的嵌套深度以符合這一限制要求。PICC在最后編譯鏈接成功后可以生成一個(gè)鏈接定位映射文件(*．map)，在此文件中有詳細(xì)的函數(shù)調(diào)用嵌套指示圖“call graph”，有些函數(shù)調(diào)用是編譯時(shí)自動(dòng)加入的庫(kù)函數(shù)，這些函數(shù)調(diào)用從C源程序中無(wú)法直接看出，但在嵌套指示圖上則一目了然。
5 C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程
單片機(jī)的一些特殊指令操作在標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言語(yǔ)法中沒(méi)有直接對(duì)應(yīng)的描述，例如PIC單片機(jī)的清看門狗指令“clrwdt”和休眠指令“sleep”；單片機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是控制的實(shí)時(shí)性，為了實(shí)現(xiàn)這一要求，有時(shí)必須用匯編指令實(shí)現(xiàn)部分代碼以提高程序運(yùn)行的效率。在C程序中嵌入?yún)R編指令有2種方法。
①如果只需要嵌入少量幾條匯編指令，PICC提供了一個(gè)類似于函數(shù)的語(yǔ)句：
asm(“clrwdt”)：
這是在C源程序中直接嵌入?yún)R編指令的最直接最容易的方法。
②如果需要編寫一段連續(xù)的匯編指令，PICC支持另外的一種語(yǔ)法描述：用“#asm”來(lái)開始匯編指令段，用
5．1 匯編指令尋址C語(yǔ)言定義的全局變量
所有C語(yǔ)言中定義的符號(hào)在編譯后將自動(dòng)在前面添加下劃線“一”。因此，若要在匯編指令中尋址C語(yǔ)言定義的各類變量，一定要在變量前加上“一”符號(hào)，例如上例中的count是在C語(yǔ)言中定義的無(wú)符號(hào)全局變量，在匯編語(yǔ)言中只需在其前面加上“一”符號(hào)就可進(jìn)行訪問(wèn)了。另外，對(duì)于C語(yǔ)言中定義的多字節(jié)全局變量，例如C語(yǔ)言中的如下定義：
5．2 匯編指令尋址C函數(shù)的局部變量
前面已經(jīng)提到，PICC對(duì)自動(dòng)型局部變量(包括函數(shù)調(diào)用時(shí)的入口參數(shù))采用一種“靜態(tài)覆蓋”技術(shù)，對(duì)每一個(gè)變量確定一個(gè)固定地址(位于bankO)，嵌入的匯編指令對(duì)其尋址時(shí)只需采用數(shù)據(jù)寄存器的直接尋址方式即可，因此關(guān)鍵是要知道這些局部變量的尋址符號(hào)。建議讀者先編寫一小段C代碼，其中有最簡(jiǎn)單的局部變量操作指令，把此源代碼編譯成對(duì)應(yīng)的PICC匯編指令；查看C編譯器生成的匯編指令是如何尋址這些局部變量的，自己編寫的行內(nèi)匯編指令就采用同樣的尋址方式。
相對(duì)于匯編語(yǔ)言，用C語(yǔ)言編程的優(yōu)勢(shì)是毋庸置疑的：開發(fā)效率大大提高、人性化的語(yǔ)句指令及模塊化的程序易于日常管理和維護(hù)、程序在不同平臺(tái)間移植方便。所以既然使用C語(yǔ)言編程，就應(yīng)該盡量避免嵌入?yún)R編指令或編寫匯編指令模塊文件。例如：
變量的循環(huán)右移操作用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)非常不方便，PIC單片機(jī)已有對(duì)應(yīng)的移位操作匯編指令，因此用嵌入?yún)R編的形式實(shí)現(xiàn)效率最高。對(duì)移位次數(shù)的控制，實(shí)際上變量countl的遞減判零也可以直接用匯編指令實(shí)現(xiàn)，這樣可節(jié)約代碼，但用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言描述更直觀、更易于維護(hù)。
6 注意事項(xiàng)
①既然所有的局部變量將占用bankO的存儲(chǔ)空間，因此用戶自己定位在bankO內(nèi)的變量字節(jié)數(shù)將受到一定的限制，在實(shí)際使用時(shí)需注意。
②當(dāng)程序中把非位變量進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換成位變量時(shí)，要注意編譯器只對(duì)普通變量的最低位做判別：若最低位是0，則轉(zhuǎn)換成位變量O；若最低位是1，則轉(zhuǎn)換成位變量1。
③由于PIC系列單片機(jī)的內(nèi)部資源十分有限，所以在允許的條件下應(yīng)盡量使用無(wú)符號(hào)字符型變量，以節(jié)約空間。
④PICC對(duì)絕對(duì)定位的變量不保留地址空間，例如：
所以請(qǐng)讀者慎用。
⑤盡量使用全局變量進(jìn)行參數(shù)傳遞，使用全局變量最大的好處是尋址直觀，只需在C語(yǔ)言定義的變量名前增加一個(gè)下劃線符即可在匯編語(yǔ)句中尋址；使用全局變量進(jìn)行參數(shù)傳遞的效率也比形參高。
⑥對(duì)于多字節(jié)變量(如int型、float型變量等)PICC遵循Little endian標(biāo)準(zhǔn)，即低字節(jié)放在存儲(chǔ)空間的低地址，高字節(jié)放在高地址，編程時(shí)需注意。
結(jié) 語(yǔ)
一般C語(yǔ)言產(chǎn)生的代碼是比較繁瑣的，所以要寫出高質(zhì)量、實(shí)用的C語(yǔ)言程序，就必須對(duì)單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)和硬件資源作詳盡的了解。用C語(yǔ)言開發(fā)PIC系列單片機(jī)系統(tǒng)軟件具有編寫代碼效率高、軟件調(diào)試直觀、維護(hù)升級(jí)方便、代碼的重復(fù)利用率高、便于跨平臺(tái)的代碼移植等優(yōu)點(diǎn)，因此C語(yǔ)言編程在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。
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