作為一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計語言，C語言的特點就是可以使你盡量少地對硬件進行操作，具有很強的功能性、結(jié)構(gòu)性和可移植性，常常被優(yōu)選作為單片機系統(tǒng)的編程語言。但是基于單片機的C語言和標準C語言有很大區(qū)別，如何結(jié)合單片機的系統(tǒng)資源，用C語言開發(fā)符合實際工程需要的單片機系統(tǒng)，對用編程者來說具有十分重要的意義。
1 單片機C語言主要特點
用C 編寫程序比匯編更符合人們的思考習(xí)慣，開發(fā)者可以擺脫與硬件無必要的接觸，更專心的考慮功能和算法而不是考慮一些細節(jié)問題，這樣就減少了開發(fā)和調(diào)試的時間。C語言具有良好的程序結(jié)構(gòu),適用于模塊化程序設(shè)計，因此采用C語言設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)程序時，首先要盡可能地采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法，將功能模塊化，由不同的模塊完成不同的功能[1]，這樣可使整個應(yīng)用系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)清晰，易于調(diào)試和維護。不同的功能模塊，分別指定相應(yīng)的入口參數(shù)和出口參數(shù)，對于一些要重復(fù)調(diào)用的程序一般把其編成函數(shù)，這樣可以減少程序代碼的長度，又便于整個程序的管理，還可增強可讀性和移植性。
在實際單片機程序設(shè)計中，程序結(jié)構(gòu)一般均采用如下結(jié)構(gòu)：
#include<reg51.h> /*頭文件說明部份*/
unsigned char x1，x2； /*全局變量聲明部份*/
…Function1(… ){ /*功能函數(shù)定義部份*/
…… }
main() {
inti,j; /* 整型變量聲明部份*/
Function1(…); /* 功能函數(shù)說明部份*/
……}
2 單片機C語言與標準C語言的區(qū)別
由于現(xiàn)在越來越多的產(chǎn)品都采用單片機開發(fā)，所完成的計算和控制工作也日趨復(fù)雜，但是單片機系統(tǒng)是一種資源十分有限的系統(tǒng)，這主要表現(xiàn)在程序存儲器資源的不足，因此在程序設(shè)計時如何使用好這些有限的資源就顯得十分重要。用C語言編程雖然具有許多的優(yōu)點，但是生成的代碼相對要長，要是編程技術(shù)不好，生成的代碼甚至有可能比匯編語言生成的代碼長幾倍，因此對編程者來說，應(yīng)該注意到單片機C語言和一般意義上的標準C語言的區(qū)別，對程序進行適當?shù)膬?yōu)化。
2.1 數(shù)據(jù)類型的選用
單片機C語言編程不同于一般的C語言編程的顯著的一個特點，就是要和程序存儲器資源結(jié)合起來，雖然其提供的數(shù)據(jù)據(jù)類型十分豐富，但是只有bit和char 等數(shù)據(jù)類型是是機器語言直接支持的數(shù)據(jù)類型，用此類數(shù)據(jù)類型的語句所生成的代碼較短；而其它的數(shù)據(jù)類型如整型、浮點型等數(shù)據(jù)要有一定的內(nèi)部程序或內(nèi)部函數(shù)的支持，相對來說用該類數(shù)據(jù)類型的語句生成的代碼要長。有些C語言程序表面上看起來十分的簡單，但在在實際編譯時，生成的代碼卻相當長。因此我們要按照實際需要，合理地選用數(shù)據(jù)，可以大大的減少所生成的代碼長度。例如在C51中每種數(shù)據(jù)類型變量所占用存儲器字節(jié)數(shù)和經(jīng)編譯后生成的代碼長度如表1所示:
表1 不同數(shù)據(jù)類型占用存儲器字節(jié)數(shù)和代碼長度對比
通過表1我們知道，不同的數(shù)據(jù)類型所生成的機器代碼長度相差很多，相同類型的數(shù)據(jù)類型有無符號對機器代碼長度也有影響。在程序編譯時生成機器代碼長的數(shù)據(jù)類型的優(yōu)先級越高，不同的數(shù)據(jù)類型在進行程序運算時要轉(zhuǎn)化為高優(yōu)先級的的數(shù)據(jù)類型，相應(yīng)的代碼長度也會增長[2]。因此我們應(yīng)盡可能地使用 bit,char等機器語言直接支持的數(shù)據(jù)類型，無符號數(shù)的變量應(yīng)聲明為無符號數(shù)，盡可能地減少程序中使用的數(shù)據(jù)類型的種類。
2.2 算法設(shè)計問題
單片機C語言和標準C語言存在著很大差別，在計算機上進行C語言程序設(shè)計時由于不必考慮程序代碼的長短，只需考慮程序功能實現(xiàn)，但是在單片機上進行C語言程序設(shè)計就必須考慮系統(tǒng)的硬件資源。有時并不是程序的算法越簡單、長度越短越好，因為有一些算法要調(diào)用一些內(nèi)部的子程序和函數(shù)，生成的機器代碼長度非常長。不同的算法對程序代碼長度影響十分大，因此在進行程序設(shè)計時，就盡量采用程序生成代碼短的算法，在不影響程序功能實現(xiàn)的情況下可以采用一些優(yōu)化算法 [2]。
在單片機C語言編譯成機器代碼時，不同的運算生成的機器代碼的長度相差很大，盡可能地減少程序中對某種數(shù)據(jù)類型的運算種類,越復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型效果越明顯。在進行數(shù)據(jù)計算時，在一定的精度范圍內(nèi)，可以用一些近似的計算來完成一些運算,既不損失精度又能減少大量的代碼。比如：用邏輯AND/&取模比MOD/%操作更有效。
在用熱敏電阻測量溫度時，可根據(jù)熱敏電阻—溫度特性公式來求值。數(shù)學(xué)表達式表示為：
RT=RT0expB(1/T-1/T0)
如果直接按照公式溫度時程序結(jié)構(gòu)簡單，算法復(fù)雜度不高，但是程序?qū)⒄{(diào)用<Math.h>文件中的對數(shù)函數(shù)，在編譯成機器碼時函數(shù)有1K多字節(jié)，對于一般只有幾K字節(jié)的單片機系統(tǒng)來說，這是十分不合適的。考慮到系統(tǒng)資源問題可以用一種替代方法—查表法來實現(xiàn)算法。只要給出一定溫度范圍內(nèi)不同溫度值對應(yīng)熱敏電阻的電阻值，然后建立表格，只要按照系統(tǒng)求出的阻值，進行查表，插值，就可以求出相應(yīng)的溫度值。這種算法相比前面的的公式法的算法復(fù)雜高，C語言程序代碼也長，但在編譯成機器碼時，代碼長度卻很短，只有一、二百字節(jié)。
3 數(shù)據(jù)存儲器的分配
單片機內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM只有幾百字節(jié)，如果擴展外部存儲器RAM來提高數(shù)據(jù)存儲量話必將會增加了硬件成本,使系統(tǒng)更加的復(fù)雜，訪問外部存儲器比訪問內(nèi)部存儲器所需的代碼也要長得多。有效地使用片內(nèi)存儲器、提高存儲器空間的利用率對開發(fā)者來說十分關(guān)鍵。
內(nèi)部處理器、內(nèi)部堆棧、壓縮棧、所有程序變量和所有包含進來的庫函數(shù)都將使用數(shù)量有限的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM。因為C語言采用了存儲器的覆蓋技術(shù)[2]，可以在程序進行連接時,它將那些已經(jīng)被其它程序段釋放了的存儲器空間重新定義給另一個程序段的變量使用,當這個程序運行結(jié)束時再將這些存儲器釋放以供其它程序段使用。全局變量的作用范圍是整個程序,因此不能被釋放；靜態(tài)變量由于在函數(shù)的調(diào)用中專用不變,也不能被釋放；只有局部變量中的動態(tài)變量可以被釋放。
因此在進行程序設(shè)計時應(yīng)該盡量的使用局部變量，提高內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的使用率。在C語言中程序中間結(jié)果及參數(shù)傳傳遞是通過內(nèi)部的寄存器來完成的，要是內(nèi)部的存儲器不夠，將會給你的程序帶來許多莫名其妙的錯誤。例如在進行程序設(shè)計時語句不應(yīng)該太長，一個長語句可以分成多個語句，這樣的話可以大的減少中間變量，當然太長時就會造成臨時寄存器的不夠用，導(dǎo)致計算出錯。
4 單片機C語言與匯編語言的混合編程
在絕大多數(shù)場合采用C語言編程即可完成預(yù)期的目的，但是對實時時鐘系統(tǒng)、要求執(zhí)行效率高的的系統(tǒng)就不適合采用C語言編程，對這些特殊情況進行編程時要結(jié)合匯編語言。匯編語言具有直接和硬件打道、執(zhí)行代碼的效率高等特點，可以做到C語言所不能做到的一些事情，例如對時鐘要求很嚴格時，使用匯編語言成了唯一的選擇。這種混合編程[2]的方法將C語言和匯編語言的優(yōu)點結(jié)合起來，已經(jīng)成為目前單片機開發(fā)最流行的編程方法。
目前大多數(shù)據(jù)單片機系統(tǒng)，在C語言中使用匯編語言有兩種情況：一種是匯編程序部分和C程序部分為不同的模塊，或不同的文件，通常由C程序調(diào)用匯編程序模塊的變量和函數(shù)(也可稱為子程序或過程)；另一種是嵌入式匯編，即在C語言程序中嵌入一段匯編語言程序。
當匯編程序和C程序為不同模塊時程序一般可分為若于個C程序模塊和匯編程序模塊，C程序模塊通常是程序的主體框架，而匯編程序模塊通常由用C語言實現(xiàn)效率不高的函數(shù)組成，也可以是已經(jīng)成熟的、沒有必要再轉(zhuǎn)化成C語言的匯編子程序。在這種混合編程技術(shù)中，關(guān)鍵是參數(shù)的傳遞和函數(shù)的返回值。它們必須有完整的約定，否則數(shù)據(jù)的交換就可能出錯。
對于嵌入式匯編，可以在C程序中使用一些關(guān)鍵字嵌入下些匯編程序，這種方法主要用于實現(xiàn)數(shù)學(xué)運算或中斷處理，以便生成精練的代碼，減少運行時間。當匯編函數(shù)不大，且內(nèi)部沒有復(fù)雜的跳轉(zhuǎn)時，可以用嵌入式匯編實現(xiàn)。
下面就以AT89C2051單片機在模擬電壓檢測中的應(yīng)用為例說明C語言程序與匯編語言程序的調(diào)用。電路圖如圖1所示：
AT89C2051單片機內(nèi)置模擬比較器，13腳即Ｐ1.1是比較器的負輸入端,12腳即Ｐ1.0是比較器的正輸入端,比較器的輸出端做在了ＣＰＵ內(nèi)部即Ｐ3.6未被引出,ＣＰＵ可以直接讀?。?.6狀態(tài)來判定兩輸入端比較的結(jié)果其和一個外部電阻及一個外部電容器就可以設(shè)計成一個A/D轉(zhuǎn)換器，采用RC模擬轉(zhuǎn)換的原理，來檢測外部P1.1引腳的輸入電壓。由于系統(tǒng)對時鐘要求很嚴格，因此就采用了C語言和匯編語言混合編程技術(shù)，程序調(diào)用形式如下：
匯編子程序：
PUBLIC _AD ；入口地址
con SEGMENT CODE ；程序段
RSEG con
_AD: SETB P3.7 ;充電
Loop: JB p3.6,AD_END ;開始計數(shù)匹配
INC A
CJNE A,#100,Loop
AD_END: CLR P3.7 ;放電
CJNE A,#100,Ret_Val ;看結(jié)果是否有溢出，有溢出說明結(jié)果不對
SJMP Con_OV;返回值
Ret_Val:DEC A
MOV R7,A ;A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存在R7中，傳遞給主程序
Con_OV: RET
END
單片機C程序：
include<reg51.h>
unsigned char AD(unsigned char);//在C程序中聲明匯編模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序
……………
void timer0(void) interrupt 1 using 1{
………
unsigned char x;
x=AD(); //在C程序中調(diào)用匯編程序
………
}
Main{ //主程序
………
}
在以上程序中，函數(shù)的返回值為一無符號字符型數(shù)，根據(jù)調(diào)用規(guī)則，返回值在R7中，這樣才可保證數(shù)據(jù)的傳遞不出錯。另外，在調(diào)用過程中，必須注意寄存器的入棧。這樣在以后用到A/D轉(zhuǎn)換時，在C語言中調(diào)用匯編語言子程序AD（）即可。
5 結(jié)束語
C語言具有很強的功能性和結(jié)構(gòu)性，可以縮短單片機控制系統(tǒng)的開發(fā)周期，而且易于調(diào)試和維護，已經(jīng)成為目前單片機語言中最流行的編程語言。
本文就單片機C語言的特點以及在開發(fā)過程中的一些問題給予分析并提供了解決方法，為廣大單片機開發(fā)人員提供了可借鑒的經(jīng)驗。
參考文獻
1 王平,邢建春,王林．一種快速有效攔截彈飛的單片機程序新方法． 微計算機信息，1997,4(13)：80-81．
2 馬忠梅，籍順心，張凱，馬巖．單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999．
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