Keil C51中變量的使用方法詳解

引言
8051內核單片機是一種通用單片機，在國內占有較大的市場份額。在將C語言用于51內核單片機的研究方面，Keil公司做得最為成功。由于51內核單片機的存儲結構的特殊性，Keil C51中變量的使用與標準C有所不同。正確地使用變量，有利于獲得高效的目標代碼。下面詳細介紹Keil C51中變量的使用方法。

1 CPU存儲結構與變量的關系
變量都需要有存儲空間，存儲空間的不同使得變量使用時的工作效率也不同。
標準C的典型運行環(huán)境是8086(含IA-32系列)內核，其存儲結構是CPU內部有寄存器，外部有存儲器，寄存器的訪問速度大大高于存儲器的訪問速度。在標準C中，不加特別定義的變量是放在存儲器中的，使用register可以強制變量存儲在寄存器中，對于使用特別頻繁且數量不多的變量可以選用這種存儲模式，以獲得更高的工作效率。
相比之下，51內核單片機的存儲結構則顯得有些怪異，它的存儲空間有3個：程序存儲器空間(64 KB含片內、片外)、片外數據存儲器空間(64KB)、片內數據存儲器及特殊功能寄存器空間。它沒有真正意義上的寄存器，它的寄存器其實是片內數據存儲器(如R0～R7)和特殊功能寄存器(如A、B等)中的一部分。因此，在Keil C51中使用變量就和標準C有很大不同。

2 Keil C51變量分析
Keil C51支持標準C原有的大多數變量類型，但為這些變量新增了多種存儲類型，也新增了一些標準C沒有的變量。
2．1 Keil C51新增的變量存儲類型
Keil C51中定義變量的格式如下：
[存儲種類]數據類型[存儲類型]變量名表；
其中，[存儲類型]是標準C中沒有的，[存儲類型]共有6種，分別介紹如下：
①data。將變量存儲在片內可直接尋址的數據存儲器中。使用這種存儲模式，目標代碼中對變量的訪問速度最快。
②bdata。將變量存儲在片內可位尋址的數據存儲器中。在目標代碼中變量可以方便地進行位處理，在不進行位處理時與data相同。
③idata。將變量存儲在片內間接尋址的數據存儲器中。在52內核中，當片內直接尋址數據存儲器不夠用時，可以使用128字節(jié)間接尋址數據存儲器，訪問速度一般較data要慢一些，但具有最大的片內數據存儲器空間；在51內核中因無單獨的間接尋址數據存儲器區(qū)，idata與data無區(qū)別。
④xdata。將變量存儲在片外數據存儲器中。目標代碼中只能使用“MOVX A，@DPTR”和“MOVX@DPTR，A”指令訪問變量，訪問速度最慢，但存儲空間最大(64KB)。
⑤pdata。將變量存儲在片外數據存儲器中的第一頁(00H～FFH)中。目標代碼中可以使用“MOVX A，@Ri”和“MOVX@Ri，A”指令訪問變量，訪問速度與xdata相同，存儲空間為256字節(jié)。
⑥code。將變量存儲在程序存儲器中。目標代碼中只能使用MOVC指令訪問變量，因變量存儲在程序存儲器中，具有非易失性且為只讀。
2．2 Keil C51新增的指針變量存儲類型
Keil C51中的指針變量形式如下：
數據類型[數據存儲類型]*[指針存儲類型]標識符；
其中，[數據存儲類型]和[指針存儲類型]都是標準C中沒有的。[數據存儲類型]定義數據(即尋址對象)存儲的空間，[指針存儲類型]定義指針自身存儲的空間。若不使用[數據存儲類型]，則指針為一般指針，占用3個字節(jié)；若使用[數據存儲類型]則指針為基于存儲器的指針，占用1～2個字節(jié)。
2．3 Keil C51新增的變量類型
bit：位變量。存儲在片內數據存儲器的可位尋址字節(jié)(20H～2FH)的某個位上，這個變量在實時控制中具有很高的實用價值。
sfr：特殊功能寄存器變量。存儲在片內特殊功能寄存器中，用來對特殊功能寄存器進行讀寫操作。
sbit：特殊功能寄存器位變量。存儲在片內特殊功能寄存器的可位尋址字節(jié)(地址可以被8整除者)的某個位上，用來對特殊功能寄存器的可位尋址位進行讀寫操作。
sbitl6：16位特殊功能寄存器變量。存儲在片內特殊功能寄存器的連續(xù)2個字節(jié)的低地址上，這個變量類型很少使用。
以上這些Keil C51中新增的變量類型，不支持數組和指針操作。
3 Keil C51中使用變量存儲模式的必要性
在Keil C51中，變量的存儲模式是一個可選項，如果不使用這個選項，則Keil C51在編譯時自動進行優(yōu)選分配。但這種處理方法有以下缺點：
①系統(tǒng)不知道各種變量的使用頻度，有可能對使用頻度高的變量使用了訪問速度慢的片外存儲方式，而對使用頻高的變量使用了片內存儲方式，使得程序的運行效率降低；
②在使用指針尋址時，由于不知道尋址對象的存儲方式，只好使用一般指針，在Keil C51中一般指針要多占用1～2個字節(jié)，并且使用時還要對存儲方式進行判斷，增加了尋址操作時間。
如果能夠在定義變量的同時定義其存儲類型，可以高效地使用51內核單片機的存儲空間，獲得高質量的目標代碼。

4 Keil C51變量的使用方法
4．1 全局變量和靜態(tài)局部變量
全局變量一般會在多個函數中被使用，并在整個程序運行期間內有效，靜態(tài)局部變量雖然只在一個函數中使用，但也是在整個程序運行期間有效。對于這些變量，應盡量選擇data型，這樣在目標代碼中就可以用直接尋址指令訪問，獲得最高的訪問速度，提高程序的工作效率。例如一個保存人數的全局變量n_g，在多個函數中都被經常用到，可以這樣定義：
unsigned int data n_g；／／對n_g賦值時使用“MOV XXH，……”指令
4．2 數組(包括全局和局部)
定義數組一般用idata存儲類型，在目標代碼中使用“MOV@Ri”指令進行間接尋址。如果因數組元素過多而在編譯時報錯，可以改用pdata和xdata存儲類型。
數組定義為data存儲類型意義不大，因為既然使用數組，就是希望能夠根據某一自變量訪問數組元素。如定義X[100]，一般都是為了能夠使用X(i是一個變量)來訪問，這樣在目標代碼中就必須使用問接尋址，所以數組沒有必要使用data存儲類型，即便使用了data存儲類型，在目標代碼中也仍然要用間接尋址指令。數組定義成idata存儲類型，在使用52內核且片內數據存儲器不夠時，會使用只能間接尋址的片內數據存儲空間。這樣，既不能降低處理速度，又擴大了可使用的存儲空間。
4．3 供查表用的數據
這類數據的特點是需要始終保持不變，且使用時只讀，因此應定義為code型。例如一個字形表：

全局或局部code型變量在存儲時無區(qū)別。
4．4 非靜態(tài)局部變量
非靜態(tài)局部變量僅在某一函數內使用，退出該函數時變量也被釋放。
若系統(tǒng)使用small存儲模式，對于這些變量可以不加存儲說明，由編譯軟件自行按最優(yōu)原則決定，因為僅在函數內使用的非靜態(tài)局部變量，有可能使用工作寄存器R0～R7，這樣會更快速和更節(jié)省存儲空間。例如：
unsigned char i，j； ／／系統(tǒng)盡可能會用R0～R7存儲i和j
若系統(tǒng)使用了compact或large存儲模式，則應將這些變量定義為data存儲模式，以防系統(tǒng)自行決定時被定義為pdagta或xdata模式而降低工作效率。
4．5 指針
如前所述，定義指針變量時有2個存儲類型：數據存儲類型，說明被尋址對象的存儲類型；指針存儲類型，說明指針自身的存儲類型。當數據存儲類型為xdata時，指針自身占用2個字節(jié)；當數據存儲類型為pdata以及idata等片內存儲類型時，指針自身占用1個字節(jié)；若不說明數據存儲類型，指針自身就要占用3個字節(jié)。因此，在KeilC51中使用指針時，應盡量定義數據存儲類型，但要特別注意指針中的數據存儲類型與被尋址對象的存儲類型必須一致。指針都是頻繁使用的，它要不斷被設置、修改和使用，因此它自身的存儲類型應選擇data型。例如定義一個數組時就同時定義其存儲類型，以后用指針對其尋址時就將數組的存儲類型添加到指針的數據類型中。方法如下：

4．6 二義性變量
在標準C中如果要使用一個二義性變量，只能用枚舉類型。如：

以上程序在Keil C51中使用時，變量t雖然僅有0和1兩種狀態(tài)，但在目標代碼中仍占用一個字節(jié)。此處理方法既浪費存儲資源，又延長了處理時間，這對于8086內核算不上多大問題，但在資源有限、運行速度不高的51內核中就不能不考慮了。在Keil C51中可使用以下方法：

這兩種方式效果是完全相同的，但在目標代碼中變量t僅占用1位(即1／8字節(jié))，而且因為51內核單片機指令系統(tǒng)中有位處理指令，生成的目標代碼占用內存少、運行速度快。
4．7 特殊功能寄存器變量(包括位變量)
特殊功能寄存器中，累加器A、寄存器B、堆棧指針SP和數據指針DPTR是歸系統(tǒng)使用的，在C51中不提供給用戶。其他的特殊功能寄存器都可以用sfr定義成變量，其中地址可以被8整除者的各位，還可以用bsfr定義成位變量。訪問這些變量，就可以對特殊功能寄存器及其可以位尋址的各位進行讀寫，達到操作單片機內部各硬件的目的。對于標準的51內核單片機，頭文件reg51．h、reg52．h或其他頭文件中已對這些特殊功能寄存器變量作了定義，用戶可以用#include將此頭文件包含進來，然后就可以使用了。現在很多51內核兼容型單片機擴展了更多的特殊功能寄存器，這些就需要用戶自行定義，具體方法可參考器件的使用說明。
4．8 外部數據存儲器變量
若設置成pdata和xdata存儲類型，將把變量存儲在片外數據存儲器中。這兩種存儲類型的訪問速度最慢，非迫不得已不要使用。在使用這兩種存儲類型時，注意盡量只用它保存原始數據或最終結果，盡量減少對其訪問的次數，需要頻繁訪問的中間結果不要用它。
4．9 用外部數據存儲器地址擴展的其他硬件
在單片機外部擴展的其他硬件，一般都借用外部數據存儲器地址，表現為外部數據存儲器單元形式。對于這些硬件，可以用指針進行讀寫操作。例如：

結語
Keil C51中的變量增加了存儲類型，在使用時而顯得比標準C稍微復雜。在Keil C51中，變量的存儲類型不同，訪問變量所需要的時間也不同，由于C51內核單片機資源少、速度慢，變量存儲類型對系統(tǒng)工作速度的影響不可忽視。在了解變量與單片機存儲結構關系的基礎上，根據程序對變量的使用要求，合理地選擇變量的存儲類型，可以在相同的硬件上獲得更高的工作效率。