單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與C51編程實(shí)踐

基本原則
質(zhì)量是關(guān)鍵。沒(méi)有人會(huì)對(duì)很差的工作感到滿足。當(dāng)完成高質(zhì)量的工作時(shí)，你會(huì)為此而感到驕傲。不管你是否知道，你都會(huì)因?yàn)槟愕母哔|(zhì)量工作而得到信譽(yù)。因此，要想為自己所做的事感到驕傲，就需要建立個(gè)人標(biāo)準(zhǔn)，并為達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)而努力奮斗。在達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，再提高標(biāo)準(zhǔn)并繼續(xù)努力。挑戰(zhàn)自己去完成更優(yōu)良的工作，你將會(huì)為自己的成就而感到驚訝。
1.1 了解單片機(jī)的能力
【規(guī)則1】設(shè)計(jì)滿足要求的最精簡(jiǎn)的系統(tǒng)。

正確估計(jì)單片機(jī)的能力，知道單片機(jī)能做什么，最大程度的挖掘單片機(jī)的潛力對(duì)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。我們應(yīng)該有這樣一個(gè)認(rèn)識(shí)，即單片機(jī)的處理能力是非常強(qiáng)大的。早期的PC機(jī)，其CPU（8086）處理能力和8051 相當(dāng)，卻能處理相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)。單片機(jī)的能力的關(guān)鍵就在軟件設(shè)計(jì)者編寫(xiě)的軟件上。只有充分地了解到單片機(jī)的能力，才不會(huì)做出“冗余”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而采用許多的外圍芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)能實(shí)現(xiàn)的功能。這樣做,即增加了系統(tǒng)成本，也可能會(huì)降低了系統(tǒng)的可靠性。

1.2 系統(tǒng)可靠性至關(guān)重要

【規(guī)則2】使用看門(mén)狗。

看門(mén)狗電路通常是一塊在有規(guī)律的時(shí)間間隔中進(jìn)行更新的硬件。更新一般由單片機(jī)來(lái)完成，如果在一定間隔內(nèi)沒(méi)能更新看門(mén)狗，那看門(mén)狗將產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，重新復(fù)位單片機(jī)。更新看門(mén)狗的具體形式多是給看門(mén)狗芯片相關(guān)引腳提供一個(gè)電平上升沿或讀寫(xiě)它的某個(gè)寄存器。使用看門(mén)狗電路將在單片機(jī)發(fā)生故障進(jìn)行死機(jī)狀態(tài)時(shí)，重新復(fù)位單片機(jī)。當(dāng)前有多種看門(mén)狗的芯片，如MAXIM 公司的MAX802，MAX813 等。而且，有好多種單片機(jī)中本身就集成有看門(mén)狗。一個(gè)外部的看門(mén)狗是最好的，因?yàn)樗灰蕾囉趩纹瑱C(jī)。如果可能的話，看門(mén)狗更新程序不應(yīng)該放在中斷或是子程序中，原則上應(yīng)該放在主程序中。我曾經(jīng)見(jiàn)過(guò)一個(gè)工程師，他所調(diào)試的程序在運(yùn)行時(shí)偶而會(huì)引起看門(mén)狗的復(fù)位動(dòng)作，于是他干脆在每10ms 就中斷一次的時(shí)鐘中斷程序中清看門(mén)狗。我相信他也知道使看門(mén)狗失去作用，可他卻沒(méi)有不是去查明引起這個(gè)現(xiàn)象的真正原因。因此，我想提醒大家：不論什么理由，絕對(duì)不要忽略系統(tǒng)故障的真正原因。高質(zhì)量的產(chǎn)品來(lái)自于高素質(zhì)的工程師，高質(zhì)量的產(chǎn)品造就高素質(zhì)的工程師。

【規(guī)則3】確定系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)可靠。

這是一個(gè)很容易忽略的問(wèn)題。當(dāng)你在設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，你腦中有這個(gè)概念嗎？什么樣的復(fù)位信號(hào)才是可靠的嗎？你用示波器查看過(guò)你設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的復(fù)位信號(hào)嗎？不穩(wěn)定的復(fù)位信號(hào)可能會(huì)產(chǎn)生什么樣的后果？你有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)你所設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)，每次重新上電啟動(dòng)后，數(shù)據(jù)變得亂七八糟，并且每一次現(xiàn)象并不相同，找不出規(guī)律，或者有時(shí)候干脆不運(yùn)行，或者有時(shí)候進(jìn)入一種死機(jī)狀態(tài)，有時(shí)候又一點(diǎn)事都沒(méi)有正常運(yùn)行？在這種情況下，你應(yīng)該查一下你的系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)。一般在單片機(jī)的數(shù)據(jù)手冊(cè)（Datasheet）中都會(huì)提到該單片機(jī)需要的復(fù)位信號(hào)的要求。一般復(fù)位信號(hào)的寬度應(yīng)為。復(fù)位電平的寬度和幅度都應(yīng)滿足芯片的要求，并且要求保持穩(wěn)定。還有特別重要的一點(diǎn)就是復(fù)位電平應(yīng)與電源上電在同一時(shí)刻發(fā)生，即芯片一上電，復(fù)位信號(hào)就已產(chǎn)生。不然，由于沒(méi)有經(jīng)過(guò)復(fù)位，單片機(jī)中的寄存器的值為隨機(jī)值，上電時(shí)就會(huì)按PC 寄存器中的隨機(jī)內(nèi)容開(kāi)始運(yùn)行程序，這樣很容易進(jìn)行誤操作或進(jìn)入死機(jī)狀態(tài)。

【規(guī)則4】確定系統(tǒng)的初始化有效。

系統(tǒng)程序開(kāi)始應(yīng)延時(shí)一段時(shí)間。這是很多單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中的常用方法，為什么呢？因?yàn)橄到y(tǒng)中的芯片以及器件從上電開(kāi)始到正常工作的狀態(tài)往往有一段時(shí)間，程序開(kāi)始時(shí)延時(shí)一段時(shí)間，是讓系統(tǒng)中所有器件到達(dá)正常工作狀態(tài)。究竟延時(shí)多少才算合適？這取決于系統(tǒng)的各芯片中到達(dá)正常工作狀態(tài)的時(shí)間，通常以最慢的為準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，延時(shí)20-100毫秒已經(jīng)足夠。對(duì)于系統(tǒng)中使用嵌入式MODEM 等“慢熱”型的器件來(lái)說(shuō)，則應(yīng)更長(zhǎng)。當(dāng)然，這都需要在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行調(diào)整。

【規(guī)則5】上電時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。

上電時(shí)對(duì)系統(tǒng)中進(jìn)行檢測(cè)是單片機(jī)程序中的一個(gè)良好設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該細(xì)細(xì)考慮將各個(gè)使用到的芯片、接口設(shè)計(jì)成容易使用軟件進(jìn)行測(cè)試的模式。很多有經(jīng)驗(yàn)的單片機(jī)設(shè)計(jì)者都會(huì)在系統(tǒng)上電時(shí)（特別是第一次上電時(shí)）進(jìn)行全面的檢測(cè)，或者更進(jìn)一步，將系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)中分為測(cè)試模式和正常運(yùn)行模式，通過(guò)加入測(cè)試模式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的檢測(cè)，使得系統(tǒng)的批量檢測(cè)更為方便容易。另外要注意的是，一個(gè)簡(jiǎn)單明了的故障顯示界面也是頗要費(fèi)得心思的。比如：系統(tǒng)的外部RAM（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）是單片機(jī)系統(tǒng)中常用的器件。外部RAM 如果存在問(wèn)題，程序通常都會(huì)成為一匹脫韁的野馬。因此，程序在啟動(dòng)時(shí)（至少在第一次上電啟動(dòng)時(shí)）一定要對(duì)外部RAM 進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)內(nèi)容包括：1）檢測(cè)RAM 中的單元。這主要通過(guò)寫(xiě)入和讀出的數(shù)據(jù)保持一致。2）檢測(cè)單片機(jī)與RAM 之間的地址數(shù)據(jù)總線?？偩€即沒(méi)有互相短路，也沒(méi)有連接到“地”上。另外，很多芯片，都提供了測(cè)試的方法。如串行通信芯片UART，都帶環(huán)路測(cè)試的功能。

【規(guī)則6】按EMC 測(cè)試要求設(shè)計(jì)硬件。

EMC 測(cè)試要求已經(jīng)成為產(chǎn)品的必需。有很多的文章關(guān)于這方面的。

1.3 軟件編程和調(diào)試

【規(guī)則7】盡可能使用Small 模式編譯

對(duì)比起Large模式和Compact 模式，Small 模式能生成更為緊湊的代碼。在Small 模式下，C51 編譯器將沒(méi)有使用關(guān)鍵詞，如idata、pdata、xdata特殊聲明的變量通通放在data單元中。在編程中，對(duì)于在的數(shù)據(jù)區(qū)，可以指定放在外部存儲(chǔ)器中。

【規(guī)則8】在仿真前做好充分的準(zhǔn)備

單片機(jī)硬件仿真器給單片機(jī)開(kāi)發(fā)者帶來(lái)了極大的方便，同時(shí)也很容易造成人的依賴性。很多時(shí)候，沒(méi)有仿真器卻能促使工程師寫(xiě)出更高質(zhì)量的程序。也許在硬件仿真調(diào)試之前，下面準(zhǔn)備工作將會(huì)對(duì)你有用：

1）程序編完后，對(duì)代碼仔細(xì)逐行檢查。檢查代碼的錯(cuò)誤，建立自己的代碼檢查表，對(duì)經(jīng)常易錯(cuò)的地方進(jìn)行檢查。檢查代碼是否符合編程規(guī)范。 2）對(duì)各個(gè)子程序進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的方法：用程序測(cè)試程序，編制一個(gè)調(diào)用該子程序的代碼，建立要測(cè)試子程序的入口條件，再看看它是否按預(yù)期輸出結(jié)果。

3）如果代碼有修改，再次對(duì)代碼進(jìn)行檢查。

4）有可能的話，進(jìn)行軟件仿真——Keil C 的軟件仿真功能十分強(qiáng)大。軟件仿真可以防止因硬件的錯(cuò)誤，如器件損壞、線路斷路或短路，而引起調(diào)試的錯(cuò)誤。

5）開(kāi)始硬件仿真。

【規(guī)則9】使用庫(kù)函數(shù)

重用代碼，尤其是是標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的代碼，而不是手工編寫(xiě)你自己的代碼。這樣更快、更容易也更安全。KeilC 中提供了多個(gè)庫(kù)函數(shù)，這些庫(kù)函數(shù)的用法在KeilC 的幫助文件中有詳細(xì)的描述。

【規(guī)則10】使用const。

這一點(diǎn)在很多經(jīng)典的關(guān)于C 和C++的書(shū)籍中是必談的要點(diǎn)。在《Exceptional　C++》一書(shū)中，對(duì)這點(diǎn)有很精彩的描述，現(xiàn)摘錄如下：“沒(méi)有正確的安全意識(shí)的槍手在世界上是不可能活的很長(zhǎng)的。const 觀念不正確的程序員也是一樣和沒(méi)有時(shí)間戴緊帽子的正確，沒(méi)有時(shí)間檢查帶電電線的電工一樣不會(huì)活的很長(zhǎng)。”

在C 語(yǔ)言中，const 修飾符表示告訴編譯器此函數(shù)將不會(huì)改變被修飾的變量的指向的任何值（除了強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換）。當(dāng)把指針作為參數(shù)傳遞時(shí)，總是合適地使用const，不僅可以防止你無(wú)意中錯(cuò)誤的賦值，而且還可以防止在作為參數(shù)將指針傳遞給函數(shù)時(shí)可能會(huì)修改了本不想改變的指針?biāo)赶虻膶?duì)象的值。如： const int num = 7;

num = 9; file://有/可能得到編譯器的警告。

const char *ptr，則表示該指針?biāo)赶虻膬?nèi)容不會(huì)被改變，如果在程序中被發(fā)生對(duì)其賦值的操作，編譯時(shí)將出錯(cuò)誤提示。如：

const char *ptr = “hello”;

*ptr = ‘H’; file://錯(cuò)/誤，所指內(nèi)容不可改變也可將const 放在星號(hào)后面來(lái)聲明指針本身不可改變。如:

char* const ptr;

ptr++; file://錯(cuò)/誤，指針本身不可改變

也可同時(shí)禁止改變指針和它所引用的內(nèi)容，其形式如下： const char* const ptr;

【規(guī)則11】使用static

static是一個(gè)能夠減少命名沖突的有用工具。將只在一個(gè)模塊文件中的變量和函數(shù)使用static 修飾，將不會(huì)和其他模塊可能具有相同名稱的函數(shù)和變量在模塊連接時(shí)不會(huì)產(chǎn)生名稱沖突。一般來(lái)說(shuō)，只要不是提供給其它模塊使用的函數(shù)，和非全局變量，均應(yīng)使用static修飾。將子程序中的變量使用static 修飾時(shí)，表示這個(gè)變量在程序開(kāi)始時(shí)分配內(nèi)存，在程序結(jié)束時(shí)釋放，它們?cè)诔绦驁?zhí)行期間保持它們的值。如：

void func1(void)

{

static int time = 0;

time++

}

void func2(void)

{

static int time = 0;

time++;

}

兩個(gè)子程序中的time 變量使用static 修飾，所以它們是靜態(tài)變量，每調(diào)用一次time將進(jìn)行加1，并保持這個(gè)值。它們的功能與下面程序相似：

int time1 = 0;

int time2 = 0;

void func1(void)

{

time1++

}

void func2(void)

{

time2++;

}

我們可以看出，使用static修飾后，模塊中的全局變量減少，使得程序的更為簡(jiǎn)單。

【規(guī)則12】不要忽視編譯器的警告。

編譯器的給出的警告都是有的放矢，在沒(méi)有查清引起警告的真正原因之前，不要忽視它。 【規(guī)則13】注意溢出問(wèn)題，寫(xiě)安全的代碼。

1.4 KeilC 編程

【規(guī)則14】深入了解你所用的工具。仔細(xì)查看KeilC 附帶的幫助文件，你能找到你期待已久的東西。KeilC 是當(dāng)前最好用的單片機(jī)開(kāi)發(fā)軟件。要充分利用該軟件的功能，就必須對(duì)它深入的進(jìn)行了解。

【規(guī)則15】不要使用語(yǔ)言的冷僻特性，并且記住，耍小聰明會(huì)貽害無(wú)窮。最重要的是編寫(xiě)你理解的代碼，理解你編寫(xiě)的代碼，你就可能會(huì)做得很好。

2 推薦書(shū)目

要成為一個(gè)優(yōu)秀的單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師，興趣、熱情、責(zé)任心至關(guān)重要。

2.1 單片機(jī)技術(shù)學(xué)習(xí)

《微機(jī)原理及應(yīng)用(從16 位到32 位) 》戴梅萼等著清華大學(xué)出版社。學(xué)校教材，也是當(dāng)年我學(xué)習(xí)單片機(jī)的啟蒙書(shū)。

2.2 C51 編程學(xué)習(xí)

《單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言C51 Windows 環(huán)境編程與應(yīng)用》作者:徐愛(ài)鈞彭秀

華電子工業(yè)出版社。這本書(shū)幾乎覆蓋了C51 編程的方方面面，最新版本對(duì)當(dāng)前使用最廣的keilC 也有很詳細(xì)的講述。對(duì)于剛學(xué)C51 編程的同志，本書(shū)是上上之選，強(qiáng)力推薦。比起現(xiàn)今書(shū)市上的所謂什么“C51 編程圣經(jīng)”之類的書(shū)強(qiáng)得多。

2.3 C 語(yǔ)言編程必讀

《C 陷阱與缺陷》Andrew Koenig著

《C 專家編程》Peter Van Der Linden 著

C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)技術(shù)經(jīng)典之作，C 程序員必讀之書(shū)，數(shù)十年來(lái)經(jīng)久不衰。如果你想對(duì)C 語(yǔ)言全面的掌握，真正了解C 語(yǔ)言的精髓，這兩本書(shū)是必讀之作。由人民郵電出版社出版的中文譯本也還不錯(cuò)。

2.4 程序設(shè)計(jì)技術(shù)方面

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》, 嚴(yán)蔚敏, 清華大學(xué)出版社。清華大學(xué)出版社的教材質(zhì)量穩(wěn)定，中規(guī)中矩，價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)也便宜一點(diǎn)。

《程序設(shè)計(jì)實(shí)踐》Brian W. Kernighan, Rob Pike著；《代碼大全》（網(wǎng)上有下載）。這兩本是能讓你看后，感覺(jué)有大突破的那種書(shū)籍，千萬(wàn)別吝惜銀子。

3 后記

從事單片機(jī)開(kāi)發(fā)工作已經(jīng)有差不多三年時(shí)間了，自己感覺(jué)積累了一些經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。這篇文章就算是一個(gè)總結(jié)吧。本來(lái)想寫(xiě)的更為詳細(xì)一些，加入C51中指針及uvision 軟件仿真的一些使用體會(huì)，以及自己的一些開(kāi)發(fā)實(shí)踐，但一想，keilc中的說(shuō)明書(shū)已經(jīng)夠詳細(xì)了，而我的開(kāi)發(fā)產(chǎn)品所有權(quán)又不屬于我本人，因此，并沒(méi)有深入下去。由于本人水平有限，這次也是抱著與各位交流學(xué)習(xí)的目的，非常歡迎各位與我聯(lián)系交流，共同探討。