單片機系統(tǒng)設計與C51編程實踐分享

1.1 了解單片機的能力

【規(guī)則1】設計滿足要求的最精簡的系統(tǒng)。正確估計單片機的能力，知道單片機能做什么，最大程度的挖掘單片機的潛力對一個單片機系統(tǒng)設計者來說是至關重要的。我們應該有這樣一個認識，即單片機的處理能力是非常強大的。早期的PC機，其CPU(8086)處理能力和8051 相當，卻能處理相當復雜的任務。單片機的能力的關鍵就在軟件設計者編寫的軟件上。只有充分地了解到單片機的能力，才不會做出“冗余”的系統(tǒng)設計。而采用許多的外圍芯片來實現(xiàn)單片機能實現(xiàn)的功能。這樣做,即增加了系統(tǒng)成本，也可能會降低了系統(tǒng)的可靠性。1.2 系統(tǒng)可靠性至關重要

【規(guī)則2】使用看門狗。看門狗電路通常是一塊在有規(guī)律的時間間隔中進行更新的硬件。更新一般由單片機來完成，如果在一定間隔內(nèi)沒能更新看門狗，那看門狗將產(chǎn)生復位信號，重新復位單片機。更新看門狗的具體形式多是給看門狗芯片相關引腳提供一個電平上升沿或讀寫它的某個寄存器。使用看門狗電路將在單片機發(fā)生故障進行死機狀態(tài)時，重新復位單片機。當前有多種看門狗的芯片，如MAXIM 公司的MAX802，MAX813 等。而且，有好多種單片機中本身就集成有看門狗。一個外部的看門狗是最好的，因為它不依賴于單片機。如果可能的話，看門狗更新程序不應該放在中斷或是子程序中，原則上應該放在主程序中。我曾經(jīng)見過一個工程師，他所調(diào)試的程序在運行時偶而會引起看門狗的復位動作，于是他干脆在每10ms 就中斷一次的時鐘中斷程序中清看門狗。我相信他也知道使看門狗失去作用，可他卻沒有不是去查明引起這個現(xiàn)象的真正原因。因此，我想提醒大家：不論什么理由，絕對不要忽略系統(tǒng)故障的真正原因。高質(zhì)量的產(chǎn)品來自于高素質(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)的復位信號可靠。這是一個很容易忽略的問題。當你在設計單片機系統(tǒng)時，你腦中有這個概念嗎?什么樣的復位信號才是可靠的嗎?你用示波器查看過你設計的產(chǎn)品的復位信號嗎?不穩(wěn)定的復位信號可能會產(chǎn)生什么樣的后果?你有沒有發(fā)現(xiàn)過你所設計的單片機系統(tǒng)，每次重新上電啟動后，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，或者有時候干脆不運行，或者有時候進入一種死機狀態(tài)，有時候又一點事都沒有正常運行?在這種情況下，你應該查一下你的系統(tǒng)的復位信號。一般在單片機的數(shù)據(jù)手冊(Datasheet)中都會提到該單片機需要的復位信號的要求。一般復位信號的寬度應為。復位電平的寬度和幅度都應滿足芯片的要求，并且要求保持穩(wěn)定。還有特別重要的一點就是復位電平應與電源上電在同一時刻發(fā)生，即芯片一上電，復位信號就已產(chǎn)生。不然，由于沒有經(jīng)過復位，單片機中的寄存器的值為隨機值，上電時就會按PC 寄存器中的隨機內(nèi)容開始運行程序，這樣很容易進行誤操作或進入死機狀態(tài)。

【規(guī)則4】確定系統(tǒng)的初始化有效。系統(tǒng)程序開始應延時一段時間。這是很多單片機程序設計中的常用方法，為什么呢?因為系統(tǒng)中的芯片以及器件從上電開始到正常工作的狀態(tài)往往有一段時間，程序開始時延時一段時間，是讓系統(tǒng)中所有器件到達正常工作狀態(tài)。究竟延時多少才算合適?這取決于系統(tǒng)的各芯片中到達正常工作狀態(tài)的時間，通常以最慢的為準。一般來說，延時20-100毫秒已經(jīng)足夠。對于系統(tǒng)中使用嵌入式MODEM 等“慢熱”型的器件來說，則應更長。當然，這都需要在系統(tǒng)實際運行中進行調(diào)整。

【規(guī)則5】上電時對系統(tǒng)進行檢測。上電時對系統(tǒng)中進行檢測是單片機程序中的一個良好設計。在硬件設計時也應該細細考慮將各個使用到的芯片、接口設計成容易使用軟件進行測試的模式。很多有經(jīng)驗的單片機設計者都會在系統(tǒng)上電時(特別是第一次上電時)進行全面的檢測，或者更進一步，將系統(tǒng)的運行狀態(tài)中分為測試模式和正常運行模式，通過加入測試模式對系統(tǒng)進行詳細的檢測，使得系統(tǒng)的批量檢測更為方便容易。另外要注意的是，一個簡單明了的故障顯示界面也是頗要費得心思的。比如：系統(tǒng)的外部RAM(數(shù)據(jù)存儲器)是單片機系統(tǒng)中常用的器件。外部RAM 如果存在問題，程序通常都會成為一匹脫韁的野馬。因此，程序在啟動時(至少在第一次上電啟動時)一定要對外部RAM 進行檢測。檢測內(nèi)容包括：1)檢測RAM 中的單元。這主要通過寫入和讀出的數(shù)據(jù)保持一致。2)檢測單片機與RAM 之間的地址數(shù)據(jù)總線?？偩€即沒有互相短路，也沒有連接到“地”上。另外，很多芯片，都提供了測試的方法。如串行通信芯片UART，都帶環(huán)路測試的功能。

【規(guī)則6】按EMC 測試要求設計硬件。EMC 測試要求已經(jīng)成為產(chǎn)品的必需。有很多的文章關于這方面的。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 編譯器將沒有使用關鍵詞，如idata、pdata、xdata特殊聲明的變量通通放在data單元中。在編程中，對于在的數(shù)據(jù)區(qū)，可以指定放在外部存儲器中。

【規(guī)則8】在仿真前做好充分的準備單片機硬件仿真器給單片機開發(fā)者帶來了極大的方便，同時也很容易造成人的依賴性。很多時候，沒有仿真器卻能促使工程師寫出更高質(zhì)量的程序。也許在硬件仿真調(diào)試之前，下面準備工作將會對你有用：1)程序編完后，對代碼仔細逐行檢查。檢查代碼的錯誤，建立自己的代碼檢查表，對經(jīng)常易錯的地方進行檢查。檢查代碼是否符合編程規(guī)范。 2)對各個子程序進行測試。測試的方法：用程序測試程序，編制一個調(diào)用該子程序的代碼，建立要測試子程序的入口條件，再看看它是否按預期輸出結果。3)如果代碼有修改，再次對代碼進行檢查。4)有可能的話，進行軟件仿真——Keil C 的軟件仿真功能十分強大。軟件仿真可以防止因硬件的錯誤，如器件損壞、線路斷路或短路，而引起調(diào)試的錯誤。5)開始硬件仿真。

【規(guī)則9】使用庫函數(shù)重用代碼，尤其是是標準庫的代碼，而不是手工編寫你自己的代碼。這樣更快、更容易也更安全。KeilC 中提供了多個庫函數(shù)，這些庫函數(shù)的用法在KeilC 的幫助文件中有詳細的描述。

【規(guī)則10】使用const。這一點在很多經(jīng)典的關于C 和C++的書籍中是必談的要點。在《Exceptional　C++》一書中，對這點有很精彩的描述，現(xiàn)摘錄如下：“沒有正確的安全意識的槍手在世界上是不可能活的很長的。const 觀念不正確的程序員也是一樣和沒有時間戴緊帽子的正確，沒有時間檢查帶電電線的電工一樣不會活的很長。”在C 語言中，const 修飾符表示告訴編譯器此函數(shù)將不會改變被修飾的變量的指向的任何值(除了強制類型轉換)。當把指針作為參數(shù)傳遞時，總是合適地使用const，不僅可以防止你無意中錯誤的賦值，而且還可以防止在作為參數(shù)將指針傳遞給函數(shù)時可能會修改了本不想改變的指針所指向的對象的值。如： const int num = 7;num = 9; file://有/可能得到編譯器的警告。const char *ptr，則表示該指針所指向的內(nèi)容不會被改變，如果在程序中被發(fā)生對其賦值的操作，編譯時將出錯誤提示。如：const char *ptr = “hello”;*ptr = ‘H’; file://錯/誤，所指內(nèi)容不可改變也可將const 放在星號后面來聲明指針本身不可改變。如:char* const ptr;ptr++; file://錯/誤，指針本身不可改變也可同時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staticstatic是一個能夠減少命名沖突的有用工具。將只在一個模塊文件中的變量和函數(shù)使用static 修飾，將不會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不會產(chǎn)生名稱沖突。一般來說，只要不是提供給其它模塊使用的函數(shù)，和非全局變量，均應使用static修飾。將子程序中的變量使用static 修飾時，表示這個變量在程序開始時分配內(nèi)存，在程序結束時釋放，它們在程序執(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將進行加1，并保持這個值。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】注意溢出問題，寫安全的代碼。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 是當前最好用的單片機開發(fā)軟件。要充分利用該軟件的功能，就必須對它深入的進行了解。

【規(guī)則15】不要使用語言的冷僻特性，并且記住，耍小聰明會貽害無窮。最重要的是編寫你理解的代碼，理解你編寫的代碼，你就可能會做得很好。2 推薦書目要成為一個優(yōu)秀的單片機系統(tǒng)產(chǎn)品設計工程師，興趣、熱情、責任心至關重要。2.1 單片機技術學習《微機原理及應用(從16 位到32 位) 》戴梅萼等著清華大學出版社。學校教材，也是當年我學習單片機的啟蒙書。2.2 C51 編程學習《單片機高級語言C51 Windows 環(huán)境編程與應用》作者:徐愛鈞彭秀華電子工業(yè)出版社。這本書幾乎覆蓋了C51 編程的方方面面，最新版本對當前使用最廣的keilC 也有很詳細的講述。對于剛學C51 編程的同志，本書是上上之選，強力推薦。比起現(xiàn)今書市上的所謂什么“C51 編程圣經(jīng)”之類的書強得多。

2.3 C 語言編程必讀《C 陷阱與缺陷》Andrew Koenig著《C 專家編程》Peter Van Der Linden 著C 語言開發(fā)技術經(jīng)典之作，C 程序員必讀之書，數(shù)十年來經(jīng)久不衰。如果你想對C 語言全面的掌握，真正了解C 語言的精髓，這兩本書是必讀之作。由人民郵電出版社出版的中文譯本也還不錯。2.4 程序設計技術方面《數(shù)據(jù)結構》, 嚴蔚敏, 清華大學出版社。清華大學出版社的教材質(zhì)量穩(wěn)定，中規(guī)中矩，價格相對來說也便宜一點?！冻绦蛟O計實踐》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，感覺有大突破的那種書籍，千萬別吝惜銀子。3 后記從事單片機開發(fā)工作已經(jīng)有差不多三年時間了，自己感覺積累了一些經(jīng)驗和體會。這篇文章就算是一個總結吧。

擴展閱讀：幾種使用過的單片機比較