单片机C语言及程序设计.docx
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单片机C语言及程序设计
单片机C语言及程序设计
4.1C51概述
“C51”概念：
为了与ANSIC区别，把“单片机C语言”称为“C51”，也称为“KeilC”。
用汇编语言编写单片机程序时，必须要考虑其存储器的结构，尤其要考虑其片内数据存储器、特殊功能寄存器是否正确合理的使用，以及按照实际地址端口数据的处理。
Ø4.1.2C语言与ANSI的区别
用C51编写程序，虽然不像汇编语言那样需要具体地组织、分配存储器资源，但是C51对数据类型和变量的定义，必须要与单片机的存储结构相关联，否则编译器不能正确地映射定位。
用C51编写单片机程序，与用ANSIC编写程序的不同之处是，需要根据单片机存储器结构及内部资源，定义相应的数据类型和变量。
其它的语法规定、程序结构及程序设计方法，都与ANSIC相同。
所以本章主要介绍C51各种变量的定义、指针定义、函数定义和混合编程。
Ø4.1.3C51扩展的关键字
由于单片机在结构及编程上的特殊要求，C51有自己的特殊关键字，称之为C51扩展的关键字，下面给出常用的C51扩展的关键字。
_at_bdatabitcode
dataidatainterruptpdata
reentrantsbitsfr
sfr16usingvolatilexdata
Ø4.2C51数据类型及存储
表4-1C51数据类型、长度和数值范围
数据类型
表示方法
长度
数值范围
无符号字符型
unsignedchar
1字节
0～255
有符号字符型
signedchar
1字节
-128～127
无符号整型
unsignedint
2字节
0～65535
有符号整型
signedint
2字节
-32768～32767
无符号长整型
unsignedlong
4字节
0～
有符号长整型
signedlong
4字节
-～
浮点型
float
4字节
±1.1755E-38～±3.40E+38
特殊功能寄存器型
Sfr
sfr16
1字节
2字节
0～255
0～65535
位类型
bit、sbit
1位
0或1
数据类型转换
1）自动转换
转换规则是向高精度数据类型转换、向有符号数据类型转换。
如字符型变量与整型变量相加时，则位变量先转换字符型或整型数据，然后相加。
2）强制转换
像ANSIC一样，通过强制类型转换的方式进行转换。
如：
unsignedintb;
floatc;b=（int）c;
Ø4.2.2C51数据的存储
MCS-51单片机只有bit和unsignedchar两种数据类型支持机器指令，而其它类型的数据都需要转换成bit或unsignedchar型进行存储。
为了减少单片机的存储空间和提高运行速度，要尽可能地使用unsignedchar型数据。
一、位变量的存储
bit和sbit型位变量，直接存于RAM的位寻址空间，包括低128位和特殊功能寄存器位。
二、字符变量的存储
字符变量（char）：
无论是unsignedchar数据还是signedchar数据，均为1个字节，能够被直接存储在RAM中，可以存储在0～0x7f区域，也可以存储在0x80～0xff区域，与变量的定义有关。
unsignedchar数：
可直接被MSC-51接受
地址
低
高
:
:
34
12
:
:
signedchar数据：
用补码表示。
需要额外的操作来测试、处理符号位，使用的是两种库函数，代码量大，运算速度降低。
三、整型变量的存储
整型变量（int）：
不管是unsignedint数据还是signedint数据，
均为2个字节，其存储方法是高位字节保存在低地址（在前面），
低位字节保存在高地址（在后面）。
例如，整型变量的值为0x1234，在内存中的存放如右图所示。
signedint数据用补码表示。
四、长整型变量的存储
长整型变量（long）为4个字节，其存储方法与整型数据一样，
是最高位字节保存的地址最低（在最前面），最低位字节保存的地址最高（在最后面）。
Ø如长整型变量的值为0x，在内存中的存放方法如右图所示。
地址
低
高
:
:
78
56
34
12
:
:
不管是unsignedlong数据还是signedlong数据。
五、浮点型变量的存储
浮点型变量（fload）占4个字节，用指数方式表示，其具体格式与编译器有关。
对于KeilC，采用的是IEEE-754标准，具有24位精度，尾数的最高位始终为1，
因而不保存。
具体分布为：
1位符号位，8位阶码位，23位尾数，如下图所示。
字节地址
0
1
2
3
浮点数
内容
SEEE
EEEE
EMMM
MMMM
MMMM
MMMM
MMMM
MMMM
符号和阶码
尾数高位
尾数低位
符号位S：
1表示负数，0表示正数。
地址
低
高
:
:
00
00
48
C1
:
:
阶码：
用移码表示。
如，实际阶码-126用1表示，实际阶码0用127表示，即实际阶码数加上127得到阶码的表达数。
阶码数值范围：
-126～+128。
例如浮点数-12.5
符号位为1，
12.5的二进制数为1100.1=1.1001E+0011，
阶码数值为3+127=130=B，
尾数为1001。
因此，其十六进制数为0xC，则存储结构如右图所示。
Ø4.3C51变量的定义及数据存储区域
Ø4.3.1C51变量的定义
C51变量定义的一般格式为：
[存储类型]数据类型[存储区]
变量名1[=初值][,变量名2[=初值]][,…]
或[存储类型][存储区]数据类型
变量名1[=初值][,变量名2[=初值]][,…]
可见变量（非位变量）的定义由4部分组成，即在变量定义时，指定变量4种属性。
数据类型：
在前面的4.2中已经叙述过，对于变量名也无须多说，下面主要解释“存储类型”和“存储区”等概念。
Ø4.3.2C51变量的存储类型
存储类型这个属性我们仍沿用ANSIC的说法，尽量不改变原来的含义。
按照ANSIC，C语言的变量有4种存储类型：
动态存储（auto）
静态存储（static）
全局存储（extern）
寄存器存储（register）
一、动态存储
动态（存储）变量：
用auto定义的为动态变量，也叫自动变量。
作用范围：
在定义它的函数内或复合语句内部。
当定义它的函数或复合语句执行时，C51才为变量分配存储空间，结束时所占用的存储空间释放。
定义变量时，auto可以省略，或者说如果省略了存储类型项，则认为是动态变量。
动态变量一般分配使用寄存器或堆栈。
二、静态存储
静态（存储）变量：
用static定义的为静态变量。
分为内部静态和外部静态变量。
内部静态变量：
在函数体内定义的为内部静态变量。
在函数内可以任意使用和修改，函数运行结束后会一直存在，但在函数外不可见，即在函数体外得到保护。
外部静态变量：
在函数体外部定义的为外部静态变量。
在定义的文件内可以任意使用和修改，外部静态变量会一直存在，但在文件外不可见，即在文件外得到保护。
三、外部存储
外部（存储）变量：
用extern声明的变量为外部变量，是在其它文件定义过的全局变量。
用extern声明后，便可以在所声明的文件中使用。
需要注意的是：
在定义变量时，即便是全局变量，也不能使用extern定义。
四、寄存器存储
寄存器（存储）变量：
用register定义的变量为寄存器变量。
寄存器变量存放在CPU的寄存器中，这种变量处理速度快，但数目少。
C51中的寄存器变量：
C51的编译器在编译时，能够自动识别程序中使用频率高的变量，并将其安排为寄存器变量，用户不用专门声明。
Ø4.3.3C51变量的存储区域
变量的存储区属性是单片机扩展的概念，非常重要，它涉及到7个新的关键字。
MCS-51单片机有四个存储空间，分成三类，它们是片内数据存储空间、片外数据存储空间和程序存储空间。
MCS-51单片机有更多的存储区域：
由于片内数据存储器和片外数据存储器又分成不同的区域，所以单片机的变量有更多的存储区域。
在定义变量时，必须明确指出是存放在哪个区域。
表4-2C51存储区与存储空间的对应关系
关键字
对应的存储空间及范围
code
ROM空间，64KB全空间
data
片内RAM，直接寻址，低128字节
bdata
片内RAM，位寻址区0x20～0x2f，可字节访问
idata
片内RAM，间接寻址，256字节，与@Ri对应
pdata
片外RAM，分页寻址的256字节（P2不变），P2
改变可寻址64KB全空间，与MOVX@Ri对应
xdata
片外RAM，64KB全空间
bit
片内RAM位寻找区，位地址0x00～0x7f，128位
Ø4.3.4C51变量定义举例
1）定义存储在data区域的动态unsignedchar变量：
unsignedchardatasec=0,min=0,hou=0;
2）定义存储在data区域的静态unsignedchar变量：
staticunsignedchardatascan_code=0xfe;
3）定义存储在data区域的静态unsignedint变量：
staticunsignedintdatadd;
4）定义存储在bdata区域的动态unsignedchar变量：
unsignedcharbdataoperate,operate1;//定义指示操作的可位寻址的变量
5）定义存储在idata区域的动态unsignedchar数组：
unsignedcharidatatemp[20];
6）定义在pdata区域的动态有符号int数组：
intpdatasend_data[30];//定义存放发送数据的数组
7）定义存储在xdata区域的动态unsignedint数组：
unsignedintxdatareceiv_buf[50];//定义存放接受数据的数组
8）定义存储在code区域的unsignedchar数组：
unsignedcharcodedis_code[10]=
{0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,
0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//定义共阴极数码管段码数组
Ø4.3.5C51变量的存储模式
存储模式：
如果在定义变量时缺省了存储区属性，则编译器会自动选择默认的存储区域，也就是存储模式。
变量的存储模式也就是程序（或函数）的编译模式。
编译模式分为三种：
小模式（small）、紧凑模式（compact）和大模式（large）。
编译模式由编译控制命令决定。
存储模式（编译模式）决定了变量的默认存储区域和参数的传递方法。
一、small模式
在small模式下，变量的默认存储区域是“data”、“idata”，即未指出存储区域的变量保存到片内数据存储器中，并且堆栈也安排在该区域中。
small模式的特点：
存储容量小，但速度快。
在small模式下参数的传递：
通过寄存器、堆栈或片内数据存储区完成的。
二、compact模式
在compact模式下，变量的默认存储区域是“pdata”，即未指出存储区域的变量保存到片外数据存储器的一页中，最大变量数为256字节，并且堆栈也安排在该区域中。
compact模式的其特点：
是存储容量较small模式大，速度较small模式稍慢，但比large模式要快。
在compact模式下参数的传递：
通过片外数据区的一个固定页完成的。
三、large模式
在large模式下，变量的默认存储区域是“xdata”，即未指出存储区域的变量保存到片外数据存储器，最大变量数可达64KB，并且堆栈也安排在该区域中。
large模式的特点：
存储容量大，速度慢
large模式下参数的传递方式：
参数的传递也是通过片外数据存储器完成的。
C51支持混合模式：
即可以对函数设置编译模式，所以在large模式下，可以对某些函数设置为compact模式或small模式，从而提高运行速度。
默认编译模式：
如果文件或函数未指明编译模式，则编译器按small模式处理。
编译模式控制命令：
“#pragmasmall（或compact、large）”应放在文件的开始。
Ø4.3.6C51变量的绝对定位
C51有三种方式可以对变量（I/O端口）绝对定位：
绝对定位关键字_at_、指针、库函数的绝对定位宏。
对于后两种方式，在后面指针一节介绍。
C51扩展的关键字_at_专门用于对变量作绝对定位，_at_使用在变量的定义中，其格式为：
[存储类型]数据类型[存储区]变量名1_at_地址常数[，变量名2…]
举例说明_at_的使用方法
1）对data区域中的unsignedchar变量aa作绝对定位：
unsignedchardataaa_at_0x30;
2）对pdata区域中的unsignedint数组cc作绝对定位：
unsignedintpdatacc[10]_at_0x34;
3）对xdata区域中的unsignedchar变量printer_port作绝对定位：
unsignedcharxdataprinter_port_at_0x7fff;
对变量绝对定位的几点说明：
1）绝对地址变量在定义时不能初始化，因此不能对code型变量绝对定位；
2）绝对地址变量只能够是全局变量，不能在函数中对变量绝对定位；
3）绝对地址变量多用于I/O端口，一般情况下不对变量作绝对定位；
3）位变量不能使用_at_绝对定位。
Ø4.4C51位变量的定义
Ø4.4.1bit型位变量的定义
常说的位变量指的就是bit型位变量。
C51的bit型位变量定义的一般格式为：
[存储类型]bit位变量名1[=初值]
[，位变量名2[=初值]][，…]
bit位变量被保存在RAM中的位寻址区域（字节地址为0x20～0x2f，16字节）。
例如：
bitflag_run，receiv_bit=0；
staticbitsend_bit；
两点说明：
1）bit型位变量与其它变量一样，可以作为函数的形参，也可以作为函数的返回值，即函数的类型可以是位型的；
2）位变量不能定义指针，不能定义数组。
Ø4.4.2sbit型位变量的定义
对于能够按位寻址的特殊功能寄存器、定义在位寻址区域的变量（字节型、整型、长整型），可以对其各位用sbit定义位变量。
为了方便起见，分开讨论按位寻址的特殊功能寄存器中位变量的定义、按位寻址的变量中位变量的定义。
一、特殊功能寄存器中位变量定义
能够按位寻址的特殊功能寄存器中位变量定义的一般格式为：
sbit位变量名＝位地址表达式
这里的位地址表达式有三种形式：
直接位地址
特殊功能寄存器名带位号
字节地址带位号
1、用直接位地址定义位变量
这种情况下位变量的定义格式为：
sbit位变量名＝位地址常数
这里的位地址常数范围为0x80～0xff，实际是定义特殊功能寄存器的位。
例如：
sbitP0_0=0x80;
sbitP1_1=0x91;
sbitRS0=0xd3;//定义PSW的第3位
sbitET0=0xa9;//定义IE的第1位
2、特殊功能寄存器名带位号定义
这时位变量的定义格式为：
sbit位变量名＝特殊功能寄存器名^号常数
这里的位号常数为0～7。
例如：
sbitP0_3=P0^3;
sbitP1_4=P1^4;
sbitOV=PSW^2;//定义PSW的第2位
sbitES=IE^4;//定义IE的第4位
3、寄存器地址带位号定义位变量
在这种情况下位变量的定义格式为：
sbit位变量名＝特殊功能寄存器地址^位号常数
这里的位号常数同上，为0～7。
例如：
sbitP0_6=0x80^6;
sbitP1_7=0x90^7;
sbitAC=0xd0^6;//定义PSW的第6位
sbitEA=0xa8^7;//定义IE的第7位
4、几点说明
1）用sbit定义的位变量，必须能够按位操作，而不能够对无位操作功能的位定义位变量。
2）用sbit定义位变量，必须放在函数外面作为全局位变量，而不能在函数内部定义。
3）用sbit每次只能定义一个位变量。
4）对其它模块定义的位变量（bit型或sbit型）的引用声明，都使用bit。
5）用sbit定义的是一种绝对定位的位变量（因为名字是与确定位地址对应的），具有特定的意义，在应用时不能像bit型位变量那样随便使用。
二、位寻址区变量的位定义
对bdata型变量（字节型、整型、长整型），被保存在RAM中的位寻址区，因此可以对bdata型变量各位作位变量定义。
这样，既可以对bdata型变量作字节（或整型、长整型）操作，也可以作位操作。
bdata型变量的位定义格式：
sbit位变量名＝bdata型变量名^位号常数
bdata型变量为在此之前应该是定义过的，位号常数可以是0～7（8位字节变量），或0～15（16位整型变量），或0～31（32位字长整型变量）。
例如：
unsignedcharbdataoperate;
对operate的低4位作位变量定义：
sbitflag_key=operate^0;//键盘标志位
sbitflag_dis=operate^1;//显示标志位
sbitflag_mus=operate^2;//音乐标志位
sbitflag_run=operate^3;//运行标志位
Ø4.5C51特殊功能寄存器的定义
Ø4.5.18位特殊功能寄存器的定义
定义的一般格式为：
sfr特殊功能寄存器名＝地址常数
地址常数范围：
0x80～0xff。
特殊功能寄存器定义例子（见reg51.h、reg52.h等文件）：
sfrP0=0x80;//定义P0寄存器
sfrP1=0x90;//定义P1口寄存器
sfrPSW=0xd0;//定义PSW
sfrIE=0xa8;//定义IE
Ø4.5.216位特殊功能寄存器的定义
定义的一般格式为：
sfr16特殊功能寄存器名＝地址常数
地址常数范围：
0x80～0xff。
例如（见reg51.h、reg52.h等文件）：
sfr16DPTR=0x82;
sfr16T2=0xcc;//含TL2和TH2
sfr16RCAP2=0xca;//含RCAP2L//和RCAP2H,0xca为RCAP2L的地址
几点说明：
1）定义特殊功能寄存器中的地址必须在0x80～0xff范围内。
2）定义特殊功能寄存器，必须放在函数外面作为全局变量。
3）用sfr或sfr16每次只能定义一个特殊功能寄存器。
4）像sbit一样，用sfr或sfr16定义的是绝对定位的变量（因为名字是与确定地址对应的），具有特定的意义，在应用时不能像一般变量那样随便使用。
Ø4.6C51指针的定义
Ø4.6C51指针的定义
由于MCS-51单片机有三种不同类型的存储空间，并且还有不同的存储区域，因此C51指针的内容更丰富。
指针除了具有像变量的四种属性（存储类型、数据类型、存储区、变量名）外，按存储区，将指针分为通用指针和不同存储区域的专用指针。
Ø4.6.1通用指针
所谓通用指针，就是通过该类指针可以访问所有的存储空间。
在C51库函数中通常使用这种指针来访问。
通用指针用3个字节来表示：
第一个字节：
表示指针所指向的存储空间
第二个字节：
为指针地址的高字节
第三个字节：
为指针地址的低字节
通用指针的定义与一般C语言指针的定义相同，其格式为：
[存储类型]数据类型*指针名1[，*指针名2][，…]
通用指针的特点：
Ø定义简单
Ø访问所有空间
Ø访问速度慢
例如：
unsignedchar*cpt;
int*dpt;
long*lpt;
staticchar*ccpt;
Ø4.6.2存储器专用指针
所谓存储器专用指针，就是通过该类指针，只能够访问规定的存储空间区域。
指针本身占用1个字节（data*，idata*，bdata*，pdata*）或2个字节（xdata*，code*）。
存储器专用指针的一般定义格式为：
[存储类型]数据类型指向存储区
*[指针存储区]指针名1[,*[指针存储区]指针名2,…]
指向存储区：
是指针变量所指向的数据存储空间区域。
不能够缺省。
指针存储区：
是指针变量本身所存储的空间区域。
缺省时认为指针存储区在默认的存储区域，其默认存储区域决定于所设定的编译模式。
指向和指针存储区，两者可以是同一个区域，但多数情况下不会是同一个区域。
存储器专用指针例子：
unsignedchardata*cpt1,*cpt2;
signedintidata*dpt1,*dpt2;
unsignedcharpdata*ppt;
signedlongxdata*lpt1,*lpt2;
unsignedcharcode*ccpt;
上面所定义的指针虽然所指向的空间不同，但指针变量本身都存储在默认的存储区域。
又如：
1）unsignedchardata*idatacpt1,*idatacpt2;
2）signedintidata*datadpt1,*datadpt2;
3）unsignedcharpdata*xdatappt;
4）signedlongxdata*lpt1,*xdatalpt2;
5）unsignedcharcode*dataccpt;
前关键字为指针所指向的存储区
后关键字为指针本身所存储的区域
注意：
（1）要区分指针变量指向的空间区域和指针变量本身所存储的区域；
（2）定义时，前者不能缺省，而后者可以缺省；（3）指针变量的长度：
指向不同的区域，占用的字节数不同。
说明：
指针
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