51单片机C语言简介：从入门到实践

51单片机的编程语言常用的有两种：一种是汇编语言，一种是C语言。汇编语言的机器代码生成效率很高，但可读性却并不强，复杂一点的程序就更是难读懂，而C语言在大多数情况下其机器代码生成效率和汇编语言相当，但可读性和可移植性却远远超过汇编语言，而且C语言还可以嵌入汇编语言来解决高时效性的代码编写问题。对于开发周期来说，中大型的软件编写用C语言的开发周期通常要小于汇编语言很多。

1.数据类型

先来简单介绍C语言的标识符和关键字。标识符是用来标识源程序中某个对象的名字的，这些对象可以是语句、数据类型、函数、变量、数组等。C语言是大小字敏感的一种高级语言，如果我们要定义一个定时器1，可以写作“Timer1”，如果程序中有“TIMER1”，那么这两个是完全不同定义的标识符。标识符由字符串、数字和下划线等组成，需注意的是第一个字符必须是字母或下划线，如“1Timer”是错误的，编译时便会有错误提示。有些编译系统专用的标识符是以下划线开头的，所以一般不要以下划线开头命名标识符。标识符在命名时应当简单，含义清晰，这样有助于阅读理解程序。在C51编译器中，只支持标识符的前32位为有效标识，一般情况下也足够用了。

关键字则是编程语言保留的特殊标识符，它们具有固定名称和含义，在程序编写中不允许标识符与关键字亦同。在Keil μVision2中的关键字除了有ANSI C标准的32个关键字外还根据51单片机的特点扩展了相关的关键字。其实在Keil μVision2的文本编辑器中编写C程序，系统可以把保留字以不同颜色显示，默认颜色为天蓝色。

表2.2所示为Keil μVision2 C51编译器所支持的数据类型。在标准C语言中基本的数据类型为char，int，short，long，float和double，而在C51编译器中int和short相同，float和double相同，这里就不列出说明了。下面介绍这几种数据类型的具体定义。

表2.2　Keil μVision2 C51编译器所支持的数据类型

1）char字符类型

char类型的长度是一个字节，通常用于定义处理字符数据的变量或常量。分为无符号字符类型unsigned char和有符号字符类型signed char，默认值为signed char类型。unsigned char类型用字节中所有的位来表示数值，所能表达的数值范围是0～255。signed char类型用字节中最高位字节表示数据的符号，“0”表示正数，“1”表示负数，负数用补码表示。所能表示的数值范围是-128～+127。unsigned char常用于处理ASCII字符或用于处理小于或等于255的整型数。

正数的补码与原码相同，负二进制数的补码等于它的绝对值按位取反后加1。

2）int整型

int整型长度为两个字节，用于存放一个双字节数据，分为有符号int整型数signed int和无符号整型数unsigned int，默认值为signed int类型。signed int表示的数值范围是-32 768～+32 767，字节中最高位表示数据的符号，“0”表示正数，“1”表示负数。unsigned int表示的数值范围是0～65 535。

我们来写个小程序看看unsigned char和unsigned int用于延时的不同效果，说明它们的长度是不同的。依旧用上一课的最小化系统做实验，不过要多加一个电阻和LED，如图2.12所示。实验中用D1的点亮表明正在用unsigned int数值延时，用D2点亮表明正在用unsigned char数值延时。

图2.12　单片机点亮2个LED灯电路图

C语言源程序如下：

同样编译烧写，上电运行就可以看到结果了。很明显D1点亮的时间长于D2点亮的时间。程序中的循环延时时间不好确定，故不适合要求精确延时的场合，关于这方面我们以后也会讨论。这里必须注意的是，当定义一个变量为特定的数据类型时，在程序使用该变量不应使其值超过数据类型的值域。如本例中的变量b不能赋超出0～255的值，如for（b=0；b<255；b++）改为for（b=0；b<256；b++），编译是可以通过的，但运行时就会有问题出现，就是说b的值永远都是小于256的，所以无法跳出循环执行下一句P1_1=1，从而造成死循环。同理a的值不应超出0～65 535。读者可以烧写芯片查看实验的运行结果，同样软件仿真也是可以看到结果的。

3）long长整型

long长整型长度为4个字节，用于存放一个四字节数据。分为有符号long长整型signed long和无符号长整型unsigned long，默认值为signed long类型。signed int表示的数值范围是-2 147 483 648～+2 147 483 647，字节中最高位表示数据的符号，“0”表示正数，“1”表示负数。unsigned long表示的数值范围是0～4 294 967 295。

4）float浮点型

float浮点型在十进制中具有7位有效数字，是符合IEEE-754标准的单精度浮点型数据，占用4个字节。因浮点数的结构较复杂，在以后的章节中再做详细的讨论。

5）指针型

指针型本身就是一个变量，在这个变量中存放的指向另一个数据的地址。这个指针变量要占据一定的内存单元，对不同的处理器长度也不尽相同，在C51中它的长度一般为1～3个字节。

6）bit位标量

bit位标量是C51编译器的一种扩充数据类型，利用它可定义一个位标量，但不能定义位指针，也不能定义位数组。它的值是一个二进制位，不是0就是1，类似一些高级语言中的Boolean类型中的True和False。

7）sfr特殊功能寄存器

sfr也是一种扩充数据类型，占用一个内存单元，值域为0～255。利用它可以访问51单片机内部的所有特殊功能寄存器。如用sfr P1=0x90这一句定义P1为P1端口在片内的寄存器，在后面的语句中我们用P1=255（对P1端口的所有引脚置高电平）之类的语句来操作特殊功能寄存器。

8）sfr16 16位特殊功能寄存器

sfr16占用两个内存单元，值域为0～65 535。sfr16和sfr一样用于操作特殊功能寄存器，所不同的是它用于操作占两个字节的寄存器，以方便定时器T0和T1。

9）sbit可录址位

sbit同位是C51中的一种扩充数据类型，利用它可以访问芯片内部的RAM中的可寻址位或特殊功能寄存器中的可寻址位，如先前所定义的。

sfr P1=0x90； //因P1端口的寄存器是可位寻址的，所以我们可以定义

sbit P1_1=P1＾1； // P1_1为P1中的P1.1引脚

同样我们可以用P1.1的地址去写，如sbit P1_1=0x91；

这样我们在以后的程序语句中就可以用P1_1来对P1.1引脚进行读写操作了。通常这些可以直接使用系统提供的预处理文件，里面已定义好各特殊功能寄存器的简单名字，直接引用可以节约时间。当然也可以自定义文件，采用好记的名字。

2.常量

常量是在程序运行过程中不能改变值的量，而变量是可以在程序运行过程中不断变化的量。变量的定义可以使用所有C51编译器支持的数据类型，而常量的数据类型只有整型、浮点型、字符型、字符串型和位标量。

（1）整型。整型常量可以表示为十进制，如123，0，-89等。十六进制则以0x开头如0x34，-0x3B等。长整型就在数字后面加字母L，如104L，034L，0xF340等。

（2）浮点型。浮点型常量可分为十进制和指数表示形式。十进制由数字和小数点组成，如0.888，3 345.345，0.0等，整数或小数部分为0，可以省略但必须有小数点。指数表示形式为［±］数字［.数字］e［±］数字，［］中的内容为可选项，其中内容根据具体情况可有可无，但其余部分必须有，如125e3，7e9，-3.0e-3。

（3）字符型。字符型常量是单引号内的字符，如'a''d'等，不可以显示的控制字符，可以在该字符前面加一个反斜杠“\”组成专用转义字符。常用转义字符表见表2.3。

表2.3　常用转义字符表

（4）字符串型。字符串型常量由双引号内的字符组成，如“test”“OK”等。当引号内的没有字符时，为空字符串。在使用特殊字符时同样要使用转义字符如双引号。在C语言中字符串常量是作为字符类型数组来处理的，在存储字符串时系统会在字符串尾部加上\o转义字符以作为该字符串的结束符。字符串常量“A”和字符常量'A'是不同的，前者在存储时多占用一个字节的字间。

（5）位标量。位标量的值是一个二进制。

常量可用在不必改变值的场合，如固定的数据表、字库等。常量的定义方式有几种，下面具体加以说明。

#define False 0x0； //用预定义语句可以定义常量

#define True 0x1； //定义False为0，True为1

//在程序中用到False编译时自动用0替换，同理True替换为1

unsigned int code a=100； //用code把a定义在程序存储器中并赋值

const unsigned int c=100； //用const定义c为无符号int常量并赋值

以上两句的值都保存在程序存储器中，而程序存储器在运行中是不允许被修改的，所以如果在这两句后面用了类似a=110、a++这样的赋值语句，编译时将会出错。

3.变量

前面所提到变量是一种在程序执行过程中其值能不断变化的量。在程序中使用变量必须先用标识符作为变量名，并指出所用的数据类型和存储模式，这样编译系统才能为变量分配相应的存储空间。定义一个变量的格式如下：

［存储种类］数据类型［存储器类型］变量名表

在定义格式中除了数据类型和变量名表是必要的，其他都是可选项。存储种类有四种：自动（auto）、外部（extern）、静态（static）和寄存器（register），默认类型为自动（auto）。这些存储种类的具体含义和用法，可以参考相关资料进一步进行学习。

而这里的数据类型则与之前学习到的各种数据类型的定义是一样的。说明了一个变量的数据类型后，还可选择说明该变量的存储器类型。存储器类型的说明就是指定该变量在C51硬件系统中所使用的存储区域，并在编译时准确的定位。表2.4所示为Keil μVision2所能认别的存储器类型。注意的是在AT89C51芯片中RAM只有低128位，位于80H到FFH的高128位则在52芯片中才有用，并和特殊寄存器地址重叠。

表2.4　Keil μVision2所能认别的存储器类型

如果省略存储器类型，系统则会按编译模式SMALL、COMPACT或LARGE所规定的默认存储器类型去指定变量的存储区域。无论什么存储模式都可以声明变量在任何的8051存储区范围，然而把最常用的命令，如循环计数器和队列索引放在内部数据区可以显著地提高系统性能。还有要指出的就是变量的存储种类与存储器类型是完全无关的。

SMALL存储模式把所有函数变量和局部数据段放在8051系统的内部数据存储区，使访问数据非常快，但SMALL存储模式的地址空间受限。在写小型的应用程序时，变量和数据放在data内部数据存储器中是很好的，因为访问速度快，但在较大的应用程序中data区最好只存放小的变量、数据或常用的变量（如循环计数、数据索引），而大的数据则放置在别的存储区域。

COMPACT存储模式中所有的函数和程序变量与局部数据段定位在8051系统的外部数据存储区。外部数据存储区可有最多256 B（一页），在本模式中外部数据存储区的短地址用@R0/R1。

LARGE存储模式所有函数和过程的变量与局部数据段都定位在8051系统的外部数据区，外部数据区最多可有64 KB，这要求用DPTR数据指针访问数据。

之前简单提到sfr、sfr16、sbit定义变量的方法，下面予以详细介绍。

sfr和sfr16可以直接对51单片机的特殊寄存器进行定义，定义方法如下：

sfr特殊功能寄存器名=特殊功能寄存器地址常数。(www.xing528.com)

sfr16特殊功能寄存器名=特殊功能寄存器地址常数。

可以这样定义AT89C51的P1口。

sfr P1=0x90； //定义P1 I/O口，其地址90H

sfr关键字后面是一个要定义的名字，可任意选取，但要符合标识符的命名规则，名字最好有一定的含义，如P1口可以用P1为名，这样程序会变得好读。等号后面必须是常数，不允许有带运算符的表达式，而且该常数必须在特殊功能寄存器的地址范围之内（80H～FFH）。sfr是定义8位的特殊功能寄存器，而sfr16则是用来定义16位的特殊功能寄存器，如8052的T2定时器，可以定义为

sfr16 T2=0xCC； //这里定义8052定时器2，地址为T2L=CCH，T2H=CDH

用sfr16定义16位特殊功能寄存器时，等号后面是它的低位地址，高位地址一定要位于物理低位地址之上。注意的是不能用于定时器0和1的定义。

sbit可定义可位寻址对象，如访问特殊功能寄存器中的某位。其实这样应用是经常要用的，如要访问P1口中的第2个引脚P1.1，可以按以下的方法去定义。

1）sbit 位变量名=位地址

sbit P1_1=0x91；

这样是把位的绝对地址赋给位变量。同sfr一样，sbit的位地址必须位于80H～FFH。

2）sbit 位变量名=特殊功能寄存器名^位位置

sft P1=0x90；

sbit P1_1=P1^1； //先定义一个特殊功能寄存器名再指定位变量名所在的位置

当可寻址位位于特殊功能寄存器中时可采用这种方法。

3）sbit 位变量名=字节地址^位位置

sbit P1_1=0x90^1；

这种方法其实和2）是一样的，只是把特殊功能寄存器的位址直接用常数表示。

在C51存储器类型中提供有一个bdata的存储器类型，是指可位寻址的数据存储器，位于单片机的可位寻址区中，可以将要求可位寻址的数据定义为bdata，例如：

unsigned char bdata ib； //在可位寻址区定义unsigned char类型的变量ib

int bdata ab［2］； //在可位寻址区定义数组ab［2］，这些也称可寻址位对象

sbit ib7=ib^7 //用关键字sbit定义位变量来独立访问可寻址位对象的其中一位

sbit ab12=ab［1］^12；

操作符”＾”后面的位位置的最大值取决于指定的基址类型，char0-7，int0-15，long0-31。

下面我们同样做一下简单的流水灯实验，项目名为RunLED2。C语言源程序如下：

//sfr P1=0x90； //使用预定义文件

sbit P1_0=P1^0； //自定义特殊寄存器

sbit P1_7=0x90^7； //之前我们使用的预定义文件其实就是这个作用

sbit P1_1=0x91； //这里分别定义P1端口和P10、P11、P17引脚

void main（void）

4.运算符和表达式

以上介绍了常量和变量，现在补充一个用以重新定义数据类型的语句。这个语句就是typedef。如果你是个DELPHI编程爱好者或是程序员，你对变量的定义也许习惯了DELPHI的关键字，如int类型常会用关键字Integer来定义，在C51中可以这样写：

typedef int integer；

integer a，b；

这两句在编译时，其实是先把integer定义为int，在以后的语句中遇到integer就用int置换，integer就等于int，所以a，b也就被定义为int。typedef不能直接用来定义变量，它只是对已有的数据类型作一个名字上的置换，并不是产生一个新的数据类型。下面两句就是一个错误的例子：

typedef int integer；

integer=100；

使用typedef可以用方便程序的移植和简化较长的数据类型定义。用typedef还可以定义结构类型，这一点在后面详细解说结构类型时再一并说明。typedef的语法是：

typedef 已有的数据类型 新的数据类型名

运算符就是完成某种特定运算的符号。运算符按其表达式中与运算符的关系可分为单目运算符、双目运算符和三目运算符。单目就是指需要有一个运算对象，双目就要求有两个运算对象，三目则要有三个运算对象。表达式则是由运算及运算对象所组成的具有特定含义的式子。C是一种表达式语言，表达式后面加“；”就构成了一个表达式语句。

1）赋值运算符

对于“=”，大家不会陌生，在C中它的功能是给变量赋值，称之为赋值运算符。它的作用就是将数据赋给变量。如，x=10；由此可见利用赋值运算符将一个变量与一个表达式连接起来的式子为赋值表达式，在表达式后面加“；”便构成了赋值语句。使用“=”的赋值语句格式如下：

变量=表达式；

示例如下。

a=0xFF； //将常数十六进制数FF赋于变量a

b=c=33； //同时赋值给变量b，c

d=e； //将变量e的值赋于变量d

f=a+b； //将变量a+b的值赋于变量f

由上面的例子可以知道赋值语句的意义就是先计算出“=”右边的表达式的值，然后将得到的值赋给左边的变量，而且右边的表达式可以是一个赋值表达式。

通常会出现“==”与“=”这两个符号混淆、编译报错，往往就是错在if（a=x）之类的语句中，错将“=”用为“==”。“==”符号是用来进行相等关系运算的。

2）算术、增减量运算符

对于a+b，a/b这样的表达式大家都很熟悉，用在C语言中，+/就是算术运算符。C51中的算术运算符有如下几个，其中只有取正值和取负值，运算符是单目运算符，其他则都是双目运算符。

+ 加或取正值运算符

- 减或取负值运算符

* 乘运算符

/ 除运算符

% 取余运算符

算术表达式的形式：

表达式1 算术运算符 表达式2

例如：a+b*（10-a）， （x+9）/（y-a）

除法运算符和一般的算术运算规则有所不同，如是两浮点数相除，其结果为浮点数，如10.0/20.0所得值为0.5，而两个整数相除时，所得值就是整数，如7/3，值为2。像别的语言一样，C的运算符也有优先级和结合性，同样可用“（）”来改变优先级。