C51程序组成与数据结构的单片机应用技术

目前单片机开发应用中，常使用C语言作为汇编语言。采用C语言编写的51系列单片机应用程序简称C51程序。C51程序对标准C程序的扩展主要是通过51系列单片机的硬件功能来实现的，其硬件功能有存储模式、存储器类型声明、变量类型声明、位变量和位寻址、特殊功能寄存器、C51指针、函数属性等。

另外，C51程序和标准C程序在以下方面是不同的：

①库函数不同。C51程序是按照51系列单片机的结构来定义的，标准C程序是按照计算机来定义的。

②数据类型不一样。C51程序中增加了单片机特有的数据类型。

③变量的存储模式不同。C51程序的存储模式与MCS-51单片机的存储器的结构相关。

④输入和输出的方式不一样。C51程序的输入/输出是通过单片机的串行口完成的，其指令执行前必须对串行口进行初始化。

⑤C51程序有专门的中断函数。

1）C51程序的组成

以例3.1程序为例介绍C51程序的组成结构（语句前的数字代表行号）。

C51语言程序的组成如下：

（1）预处理命令

1行，用于编译预处理。

（2）语句

以分号结束作为标志。

C51语言的语句可分为：

①函数定义语句：3～10，11～20。

②变量定义语句：5。

③函数调用语句：16，18。

④控制语句：6，7，8，13。

⑤赋值和运算语句：2，15，17。

⑥空语句：“；”。

⑦函数体：4～10，12～20。

（3）函数

确定程序或函数的功能，有主函数和子函数之分。void main（void）{…}是主函数；void delay02s（void）{…}是子函数；{…}是函数体。

2）C51的数据结构

使用单片机C51语言编写程序的过程中，离不开数据结构的应用，因此掌握C51语言的数据结构与类型非常重要。

（1）C51的标识符和关键字

标识符就是用户给源程序中的对象的命名。C51语言的标识符必须以字母或者下划线开头，在C51语言中其大小写是不一样的。C51编译器对标识符的前32位有效。变量所用标识符应该有一定的含义，便于阅读源程序。关键字是C51语言的特殊标识符，具有固定的名称和含义；且在C51语言程序中标识符和关键字不能相同。

Keil μVision2中的关键字，除了C语言的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。即标准关键字和扩展关键字。其标准关键字和扩展关键字分别见表3.1和表3.2。

表3.1　标准关键字

续表

表3.2　扩展关键字

（2）C51的数据类型

在标准C语言中，其基本数据类型有int、char、long、short、double、float，而在C51编译器中int和short相同，float和double相同，在此不作说明。其基本数据类型的具体定义见表3.3。

表3.3　单片机C语言编辑器所支持的基本数据类型

①char（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。char类型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类型可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类型可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。

②int（整型）。int长度为两个字节，用于存放一个双字节数据。int类型分为有符号整型数signed int和无符号整型数unsigned int，其默认值为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。

③long（长整型）。long长度为4个字节，用于存放一个四字节数据。long类型分为有符号长整型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。

④float（浮点型）。float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。

⑤bit（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”，类似于一些高级语言中的Boolean类型中的True和False。

⑥sbit（可寻址位）。sbit同样是单片机C语言中的一种扩充数据类型，利用它能访问芯片内部的RAM中的可寻址位。例如：

sbit P1_0=P1^0　//P1_0为P1中的P1.0引脚

⑦sfr（特殊功能寄存器）。sfr是一种扩充数据类型，占用一个内存单元，值域为0～255。利用它能访问51单片机内部的所有特殊功能寄存器。例如，用“sfr P0=0x80”访问特殊功能寄存器P0口，在语句中用P0=255（对P0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。

⑧sfr16（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一样都是用于操作特殊功能寄存器，所不同的是，sfr16用于操作占两个字节的寄存器，如DPTR。

⑨*（指针）。指针本身就是一个变量，在这个变量中存放的是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。指针变量也有整型、实型、字符型等类型。

（3）C51中的常量

常量是在程序运行过程中不能改变值的量，而变量则是可以在程序运行过程中不断变化的量。变量可以使用所有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整型常量。整型常量可以表示为十进制，如123、0、-89等。十六进制以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浮点型常量。浮点型常量可分为十进制和指数两种表示形式。十进制表示：由数字和小数点组成，如0.888、3345.345、0.0等；若整数部分或小数部分为0，则可以省略，但必须有小数点。指数表示：[±]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字符型常量。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。常用转义字符见表3.4。

表3.4　常用转义字符

④字符串型常量。字符串型常量由双引号内的字符组成，如“test”“OK”等。当引号内没有字符时表示为空字符串。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\0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，前者是字符串，在存储时占用两个字节；后者是字符，在存储时占用一个字节。

⑤位标量。位标量是C51编译器的一种扩充数据类型，它的值是一个二进制位，不是“0”就是“1”。

常量主要用于不必改变值的场合，如固定的数据表、字库等。常量的定义方式有几种，下面加以说明。

unsigned int code a=200；　//这一句用code把a定义在程序存储器中并赋值

const unsigned int c=300；　//用const定义c为无符号int常量并赋值

这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。

此外，还可以用预定义语句定义常量：

#define False 0x0;

#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。

（4）C51中的变量

变量是指在程序运行中不断变化的量。Keil C51中变量的使用与标准C有所不同。正确地使用变量，有利于获得高效的目标代码。下面详细介绍Keil C51中变量的使用方法。

Keil C51中变量定义格式如下：

[存储类型]数据类型[存储器类型]变量名表

①存储类型。存储类型指的是变量的作用域，单片机程序中变量的存储类型可分为自动变量、全局变量、静态变量和寄存器变量。

a.自动变量（auto）：在函数内部或者复合语句中使用的变量。在C51中函数或复合语句内部定义自动变量时，关键字auto可以省略。在程序执行过程中，自动变量是动态分配空间的。当函数或者复合语句执行完毕后，该变量的存储空间立刻自动取消，此时自动变量失效。

b.全局变量：以关键字extern标识的变量类型。全局变量一般定义在所有函数的外部。全局变量有时又称外部变量。在编译程序时，全局变量将被静态地分配适当的存储空间。该变量一旦分配空间，再在整个程序运行过程中便不会消失，即全局变量对整个程序文件都有效。

c.静态变量：关键字是static。从变量的作用域来看，该变量定义在函数内部就是内部静态变量；若定义在函数外部就是外部静态变量，静态变量始终占有内存空间。

d.寄存器变量（register）：存放在单片机内部寄存器中，处理速度快，无须声明，编译器自动识别。(www.xing528.com)

②存储器类型。存储器类型用于指定该变量在C51硬件系统中所使用的存储区域，是标准C中没有的。存储器类型共有6种，见表3.5。

表3.5　Keil C51所能识别的存储器类型

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。存储模式决定没有明确指定存储类型的变量。存储模式有Small模式、Compact模式和Large模式3种。

a.Small模式：所有缺省变量参数均装入内部RAM，优点是访问速度快，缺点是空间有限，只适用于小程序。

b.Compact模式：所有缺省变量均位于外部RAM区的一页（256 B），具体哪一页可由P2口指定，在STARTUP.A51文件中说明，也可用pdata指定。其优点是空间比Small宽裕；其缺点是速度比Small慢，但比Large快，是一种中间状态。

c.Large模式：所有缺省变量可放在多达64 KB的外部RAM区，其优点是空间大，可存变量多；其缺点是速度较慢。

③Keil C51变量的使用方法。

a.全局变量和静态局部变量。全局变量一般会在多个函数中被使用，并在整个程序运行期间有效；静态局部变量虽然只在一个函数中使用，但在整个程序运行期间有效。对于这些变量，应尽量选择data型，这样在目标代码中就可以用直接寻址指令访问，获得最高的访问速度，提高程序的工作效率。

b.数组（包括全局和局部）。定义数组一般用idata存储类型，如果因数组元素过多而在编译时报错，可以改用pdata和xdata存储类型。

c.供查表用的数据。这类数据的特点是需要始终保持不变，且使用时只读，故定义为code型。全局或局部code型变量在存储时无区别。

d.非静态局部变量。非静态局部变量仅在某一函数内使用，退出该函数时变量也被释放。若系统使用Small存储模式，则对于这些变量可以不加存储说明，由编译软件自行按最优原则决定，因为仅在函数内使用的非静态局部变量，有可能使用工作寄存器R0～R7，这样会更快速，更节省存储空间。例如，unsigned char i，j；，系统尽可能会用R0～R7存储i和j。若系统使用了Compact或Large存储模式，则应将这些变量定义为data存储模式，以防系统自行决定时被定义为pdata或xdata模式而降低工作效率。

④C51中新增变量。

a.特殊功能寄存器变量sfr：存储在片内特殊功能寄存器中，用来对特殊功能寄存器进行读/写操作。

它的格式如下：

sfr　8特殊功能寄存器名=特殊功能寄存器地址常数；

sfr　16特殊功能寄存器名=特殊功能寄存器地址常数；

例如：sfr P1=0x90；定义P1口，其地址为90H；sfr16 DPTR=0x82；定义DPTR口，其地址为82H。

b.位变量bit：存储在片内数据存储器的可位寻址字节（20H～2FH）的某个位上，这个变量在实时控制中具有很高的实用价值。

它的定义格式如下：

bit　位变量；

例如：

bit data　a1;

c.特殊功能寄存器位变量sbit：存储在片内特殊功能寄存器的可位寻址字节（地址可以被8整除者）的某个位上，用来对特殊功能寄存器的可位寻址位进行读/写操作。sbit在定义可位寻址对象时有3种形式：

sbit位变量名=位地址常数。

例如：

sbit P1_1=Ox91

sbit位变量名=特殊功能寄存器名+位的位置。

例如：

sft P1=0x90,sbit P1_1=P1^1

先定义一个特殊功能寄存器名，然后指定位变量名所在的位置，只有当可寻址位于特殊功能寄存器中时才可以采用这种方法。

sbit位变量名=字节地址^位置。

例如：

sbit P1_1=0x90^1

d.外部数据存储器变量：若设置成pdata和xdata存储类型，则将把变量存储在片外数据存储器中。这两种存储类型的访问速度最慢，建议尽量不要使用。在使用这两种存储类型时，注意尽量只用它保存原始数据或最终结果，尽量减少对其访问的次数，需要频繁访问的中间结果不要用它保存。

e.指针变量：单片机C语言支持一般指针（Generic Pointer）和存储器指针（Memory_Specific Pointer）。

一般指针：其声明和使用均与标准C相同，不过同时还能说明指针的存储类型。

例如：

long*state　//一个指向long型整数的指针，而state本身则依存储模式存放

char*xdata ptr　//一个指向char数据的指针，而ptr本身放于外部RAM区

以上的long、char型数据指针指向的数据可存放于任何存储器中，一般指针本身用3个字节存放，分别为存储器类型、高位偏移、低位偏移量。

存储器指针：基于存储器的指针在说明时即指定了存储类型。例如：

char data*str；　//str指向data区中char型数据

int xdata*pow；　//pow指向外部RAM的int型整数

这种指针存放时因为只存放偏移量，所以只需一个字节或两个字节就够了。

⑤变量的赋值。

a.整型变量和浮点型变量赋值。格式：

变量名=表达式；

例如，一个复合语句{int a，m；float n；a=100；m=5；n=a*m*0.a；}。

b.字符型变量，如{char a0，a1，a2；a0=‘b’；a1=65；}。

c.指针变量，如{int*i；char*str；*i=100；str=“good”；}。

d.数组的赋值，如{int m[2][2]；char s[10]；char*f[2]；m[0][0]=8；strcpy（s，"moring"）；f[0]="thank you"；}。

3）C51中绝对地址的访问

C51对片外扩展硬件I/O的定义用包含语句#include<absacc.h＞建立头文件absacc.h，用#define语句定义其硬件译码地址。例如：

#include<absacc.h＞

#define PORA XBYTE[0x20f4]　//将PORA定义为片外I/O端口，长度为8位，地址为20F4H

头文件absacc.h中的函数有：

①CBYTE：访问code区，字符型，char。

②DBYTE：访问data区，字符型。

③PBYTE：访问pdata区域或I/O口，字符型。

④XBYTE：访问xdata区域或I/O口，字符型。

⑤CWORD：访问code区，整型，int。

⑥DWORD：访问data区，整型。

⑦PWORD：访问pdata区或I/O口，整型。

⑧XWORD：访问xdata区或I/O口，整型。

（1）绝对宏

在程序中用#include<absacc.h＞即可使用其中定义的宏来访问绝对地址，包括CBYTE、XBYTE、PWORD、DBYTE、CWORD、XWORD、PBYTE、DWORD。

例如：

rval=CBYTE[0x0002]；//指向程序存储器的0002h地址

rval=XWORD[0x0002]；//指向外RAM的0004h地址

（2）_at_关键字

直接在数据定义后加上_at_const即可，需注意的是：

①绝对变量不能被初始化。

②bit型函数及变量不能用_at_指定。

例如：