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目前，Microchip公司生產(chǎn)的PIC系列單片機(jī)以其低成本、低功耗、高性能、開發(fā)速度快且一次性用戶可編程等優(yōu)點(diǎn)迅速占領(lǐng)了國內(nèi)市場，成為國內(nèi)銷售量最大的單片機(jī)。但國內(nèi)介紹其C語言開發(fā)工具的書籍和文章卻比較少，在開發(fā)過程中給廣大程序員帶來了許多困難和不便。 Microchip公司沒有針對中低檔系列PIC單片機(jī)的C語言編譯器，但很多專業(yè)的第三方公司提供眾多支持PIC單片機(jī)的C語言編譯器，常見的有Hitech、CCS、IAR以及Bytecraft等公司。Hitech公司的PICC編譯器穩(wěn)定可靠，編譯生成的代碼效率高，在用PIC單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的工程師群體中得到廣泛認(rèn)可。因此，本文主要以HiTech PICC為基礎(chǔ)，介紹PIC的C語言的基本特點(diǎn)。 1 HiTech PICC語言的特點(diǎn) PICC基本上符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)，但是不支持函數(shù)的遞歸調(diào)用，其主要原因是PIC單片機(jī)特殊的堆棧結(jié)構(gòu)。PIC單片機(jī)中的堆棧是硬件實(shí)現(xiàn)的，其深度已隨芯片固定，無法實(shí)現(xiàn)需要大量堆棧操作的遞歸算法；另外在PIC單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)軟件堆棧的效率也不是很高。為此，PICC編譯器采用一種“靜態(tài)覆蓋”技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對C語言函數(shù)中的局部變量分配固定的地址空間。經(jīng)這樣處理后產(chǎn)生出的機(jī)器代碼效率很高。當(dāng)代碼量超過4KB后，C語言編譯出的代碼長度與全部用匯編代碼實(shí)現(xiàn)的差別已經(jīng)不是很大（<10%），當(dāng)然前提是在整個C代碼編寫過程中需時時注意所編寫語句的效率。 2 PICC中的變量 PICC中的變量類型和標(biāo)準(zhǔn)C語言一樣，這里不再重復(fù)。為了使編譯器產(chǎn)生最高效的機(jī)器碼，PICC把單片機(jī)中數(shù)據(jù)寄存器的bank交由編程員自己管理，因此在定義用戶變量時必須自己決定這些變量具體放在哪一個bank中。如果沒有特別指明，所定義的變量將被定位在bank0。定義在其他bank內(nèi)的變量前面必須加上相應(yīng)的bank序號，例如： bank1 unsigned char temp;//變量定位在bank1中 中檔系列PIC單片機(jī)數(shù)據(jù)寄存器的一個bank大小為128B，除前面若干字節(jié)的特殊功能寄存器區(qū)域，在C語言中某一bank內(nèi)定義的變量字節(jié)總數(shù)不能超過可用RAM字節(jié)數(shù)。如果超過bank容量，在最后連接時會報錯，大致信息如下： Error[000]:Can’t find 0x12C words for psect rbss_1 in segmentBANK1 鏈接器提示，總共有0x12c（300）字節(jié)準(zhǔn)備放到bank1中，但bank1容量不夠。雖然變量所在的bank定位必須由編程員自己決定，但編寫源程序時在進(jìn)行變量存取操作前無需再特意編寫設(shè)定bank的指令。C編譯器會根據(jù)所操作的對象自動生成對應(yīng)bank設(shè)定的匯編指令。為避免頻繁的bank切換以提高代碼效率，盡量把實(shí)現(xiàn)同一任務(wù)的變量定位在同一個bank內(nèi)；對不同bank內(nèi)的變量進(jìn)行讀寫操作時也盡量把位于相同bank內(nèi)的變量歸并在一起進(jìn)行連續(xù)操作。 bit型位變量只能是全局的或靜態(tài)的。PICC將把定位在同一bank內(nèi)的8個位變量合并成一個字節(jié)存放于一個固定地址。PICC對整個數(shù)據(jù)存儲空間實(shí)行位編址，0x000單元第0位位地址是0x0000，以此類推，每個字節(jié)有8個位地址。如果一個位變量flag1被編址為0x123，那么實(shí)際的存儲空間位于： 字節(jié)地址＝0x123/8 = 0x24 位偏移＝0x123%8 = 3 即flag1位變量位于地址為0x24字節(jié)的第3位。在程序調(diào)試時如果要觀察flag1的變化，必須觀察地址為0x24的字節(jié)而不是0x123。PICC在編譯原代碼時只要有可能，對普通變量的操作也將以最簡單的位操作指令來實(shí)現(xiàn)。假設(shè)一個字節(jié)變量tmp最后被定位在地址0x20,那么 tmp | =0x80=>bsf 0x20.7 另外，函數(shù)可以返回一個位變量，返回的位變量將存放于單片機(jī)的進(jìn)位位中返回。 3 PICC中的指針 3.1 指向RAM的指針 PICC在編譯C源程序時，將指向RAM的指針操作最終用FSR來實(shí)現(xiàn)間接尋址。FSR能夠直接連續(xù)尋址的范圍是256B，所以一個指針可以同時覆蓋2個bank的存儲區(qū)域（bank0/1或bank2/3，一個bank區(qū)域是128 B）。要覆蓋最大512B的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲空間，在定義指針時必須明確指定該指針適用的尋址區(qū)域。例如： unsigned char *pointer0; //定義覆蓋bank0/1的指針 bank2 char *pointer1;//定義覆蓋bank2/3的指針 既然定義的指針有明確的bank適用區(qū)域，在對指針變量賦值時就必須實(shí)現(xiàn)類型匹配，否則將產(chǎn)生錯誤，例如： unsigned char *pointer0; //定義指向bank0/1的指針 bank2 unsigned char buff;//定義bank2/3中的一個緩沖區(qū) 程序語句： pointer() =buff;//錯誤！試圖將bank2內(nèi)的變量地址賦給指向bank0/1的指針 若出現(xiàn)此類錯誤的指針操作，PICC在最后鏈接時會告知類似于下面的信息： Fixup overflow in expression (…) 3.2 指向ROM常數(shù)的指針 如果一組變量是已經(jīng)被定義在ROM區(qū)的常數(shù)，那么指向其的指針可以這樣定義： const unsigned char company[]="software" 3.3 指向函數(shù)的指針 因?yàn)樵赑IC單片機(jī)這一特定的架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)函數(shù)指針調(diào)用的效率不高，因此，除非特殊算法的需要，建議大家盡量不要使用函數(shù)指針。 4 PICC中的子程序和函數(shù) 中檔系列的PIC單片機(jī)程序空間有分頁的概念，但用C語言編程時基本不用過多關(guān)心代碼的分頁問題。因?yàn)樗泻瘮?shù)或子程序調(diào)用時的頁面設(shè)定（如果代碼超過一個頁面）都由編譯器自動生成的指令實(shí)現(xiàn)。 4.1 函數(shù)的代碼長度限制 PICC決定了C源程序中的一個函數(shù)經(jīng)編譯后生成的機(jī)器碼一定會放在同一個程序頁面內(nèi)。中檔系列PIC單片機(jī)的一個程序頁面的長度是2KB，用C語言編寫的任何一個函數(shù)最后生成的代碼不能超過2KB。如果為實(shí)現(xiàn)特定的功能確實(shí)要連續(xù)編寫很長的程序，這時就必須把這些連續(xù)的代碼拆分成若干函數(shù)，以保證每個函數(shù)最后編譯出的代碼不超過一個頁面空間。 4.2 調(diào)用層次的控制 PIC單片機(jī)采用硬件堆棧，所以編程時函數(shù)的調(diào)用層次會受到一定限制。一般PIC系列的中檔單片機(jī)硬件堆棧深度為8級。程序員必須自己控制子程序調(diào)用時的嵌套深度以符合這一限制要求。PICC在最后編譯鏈接成功后可以生成一個鏈接定位映射文件（*.map），在此文件中有詳細(xì)的函數(shù)調(diào)用嵌套指示圖“call graph”，有些函數(shù)調(diào)用是編譯時自動加入的庫函數(shù)，這些函數(shù)調(diào)用從C源程序中無法直接看出，但在嵌套指示圖上則一目了然。 5 C語言和匯編語言混合編程 單片機(jī)的一些特殊指令操作在標(biāo)準(zhǔn)的C語言語法中沒有直接對應(yīng)的描述，例如PIC單片機(jī)的清看門狗指令“clrwdt”和休眠指令“sleep”;單片機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是控制的實(shí)時性，為了實(shí)現(xiàn)這一要求，有時必須用匯編指令實(shí)現(xiàn)部分代碼以提高程序運(yùn)行的效率。在C程序中嵌入?yún)R編指令有2種方法。 ① 如果只需要嵌入少量幾條匯編指令，PICC提供了一個類似于函數(shù)的語句： asm("clrwdt"); 這是在C源程序中直接嵌入?yún)R編指令的最直接最容易的方法。 ② 如果需要編寫一段連續(xù)的匯編指令，PICC支持另外的一種語法描述：用“#asm”來開始匯編指令段，用“#endasm”結(jié)束。例如: 5.1 匯編指令尋址C語言定義的全局變量 所有C語言中定義的符號在編譯后將自動在前面添加下劃線“_”。因此，若要在匯編指令中尋址C語言定義的各類變量，一定要在變量前加上“_”符號,例如上例中的count是在C語言中定義的無符號全局變量，在匯編語言中只需在其前面加上“_”符號就可進(jìn)行訪問了。另外，對于C語言中定義的多字節(jié)全局變量，例如C語言中的如下定義： int advalue; 在匯編語言里訪問時就得分字節(jié)訪問，例如： asm(“movf_advalue+0.0”);//把a(bǔ)dvalue低字節(jié)中的數(shù)送到w里 asm(“rrf_advalue+1”)//把a(bǔ)dvalue高字節(jié)中的數(shù)左移一位 5.2 匯編指令尋址C函數(shù)的局部變量 前面已經(jīng)提到，PICC對自動型局部變量（包括函數(shù)調(diào)用時的入口參數(shù)）采用一種“靜態(tài)覆蓋”技術(shù)，對每一個變量確定一個固定地址（位于bank0），嵌入的匯編指令對其尋址時只需采用數(shù)據(jù)寄存器的直接尋址方式即可，因此關(guān)鍵是要知道這些局部變量的尋址符號。建議讀者先編寫一小段C代碼，其中有最簡單的局部變量操作指令，把此源代碼編譯成對應(yīng)的PICC匯編指令；查看C編譯器生成的匯編指令是如何尋址這些局部變量的，自己編寫的行內(nèi)匯編指令就采用同樣的尋址方式。 相對于匯編語言，用C語言編程的優(yōu)勢是毋庸置疑的：開發(fā)效率大大提高、人性化的語句指令及模塊化的程序易于日常管理和維護(hù)、程序在不同平臺間移植方便。所以既然使用C語言編程，就應(yīng)該盡量避免嵌入?yún)R編指令或編寫匯編指令模塊文件。例如： 變量的循環(huán)右移操作用C語言實(shí)現(xiàn)非常不方便，PIC單片機(jī)已有對應(yīng)的移位操作匯編指令，因此用嵌入?yún)R編的形式實(shí)現(xiàn)效率最高。對移位次數(shù)的控制，實(shí)際上變量count1的遞減判零也可以直接用匯編指令實(shí)現(xiàn)，這樣可節(jié)約代碼，但用標(biāo)準(zhǔn)C語言描述更直觀、更易于維護(hù)。 6 注意事項(xiàng) ① 既然所有的局部變量將占用bank0的存儲空間，因此用戶自己定位在bank0內(nèi)的變量字節(jié)數(shù)將受到一定的限制，在實(shí)際使用時需注意。 ② 當(dāng)程序中把非位變量進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換成位變量時，要注意編譯器只對普通變量的最低位做判別：若最低位是0，則轉(zhuǎn)換成位變量0；若最低位是1，則轉(zhuǎn)換成位變量1。 ③ 由于PIC系列單片機(jī)的內(nèi)部資源十分有限，所以在允許的條件下應(yīng)盡量使用無符號字符型變量，以節(jié)約空間。 ④ PICC對絕對定位的變量不保留地址空間，例如： unsigned char advalue @ 0x20;//advalue定位在地址0x20，相當(dāng)于匯編語言中的偽指令 advalue EQU 20H 所以請讀者慎用。 ⑤ 盡量使用全局變量進(jìn)行參數(shù)傳遞，使用全局變量最大的好處是尋址直觀，只需在C語言定義的變量名前增加一個下劃線符即可在匯編語句中尋址；使用全局變量進(jìn)行參數(shù)傳遞的效率也比形參高。 ⑥ 對于多字節(jié)變量（如int型、float型變量等）PICC遵循Little endian標(biāo)準(zhǔn)，即低字節(jié)放在存儲空間的低地址，高字節(jié)放在高地址，編程時需注意。 7 結(jié)語 一般C語言產(chǎn)生的代碼是比較繁瑣的，所以要寫出高質(zhì)量、實(shí)用的C語言程序，就必須對單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)和硬件資源作詳盡的了解。用C語言開發(fā)PIC系列單片機(jī)系統(tǒng)軟件具有編寫代碼效率高、軟件調(diào)試直觀、維護(hù)升級方便、代碼的重復(fù)利用率高、便于跨平臺的代碼移植等優(yōu)點(diǎn)，因此C語言編程在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用必將越來越廣泛。 |
