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PICC編譯環(huán)境編寫PIC單片機(jī)程序的探討

發(fā)布時間:2010-10-2 18:15    發(fā)布者:conniede
關(guān)鍵詞: c語言 , PIC , PICC , 單片機(jī)
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。
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