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[導(dǎo)讀]目前,Microchip公司生產(chǎn)的PIC系列單片機以其低成本、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。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。

目前,Microchip公司生產(chǎn)的PIC系列單片機以其低成本、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。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單片機進行系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)的工程師群體中得到廣泛認可。因此,本文主要以Hi—Tech PICC為基礎(chǔ),介紹PIC的C語言的基本特點。


1 HiTech PICC語言的特點
    PICC基本上符合ANSI標準,但是不支持函數(shù)的遞歸調(diào)用,其主要原因是PIC單片機特殊的堆棧結(jié)構(gòu)。PIC單片機中的堆棧是硬件實現(xiàn)的,其深度已隨芯片固定,無法實現(xiàn)需要大量堆棧操作的遞歸算法;另外在PIC單片機中實現(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)生出的機器代碼效率很高。當(dāng)代碼量超過4 KB后,C語言編譯出的代碼長度與全部用匯編代碼實現(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中的變量類型和標準C語言一樣,這里不再重復(fù)。為了使編譯器產(chǎn)生最高效的機器碼,PICC把單片機中數(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13ank()。定義在其他bank內(nèi)的變量前面必須加上相應(yīng)的baruk序號,例如:
    bankl lresigned char temp; //變量定位在bankl中
    中檔系列PIC單片機數(shù)據(jù)寄存器的一個bank大小為128 B,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:

   
    鏈接器提示,總共有Oxl2c(300)字節(jié)準備放到bankl中,但bankl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)存儲空間實行位編址,Ox000單元第O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flagl被編址為Oxl23,那么實際的存儲空間位于:

   
即flagl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flagl的變化,必須觀察地址為Ox24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現(xiàn)。假設(shè)一個字節(jié)變量tmp最后被定位在地址Ox20,那么tmp |=Ox80=>bsf Ox20.7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的進位位中返回。

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來實現(xiàn)間接尋址。FSR能夠直接連續(xù)尋址的范圍是256 B,所以一個指針可以同時覆蓋2個bank的存儲區(qū)域(bankO/1或1aank2/3,一個bank區(qū)域是128 B)。要覆蓋最大512 B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:


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:

   
3.3 指向函數(shù)的指針
   
因為在PIC單片機這一特定的架構(gòu)上實現(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。因為所有函數(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)編譯后生成的機器碼一定會放在同一個程序頁面內(nèi)。中檔系列PIC單片機的一個程序頁面的長度是2 KB,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2 KB。如果為實現(xiàn)特定的功能確實要連續(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
    單片機的一些特殊指令操作在標準的C語言語法中沒有直接對應(yīng)的描述,例如PIC單片機的清看門狗指令“clrwdt”和休眠指令“sleep”;單片機系統(tǒng)強調(diào)的是控制的實時性,為了實現(xiàn)這一要求,有時必須用匯編指令實現(xiàn)部分代碼以提高程序運行的效率。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


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“一”。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“一”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“一”符號就可進行訪問了。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:


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bankO),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、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語言實現(xiàn)非常不方便,PIC單片機已有對應(yīng)的移位操作匯編指令,因此用嵌入?yún)R編的形式實現(xiàn)效率最高。對移位次數(shù)的控制,實際上變量countl的遞減判零也可以直接用匯編指令實現(xiàn),這樣可節(jié)約代碼,但用標準C語言描述更直觀、更易于維護。


6 注意事項
    ①既然所有的局部變量將占用bankO的存儲空間,因此用戶自己定位在bankO內(nèi)的變量字節(jié)數(shù)將受到一定的限制,在實際使用時需注意。
    ②當(dāng)程序中把非位變量進行強制類型轉(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O;若最低位是1,則轉(zhuǎn)換成位變量1。
    ③由于PIC系列單片機的內(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。
    ④PICC對絕對定位的變量不保留地址空間,例如:

   
所以請讀者慎用。
    ⑤盡量使用全局變量進行參數(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標準,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。

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、實用的C語言程序,就必須對單片機體系結(jié)構(gòu)和硬件資源作詳盡的了解。用C語言開發(fā)PIC系列單片機系統(tǒng)軟件具有編寫代碼效率高、軟件調(diào)試直觀、維護升級方便、代碼的重復(fù)利用率高、便于跨平臺的代碼移植等優(yōu)點,因此C語言編程在單片機系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用必將越來越廣泛。

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