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目前，Microchip公司生產的PIC系列單片機以其低成本、低功耗、高性能、開發速度快且一次性用戶可編程等優點迅速占領了國內市場，成為國內銷售量最大的單片機。但國內介紹其C語言開發工具的書籍和文章卻比較少，在開發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編譯器穩定可靠，編譯生成的代碼效率高，在用PIC單片機進行系統設計和開發的工程師群體中得到廣泛認可。因此，本文主要以HiTech PICC為基礎，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，但是不支持函數的遞歸調用，其主要原因是PIC單片機特殊的堆棧結構。PIC單片機中的堆棧是硬件實現的，其深度已隨芯片固定，無法實現需要大量堆棧操作的遞歸算法；另外在PIC單片機中實現軟件堆棧的效率也不是很高。為此，PICC編譯器采用一種“靜態覆蓋”技術，以實現對C語言函數中的局部變量分配固定的地址空間。經這樣處理后產生出的機器代碼效率很高。當代碼量超過4KB后，C語言編譯出的代碼長度與全部用匯編代碼實現的差別已經不是很大（<10%），當然前提是在整個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。為了使編譯器產生最高效的機器碼，PICC把單片機中數據寄存器的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內的變量前面必須加上相應的bank序號，例如： bank1 unsigned char temp;//變量定位在bank1中 中檔系列PIC單片機數據寄存器的一個bank大小為128B，除前面若干字節的特殊功能寄存器區域，在C語言中某一bank內定義的變量字節總數不能超過可用RAM字節數。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）字節準備放到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行變量存取操作前無需再特意編寫設定bank的指令。C編譯器會根據所操作的對象自動生成對應bank設定的匯編指令。為避免頻繁的bank切換以提高代碼效率，盡量把實現同一任務的變量定位在同一個bank內；對不同bank內的變量進行讀寫操作時也盡量把位于相同bank內的變量歸并在一起進行連續操作。 bit型位變量只能是全局的或靜態的。PICC將把定位在同一bank內的8個位變量合并成一個字節存放于一個固定地址。PICC對整個數據存儲空間實行位編址，0x000單元第0位位地址是0x0000，以此類推，每個字節有8個位地址。如果一個位變量flag1被編址為0x123，那么實際的存儲空間位于： 字節地址＝0x123/8 = 0x24 位偏移＝0x123%8 = 3 即flag1位變量位于地址為0x24字節的第3位。在程序調試時如果要觀察flag1的變化，必須觀察地址為0x24的字節而不是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。假設一個字節變量tmp最后被定位在地址0x20,那么 tmp | =0x80=>bsf 0x20.7 另外，函數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來實現間接尋址。FSR能夠直接連續尋址的范圍是256B，所以一個指針可以同時覆蓋2個bank的存儲區域（bank0/1或bank2/3，一個bank區域是128 B）。要覆蓋最大512B的內部數據存儲空間，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適用區域，在對指針變量賦值時就必須實現類型匹配，否則將產生錯誤，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 程序語句： pointer() =buff;//錯誤！試圖將bank2內的變量地址賦給指向bank0/1的指針 若出現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常數的指針 如果一組變量是已經被定義在ROM區的常數，那么指向其的指針可以這樣定義： const unsigned char company[]="software" 3.3 指向函數的指針 因為在PIC單片機這一特定的架構上實現函數指針調用的效率不高，因此，除非特殊算法的需要，建議大家盡量不要使用函數指針。 4 PICC中的子程序和函數 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心代碼的分頁問題。因為所有函數或子程序調用時的頁面設定（如果代碼超過一個頁面）都由編譯器自動生成的指令實現。 4.1 函數的代碼長度限制 PICC決定了C源程序中的一個函數經編譯后生成的機器碼一定會放在同一個程序頁面內。中檔系列PIC單片機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最后生成的代碼不能超過2KB。如果為實現特定的功能確實要連續編寫很長的程序，這時就必須把這些連續的代碼拆分成若干函數，以保證每個函數最后編譯出的代碼不超過一個頁面空間。 4.2 調用層次的控制 PIC單片機采用硬件堆棧，所以編程時函數的調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調用嵌套指示圖“call graph”，有些函數調用是編譯時自動加入的庫函數，這些函數調用從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”;單片機系統強調的是控制的實時性，為了實現這一要求，有時必須用匯編指令實現部分代碼以提高程序運行的效率。在C程序中嵌入匯編指令有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的語句： asm("clrwdt"); 這是在C源程序中直接嵌入匯編指令的最直接最容易的方法。 ② 如果需要編寫一段連續的匯編指令，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“_”符號就可進行訪問了。另外，對于C語言中定義的多字節全局變量，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訪問，例如： asm(“movf_advalue+0.0”);//把advalue低字節中的數送到w里 asm(“rrf_advalue+1”)//把advalue高字節中的數左移一位 5.2 匯編指令尋址C函數的局部變量 前面已經提到，PICC對自動型局部變量（包括函數調用時的入口參數）采用一種“靜態覆蓋”技術，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據寄存器的直接尋址方式即可，因此關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語言編程的優勢是毋庸置疑的：開發效率大大提高、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，就應該盡量避免嵌入匯編指令或編寫匯編指令模塊文件。例如： 變量的循環右移操作用C語言實現非常不方便，PIC單片機已有對應的移位操作匯編指令，因此用嵌入匯編的形式實現效率最高。對移位次數的控制，實際上變量count1的遞減判零也可以直接用匯編指令實現，這樣可節約代碼，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bank0的存儲空間，因此用戶自己定位在bank0內的變量字節數將受到一定的限制，在實際使用時需注意。 ② 當程序中把非位變量進行強制類型轉換成位變量時，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，則轉換成位變量0；若最低位是1，則轉換成位變量1。 ③ 由于PIC系列單片機的內部資源十分有限，所以在允許的條件下應盡量使用無符號字符型變量，以節約空間。 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行參數傳遞，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傳遞的效率也比形參高。 ⑥ 對于多字節變量（如int型、float型變量等）PICC遵循Little endian標準，即低字節放在存儲空間的低地址，高字節放在高地址，編程時需注意。 7 結語 一般C語言產生的代碼是比較繁瑣的，所以要寫出高質量、實用的C語言程序，就必須對單片機體系結構和硬件資源作詳盡的了解。用C語言開發PIC系列單片機系統軟件具有編寫代碼效率高、軟件調試直觀、維護升級方便、代碼的重復利用率高、便于跨平臺的代碼移植等優點，因此C語言編程在單片機系統設計中的應用必將越來越廣泛。 |
