自学单片机-4
第4章 C语言基础以及流水灯的实现
C语言，在编程领域是久负盛名的，可能没接触过计算机编程的人会把它看得很神秘，感觉非常的难。其实并非如此，C语言的逻辑和运算，充其量也就是小学水平，所以大家不要怕它，作者尽可能地从小学数学逻辑方式带着大家学习C语言。
4.1 二进制、十进制和十六进制进制，看似很简单的东西，但是很多读者还是不能彻底理解。这里先简单介绍一些注意事项，然后还是从实验中讲解会比较深刻。（1）十进制就不多说了，逢十进位，一个位有十个值：0~9，生活中到处都是它的身影。二进制就是逢二进位，它的一个位只有两个值:0和1，但它却是实现计算机系统的最基本的理论基础，计算机（包括单片机）芯片是基于成万上亿个的开关管组合而成的，它们每一个都只能有开和关两种状态，再难找出第三个状态了（不要辩解半开半关这个状态，它是不稳定态，是极力避免的），所以它们只能 对应于二进制的1和0两个值，而没有2、3、4......，理解二进制对于理解计算机的本质很有帮助。书写二进制数据时需加前缀0b，每一位的值只能是0或1。十六进制就是把4个二进制位组合为一位来表示，于是它的每一位有0b0000~0b1111共16个值，用0~9再加上A~F(或a~f)表示,那么它自然就是逢十六进位了，它本质上同二进制是一样的，是二进制的一种缩写形式，也是程序编写中常用的形式。书写十六进制数据时需加前缀0x，表示4-1是三种进制之间的对应关系。
（2）对于二进制来说，8位二进制称为一个字节，二进制的表达范围值是从0b00000000~0b11111111,而在程序中用十六进制表示的时候就是从0x00到0xFF，这里教大家一个二进制转换十进制和十六进制的方法，二进制4位一组，遵循8/4/2/1的规律，比如0b1010，那么从最高位开始算，数字大小是8x1+4x0+2x1+1x0=10，那么十进制就是10，十六进制就是0xA。尤其二进制转十六进制的时候，十六进制一位刚好是和二进制的4位相对应的，这些大家不需要强行记忆，多用几次自然就熟练了。
（3）对于进制来说，只是数据的表现形式，而数据的大小不会因为进制表现形式不同而不同，比如二进制的0b1、十进制的1、十六进制的0x01，它们本质上是数值大小相等的同一个数据，在进行C语言编程的时候，只写十进制和十六进制，那么不带0x的就是十进制，带了0xt符号的就是十六进制。
4.2 C语言变量类型和范围
什么是变量？变量自然和常量是相对的。常量就是1、2、3、4、5、10.6......等固定的数字，而变量则跟小学学的x是一个概念，既可以让它是1，也可以让它是2，想让它是几是程序说了算的。
小学学的数学里边有这么几类，正数、负数、整数和小数。在C语言里，除名字和数学里学的不一样外，还对数据大小进行了限制。这个地方有一点复杂的是，在C51里边的数据范围和其他编程环境还可能不完全一样，因此图4-1仅仅代表的是C51,其他编程环境可能不一样，大家知道有这回事就可以了。
C语言的数据基本类型分为字符型、整型、长整型以及浮点型，如图4-1所示。
图4-1中的四种基本类型，每个基本类型又包含了两个类型。字符型、整型、长整型除了可表达的数值大小范围不同之外，都是只能表达整数，而unsigned型的又只能表达正整数，要表达负整数则必须用signed型，如果表达小数的话，则必须用浮点型了。
比如前面讲到的闪烁LED小灯的程序，用的是
unsigned int i = 0;
这个地方i的取值范围就是0~65535，在接下来的for语句里，如果把原来那个30000改成70000，
for(i = 0; i<70000; i++);
大家会发现小灯会一直亮，而不是闪烁了，这里自然就有因超出i取值范围所造成的问题，但要彻底搞明白这个问题，还要了解for语句的用法。不用急，接下来很快就会学到它了。
这里有一个编程宗旨，就是能用小不用大。就是说定义能用1个字节char解决问题的，就不定义成int，一方面节省RAM空间可以让其他变量或者中间运算过程使用，另外一方面，占空间小程序运算速度也快一些。
4.3 C语言基本运算符
小学数学有加、减、乘、除等运算符号以及四则混合运算，而这些运算符号在C语言中也有，但是有些表达方法不一样，并且还有额外的运算符号。在C语言编程中，加、减、乘、除和取余数的符号分别是：+、-、*、/、%。此外，C语言中还有额外的两个运算符++和–,它们的用法是一样的，一个是自加1，一个是自减1，下面选++来讲一下。
++在用法上就是加1的意思，注意是变量自己加，比如b++的意思就是b=b+1，而在编程的时候有两种常用的方式先加和后加。比如
unsigned char a= 0; unsigned char b=0;
那么
a = ++b;
其整个运算过程是先计算b=b+1,那么b就等于1了，然后再运行a=b，运行完毕a=1，b=1。如果写成
a=b++；
那么运算过程就是先执行
a=b;
再执行b=b+1,执行完的结果就是a=0，b=1。
刚刚讲的叫作算数运算符，其中用到了C语言一个很重要的赋值运算符”=“。前边的程序在不停地用，但是始终没有详细诠释这个运算符。在C语言里，”=“代表赋值，而不是等于。最经典的一个例子就是
a=1; b=2;
如果写成
a=a+b;
这个在数学里的运算是a等于a加b,但是在C语言里的意思是把a加b的结果送给a,那么运算完结果是a等于3，b还等于2。
说到这里就不得不说C语言的比较运算符”==“。这个在C语言里是进行是否等于判断的关系运算符，而”!="就是不等于的关系运算符。这些运算符这里就是简单介绍一下，而后边会通过使用来帮助大家巩固这些知识。其他一些运算符，在使用过程中也会陆陆续续介绍。
4.4 for循环语句
for语句是编程的一个常用的语句，这个语句必须学会其用法，它不仅仅可以用来做延时，更重要的是用来做一些循环运算。for语句的一般形式如下：for(表达式1；表达式2；表达式3）{（需要执行的语句）;}其执行的过程是：表达式1首先执行且只执行一次；然后执行表达式2，通常都是一个用于判定条件的表达式，如果表达式2条件成立，就执行（需要执行的语句）；然后再执行表达式3；再判断表达式2，执行（需要执行的语句）；再执行表达式3......一直到表达式2不成立时，跳出循环继续执行循环后面的语句。举个例子：for(i=0; i<2; i++){j++;}这里有一个符号++,我们刚刚讲过了。假如j最开始初值是0，首先执行表达式1的i=0,然后判断i小于2这个条件成立，就执行一次j++,j的值就是1了，然后经过表达式3后，i的值也变成了1了，再判断条件2，还是符合，j再加一次，j变成2了，再经过表达式3后i也变成2了，再判断条件2， 发现2<2这个条件不成立了，所以就不会再执行j++这个语句了。所以执行完后j的值就是2。for语句除了这种标准用法，还有几种特殊用法，比如前面的闪烁小灯对for语句的用法（for(i=0; i<30000; i++); )。没有加（需要执行的语句），就是什么都不操作。但是什么都不操作，这个for语句循环判断了30000次，程序执行是会用掉时间的，所以就起到了延时的作用。比如把30000改成20000，会发现灯的闪烁速度加快了，因为延时时间短了，当然，改成40000后会发现，闪烁慢了。但是有一点特别注意，C语言的延时时间是不能通过程序看出来的，也不会成比例，比如for循环里边的表达式2使用30000时延时是3秒，那么改成40000的时候，可能不是4秒，那如何看实际延时时间呢？一会儿我再教大家。还有一种写法for(; ; ),这样写后，这个for循环就变成死循环了，它不停地执行（需要执行的语句），和前边讲的while(1)的意思是一样的了。while这个语法是如何用的呢？
4.5 while循环语句
在单片机C语言编程的时候，每个程序都会固定地加 一句while(1)，这条语句就可以起到死循环的作用。对于while语句来说，其一般形式是：while(表达式）{循环体语句；}在C语言里，通常表达式符合条件称为真，不符合条件称为假。比如前边i<30000，当i等于0的时候，这个条件成立，就是真；如果i大于30000,条件不成立，就称为假。while(表达式）这个括号里的表达式，为真的时候，就会执行循环体语句，当为假的时候，就不执行。在这里先不举例，后边遇到时再详细说明。还有另外一种情况，就是C语言里边，除了表达式外，还有常数，习惯上把非0的常数都认为是真，只有0认为是假，所以程序中使用了while（1），这个数字1，可以改成2、3、4......都可以，都是一个死循环，不停地执行循环体的语句，如果把这个数字改成0，那么就不会执行循环体的语句了。大家通过学习for循环和while循环，是不是会产生一个疑问？为何有的循环加上{}，而有的循环却没有加呢？什么时候需要加，什么时候不需要加呢？前边讲过，在C语言中，分号表示语句的结束，而在循环语句里{}表示的是循环体的所有语句，如果不加大括号，则只循环执行一条语句，即第一个分号之前的语句，而加上大括号，则会执行大括号中所有的语句，举个例子看一下吧，前面的闪烁小灯程序如下所示。程序（1）：while(1){LED = 0;for(i=0; i<30000; i++);LED = 1;for(i=0; i<30000; i++);}程序（2）：while(1)LED =0 ;for(i=0; i<30000; i++); LED =1;for(i=0; i<30000; i++);
程序（1）可直接实现闪烁功能。而程序（2）没有加大括号，从语法上来看是没有任何错误的，写到keil里编译一下也不会报错。但是从逻辑上来讲，程序（2）只会不停地循环“LED=0; "这条语句，实际上和程序(3)效果是相同的。
程序（3）：
while(1)
{
LED = 0;
}
for(i=0; i<30000; i++);
LED = 1;
for(i=0; i<30000; i++);
程序执行到while(1)已经进入死循环了，所以后边三条语句是永远也执行不到的。因此为了防止出类似的逻辑错误，推荐不管循环语句后边是一条还是多条语句，都加上{}以防止出错。
4.6 函数的简单介绍
函数定义的一般形式如下：函数值类型 函数名（形式参数列表）{函数体}(1)函数值类型，就是函数返回值的类型。在后边的程序中，会有很多函数中有return x, 这个返回值也就是函数本身的类型。还有一种情况，就是这个函数只执行操作，不需要返回任何值，那么这个时候它的类型就是空类型void，这个void按道理来说是可以省略的，但是一旦省略，Keil软件会报一个警告，所以通常也不省。（2)函数名，可以由任意的字母、数字和下画线组成，但数字不能作为开关。函数名不能与其他函数或者变量重名，也不能是关键字。什么是关键字呢，后边会慢慢接触，比如char就是关键字，是程序中具备特殊功能的标示符，这种东西不可以命名函数。（3）形式参数列表，也叫作形参列表，这个是函数调用的时候，相互传递数据用的。有的函数不需要传递参数给它，可以用void来替代，void同样可以省略，但是括号是不能省略的。（4）函数体，包含了声明语句部分和执行语句部分。声明语句部分主要用于声明函数内部所使用的变量，执行语句部分主要是一些函数需要执行的语句。特别注意，所有的声明语句部分必须放在执行语句之前，否则编译的时候会报错。（5）一个工程文件必须有且仅有一个main函数，程序执行的时候，都是从main函数开始的。（6）关于形参和实参的概念，后边再总结，如果遇到程序里有，大家再跟着抄一段时间。先用，后讲解，这样更有利于理解。下面来回顾一下前面的闪烁LED程序中的主函数，大家根据注释再认真分析一遍，是不是对函数的认识就清楚多了。
代码中的”//"是注释符，意思是说在这之后的内容都是注释。注释是给程序员自己或其他人看的，用于对程序代码做的一些补充说明，对程序的编译和执行没有任何影响。
4.7 Keil软件延时
C语言常用的延时方法有4种，如图4-2所示。图4-2是C语言编程常用的4种延时方法，其中两种非精确延时，两种精确一些的延时。for语句和while语句都可以通过改变i的范围值来改变延时时间，但是C语言循环的执行时间都是不能通过程序看出来的。
精确延时有两个方法：一个方法是用定时器来延时，这个方法后边课程要详细介绍，定时器是单片机的一个重点；另外一个方法就是用库函数_nop_(); ,一个NOP的时间是一个机器周期的时间，这个后边也要介绍。
非精确延时，只是在做一些比如小灯闪烁、流水灯等简单演示实验中使用，而实际项目开发过程中其实这种非精确延时用的很少。
好了，介绍完了，就要实战了。前面的LED小灯闪烁的程序，用的延时方式是for(i=0; i<30000; i++); 大家如果把这里的i改成100，下载进入单片机，会发现小灯一直亮，而不是闪烁状态，现在就请大家都把这个程序改一下，改成100，然后下载观察一下现象再继续…
观察完了，毫无疑问，实际现象和刚才提到的理论是相符合的，这是为什么呢？这里介绍一个常识。人的肉眼对闪烁的光线有一个最低分辨能力，通常情况下当闪烁的频率高于50Hz时，看到的信号就是常亮的。即，延时的时间低于20ms的时候，人的肉眼是分辨不出来小灯是在闪烁的，可能最多看到的是小灯亮暗稍微变化了一下。要想清楚地看到小灯闪烁，延时的值必须大一点，大到什么程序呢，不同的亮度的灯不完全一样，大家可以自己做实验。
那么如何观察写的延时到底有多长时间呢？选择Keil菜单项Project-Options for Target ‘Target1’…，或单击在图2-17中已提到过的图标，进入工程选项，如图4-3所示。
首先打开Target这个选项卡，找到里边的Xtal(MHz）这个位置，这是填写进行模拟时间的晶振选项，从原理图以及板子上都可以看到，单片机所使用的晶振是11.0592MHz，所以这个地方要填上11.0592。然后找到Debug这个选项卡，选择左侧的Use Simulator，然后单击OK按钮就可以了，如图4-4所示。
选择菜单项Debug-Start/Stop Debug Session，或者单击图4-5中粗线框内的按钮，就会进入一个新的页面，如图4-6所示。
最左侧那一栏显示单片机一些寄存器的当前值和系统信息，最上边那一栏是Keil将C语言转换成汇编的代码，下边就是写C语言的程序，调试界面包含很多的子窗口，都可以通过菜单View中的选项打开和关闭。读者可能会感觉这种默认的分布不符合习惯或者不方便观察特定信息，好办界面上几乎所有子窗口的位置都可以调整。比如想把Disassembly反汇编窗口和源代码窗口横向并排摆放 ，那么只需要用鼠标拖动反汇编窗口的标题栏，这时会在屏幕上出现多个指示目标位置的图标，拖着窗口把鼠标移动到相应的图标上，软件还会用蓝色底纹指示具体的位置，如图4-7所示，松开鼠标窗口就会放到新位置了。调整后的效果如图4-8所示。
读者可能已经注意到在C语言的源代码文件和反汇编窗口内都有一个黄色的箭头，这个箭头代表的就是程序当前运行的位置，因为反汇编内的代码就由源文件编译生成的，所以它们指示的是相同的实际位置。在这个工程调试界面里，可以看到程序运行的过程。在左上角的工具栏里有这样三个按钮：第一个标注有RST字样的是复位，单击一下之后，程序就会跑到最开始的位置 运行；右侧紧挨着的按钮是全速运行，单击一下程序就会全速跑起来；右边打叉的是停止按钮，当程序全速运行起来，可以通过单击第三个图标来让程序停止，观察程序运行到哪里了。单击一下复位，会发现C语言程序左侧有灰色或绿色，有的地方还是保持原来的白色，可以在灰色的位置双击设置断点，就是比如程序一共20行，在第10行设置断点后，点全速运行，程序就会运行到第10行停止，方便观察运行到这个地方的情况。
读者会发现，有的位置可以设置断点，有的地方不可以设置断点，这是为什么呢？因为Keil软件本身具备程序优化的功能，如果大家想在所有的代码位置都能设置断点，可以在工程选项里把优化等级设置为0，就是告诉Keil不要进行优化，如图4-9所示。
本节重点是讲C语言代码的运行时间，在最左侧的register那个框内，有一个sec选项，这个选项显示就是单片机运行了多少时间。单击一下复位按钮，会发现这个sec变成了0，然后在“LED=0; "这一句加一个断点， 在”LED=1; "这个位置加一个断点，单击全速运行按钮，会直接停留在”LED=0;“，会看时间变化成0.00042752秒，如图4-10所示。请注意，这里设置的优化等级是默认的8，如果用的是其他等级的话运行时间就会有所差别，因为优化等级会直接影响程序的执行效率。
在这里插入图片描述
再单击一下全速运行，会发现sec变成了0.16342556，那么减去上次的值，就是程序在这两个断点之间执行所经历的时间，也就是这个for循环的执行时间，大概是163毫秒。也可以通过改变30000这个数字来改变这个延时时间。当然了，大家要注意i的取值范围，如果写成了大于65535的值以后，程序就一直运行不下去了，因为i无论如何变化，都不会大于这个值，如果要大于这个值且正常运行，必须改变i定义的类型了。后边如果要查看一段程序运行了多长时间，都可以通过这种方式来查看。
实际上，进入debug模式，除了可以看程序运行了多长时间外，还可以观察各个寄存器、各个变量的数值变化情况。单击View菜单里的Watch Windows - Watch 1，可以打开变量观察窗口，如图4-11所示。
在这个窗口内，可以通过双击或按F2键，然后输入想观察的变量或寄存器的名字，后边就会显示出它的数值，这个功能在后边的调试程序中比较有用，大家先了解一下。
4.8 流水灯程序
前边学了点亮一个LED小灯，然后又学了LED小灯闪烁，现在要进一步学习如何让8 个小灯依次一个接一个的点亮，流动起来，也就是常说的流水灯。先来看8个LED的核心电路图，如图4-12所示。通过前面的介绍，可以了解到控制引脚P0.0经过74HC245控制了DB0，P0.1控制DB1,......，P0.7控制DB7。还学到一个字节是8位，如果写一个P0，就代表了P0.0到P0.7的全部8个位。比如写P0=0xFE; 转换成二进制就是0b11111110，所以点亮LED小灯的程序，实际上可以改成另外一种写法，代码如下。
通过上边这个程序可以看出来，可以通过P0来控制所有的8个LED小灯的亮和灭。下边要进行依次亮和灭，怎么办呢？从这里就可以得到方法了，如果想让单片机流水灯流动起来，依次要赋给P0的数值就是：0xFE、0xFD、0xFB、0xF7、0xEF、0xDF、0xBF、0x7F。
在C语言当中，有一个移位操作，其中《代表的是左移，》代表的是右移。比如a=0x01<<1; 就是a的结果等于0x01左移一位。大家注意，移位都是指二进制移位，那么移位完了，本来在第0位的1移动到了第一位上，移动完了低位是补0的。所以a的值最终是等于0x02。
还要学习另外一个运算符，这个符号是按位取反的意思，同理按位取反也是针对二进制而言。比如a=(0x01); 0x01的二进制是0b0000000001,按位取反后就是0b11111110，那么a的值就是0xFE了。
学会了这两个符号，就可以把流水灯的程序写出来，代码如下。
程序中cnt是count的缩写，计数的意思，是经常用的一个变量名称。当cnt等于0的时候，1左移0位还是1， 那么写成二进制后就是0b00000001,对这个数字按位取反就是0b11111110，亮的是最右边的小灯。当cnt等于7的时候，1左移7位就是0b10000000,按位取反后就是0b01111111,亮的是最左边的小灯。中间过程大家可以自己分析一下。
流水灯结束后，关于小灯的讲解，就暂时告一段落了，后边还有小灯的高级用法，到时候再详细讲解。
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