第3章

　　CHAPTER3

　　MSP430單片機C語言

　　程序設計基礎

　　3.1單片機程序設計基礎

　　3.1.1程序流程圖

　　在程序設計中，最重要的不是編寫代碼而是算法設計，這與建筑和機械制造很相似。例如，當要建設一棟高樓時，首先要做的是繪制高樓的結構圖以及施工圖，然后是現(xiàn)場施工。程序設計也是如此，當面對一個程序設計任務時，首先想要做的是先畫出整個任務實現(xiàn)的流程圖，然后再使用具體的程序設計語言進行代碼實現(xiàn)�？梢姡�程序流程圖的繪制在整個程序設計中起著重要作用。實際上，繪制流程圖的過程就是思考和形成算法的過程。由于其直觀性，繪制過程本身又促進了思考。因此，程序流程圖是人們對解決問題的方法、思路或算法的一種描述方法。當人們看到一個優(yōu)秀的程序流程圖時，就能很快地把握住程序結構和處理思路，有利于程序糾錯和維護。

　　程序流程圖具有符號規(guī)范、畫法簡單、結構清晰、邏輯性強、便于描述、容易理解等優(yōu)點。繪制流程圖所需要的基本符號如圖3.1所示，它們分別是起始框、終止框、執(zhí)行框和判別框。其中，起始框和終止框是程序流程圖必備的；執(zhí)行框中注有必要文字說明以指示具體執(zhí)行了何種操作，該框所指的操作可大可小。在概要設計階段執(zhí)行框所描述的是一個大的功能模塊。在詳細設計階段則是指在實現(xiàn)某一特定功能時需要執(zhí)行的具體指令或語句。

　　圖3.1流程圖中基本符號

　　繪制程序框圖的規(guī)則：使用標準的框圖符號；框圖一般按從上到下、從左到右的方向畫；除判別框外，大多數(shù)程序框圖的符號只有一個進入點和一個退出點，而判別框是具有超過一個退出點的唯一符號。在繪制流程圖時要注意結構化程序設計中三種基本結構的流程圖標準畫法。盡量將復合條件轉為多個單一條件。流程線不要忘記畫箭頭，因為它是反映流程執(zhí)行的先后順序。如果不畫箭頭，就難以判斷執(zhí)行次序。

　　3.1.2單片機程序設計語言

　　目前主要的單片機程序設計語言是匯編語言和C語言。匯編語言是面向CPU的程序設計語言。由于匯編語言程序直接利用單片機指令集中的指令實現(xiàn)具體的算法功能，因此匯編語言與機器語言具有較好的一致性，可以訪問所有能夠被訪問的軟、硬件資源。匯編語言程序的目標代碼簡短，占用內(nèi)存少，執(zhí)行速度快，是高效的程序設計語言。它經(jīng)常與高級語言配合使用，以改善程序的執(zhí)行速度和效率，彌補高級語言在硬件控制方面的不足。匯編語言的缺點是不同處理器具有不同的匯編語言語法和編譯器，編譯好的程序無法在不同的處理器上執(zhí)行，缺乏可移植性。匯編語言程序的可讀性差、不易維護�？傊�，匯編語言程序編寫煩瑣、工作量大、開發(fā)效率很低，周期長且單調(diào)。目前處理器性能不斷提升、存儲資源越來越豐富，使得匯編語言目標代碼少、效率高的優(yōu)勢正在逐漸喪失。使用匯編語言從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的人數(shù)總體呈下降趨勢。

　　C語言是一種既具有高級語言的特點，又具有部分匯編語言特點的程序設計語言。C語言也是一種結構化的程序設計語言，因為它提供了三種基本結構語句，而且提供了定義“函數(shù)”的功能。函數(shù)可以完成子程序的所有功能，是完成程序功能的基本構件。由于函數(shù)允許將一個程序中的多個任務被分別定義、編碼和單獨編譯，所以函數(shù)可以使程序模塊化。作為一種高級語言，C語言功能齊全、應用范圍大，已是目前最為流行的高級語言之一。但是C語言代碼的執(zhí)行效率比匯編語言要低。

　　在程序設計歷史上匯編語言曾是非常流行的語言之一。一方面，隨著硬件技術的進步，CPU性能不斷提高、儲存資源日益增大、成本逐漸降低；另一方面，隨著軟件規(guī)模的增長以及對開發(fā)進度和效率的苛刻要求，高級語言逐漸取代了匯編語言。但即便如此，高級語言也不可能完全替代匯編語言的作用。以Linux內(nèi)核為例，盡管絕大部分內(nèi)核代碼是用C語言編寫的，但在某些關鍵地方仍然使用了匯編代碼。因為這部分代碼與硬件的關系非常密切，即使是C語言也會顯得力不從心，而匯編語言則能夠很好地揚長避短，最大限度地發(fā)揮硬件的性能。

　　一般對于小程序來說，若是對硬件進行簡單的控制可以用匯編語言，若更多涉及邏輯設計方面的內(nèi)容，則需要使用C語言。對于稍大一些的程序來說，C語言的優(yōu)勢就十分明顯了。就現(xiàn)代單片機程序設計來說，大多是以C語言為主，匯編語言為輔。即只有在那些對代碼大小和效率要求較高的場合才使用匯編語言。

　　3.1.3單片機程序設計的一般步驟

　　圖3.2單片機程序設計流程圖

　　人們在嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)過程中摸索出了程序設計的一般步驟，具體如圖3.2所示。該步驟對于基于單片機的產(chǎn)品設計與程序開發(fā)具有很好的借鑒作用。按此步驟進行產(chǎn)品開發(fā)可使設計者少走彎路，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品可靠性。

　　1.需求分析、明確任務

　　該階段要盡可能搞清楚用戶的全部需求信息，即對要完成的任務進行詳細的了解與分析。然后將具體的實際問題抽象轉化成計算機可以處理的問題。

　　2.算法設計

　　在明確任務之后，就需要將其轉化成計算機算法。算法就是在計算機上解決問題的方法與步驟。對于復雜的大型程序，算法設計又可分為概要設計和詳細設計兩個階段。對于比較小的軟件兩個可以同時做。詳細設計完成后算法設計也就基本完成了，接下來將設計好的算法轉化成使用具體程序設計語言編寫出的程序，進而實現(xiàn)在計算機上的求解。在設計算法時一般會采用或借鑒現(xiàn)有的一些計算方法和日常生活中解決問題的邏輯思維推理方法等。

　　繪制程序流程圖是在算法設計之初就開始的工作，在算法設計好之后，程序流程圖也就確定了。所以說算法設計的過程，也是繪制程序流程的過程。通過畫流程圖可以首先從圖上檢驗算法的正確性，減少出錯的可能，使得動手編寫程序時的思路更加清晰。

　　3.芯片選擇及合理分配單片機資源

　　等完成算法設計之后，就需要決定在何種硬件平臺上實現(xiàn)上述算法。在確定好主要芯片之后，就需要完成單片機系統(tǒng)的資源配置及分配，主要是單片機存儲空間和工作單元的合理分配和外圍設備的配置。在這個過程中，應充分利用不同型號單片機的特殊優(yōu)點以方便資源配置和系統(tǒng)設計。例如，合理、正確地對存儲空間進行分段和數(shù)據(jù)定義。由于MSP430單片機對16位數(shù)據(jù)處理效率最高，因此要充分利用這一特點。

　　4.代碼編寫

　　該步驟在單片機程序設計中是最為重要的一步。經(jīng)過1~3步的準備，已完成了程序代碼編寫前的所有工作。編寫程序時要選擇好編寫語言，對于同一種算法，不同的程序設計語言會有不同的實現(xiàn)方法。編程能力的提高是一個循序漸進的過程。對于初學者來說，一方面，要多讀現(xiàn)有的程序，以學習別人的編程經(jīng)驗；另一方面，還必須多動手，親自編寫程序，不要怕失敗，只有通過無數(shù)次失敗，才能從中積累自己的編程經(jīng)驗。

　　5.程序調(diào)試

　　在源代碼編寫完畢之后，就要進行調(diào)試。通過調(diào)試的程序只能說明沒有語法錯誤，但不能排除沒有邏輯錯誤。所以能不能達到預期效果還必須用實際數(shù)據(jù)測試才可以。一般來說，這是一個反復測試的過程。對此，程序編寫人員，尤其是初學者一定要有充分的心理準備。只要有足夠的耐心，加上認真、細致的工作態(tài)度，就一定能找出其中的邏輯錯誤。事實上，即使是一個非常有經(jīng)驗的程序員，也沒有百分之百的把握一次就成功。

　　6.性能評估

　　在程序調(diào)試完后，就需要將程序應用到產(chǎn)品上進行實際環(huán)境檢驗，其中包括功能檢驗、可靠性檢驗、極端環(huán)境下檢驗。凡經(jīng)過檢驗符合要求了，整個程序設計工作就算結束了，接下來就是文檔整理與使用說明書的編寫工作了。若不符合要求，則需要重新開始，這是最壞的情況。一般而言，只要將任務需求分析做得足夠細，一般不會出現(xiàn)這種極端情況。

　　7.文檔整理與編寫

　　程序運行無誤，實際試運行正常，且經(jīng)過了各種環(huán)境測試，但這并不意味著產(chǎn)品開發(fā)任務的結束。程序文檔的編寫也是程序設計的一個重要任務。其目的是為了便于修改和維護程序。程序文檔一般包括含有功能要求和指標程序的設計任務書、程序流程圖、存儲單元分配清單、源程序清單、應用系統(tǒng)資源分配、參量計算和設計、錯誤信息的定義、實際功能及指標測試結果說明、程序使用和維護說明書等。需要注意的是，部分程序文檔的編寫是與上述1~6步同時進行的。

　　3.2MSP430單片機C語言程序設計

　　目前支持MSP430單片機的C語言編譯器很多，國內(nèi)主要使用的是IAR公司的IAREmbeddedWorkbenchforMSP430(EW430)和TI公司開發(fā)的CodeComposerStudio(CCS)。MSPGCC作為一種開源編譯器也具有一定的使用者。這些C編譯器功能比較強大，可以編譯出高效、緊湊的機器代碼。

　　MSP430單片機的C語言程序(以后簡稱C430)設計方法與標準C語言的基本上相同。但單片機的資源與PC相比，十分匱乏。為了更好地適應MSP430單片機的程序設計，C430對標準C語言進行了擴展。主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)長度、關鍵字擴展以及由此引起的函數(shù)擴展等。需要說明的是，不同的C430編譯器對C語言的擴展不完全相同，例如，IAR公司的C編譯器與TI公司的C編譯器都對C語言的支持程度略有不同，大多數(shù)情況下，MSP430單片機的源程序可以在各個版本的C430編譯器上使用。

　　3.2.1數(shù)據(jù)類型與運算符

　　1.標識符與關鍵字

　　標識符是指常量、變量、語句標號、數(shù)組、文件名以及用戶自定義函數(shù)的名稱。C語言規(guī)定標識符只能由字母、數(shù)字、下畫線組成，并且只能由字母、下畫線開頭，所用字母區(qū)分大小寫。C語言中一些已被賦予特定含義的標識符被稱為關鍵字或保留字，關鍵字不能用作標識符，在C語言中的關鍵詞見表3.1。這些關鍵字將在后續(xù)章節(jié)中陸續(xù)介紹。

　　表3.1C語言中的32個關鍵詞

　　與數(shù)據(jù)類型相關的關鍵字(12個)

　　short聲明短整型變量或函數(shù)struct聲明結構體變量或函數(shù)

　　int聲明整型變量或函數(shù)union聲明共用數(shù)據(jù)類型

　　long聲明長整型變量或函數(shù)enum聲明枚舉類型

　　float聲明浮點型變量或函數(shù)void聲明函數(shù)無返回值或無參數(shù)，聲明無類型指針

　　double聲明雙精度變量或函數(shù)unsigned聲明無符號類型變量或函數(shù)

　　char聲明字符型變量或函數(shù)signed聲明有符號類型變量或函數(shù)

　　續(xù)表

　　與變量有關的關鍵字(6個)

　　auto聲明自動變量extern聲明變量是在其他文件正聲明

　　const聲明只讀變量register聲明寄存器變量

　　static聲明靜態(tài)變量volatile說明變量在程序執(zhí)行中可被隱含地改變

　　與程序控制有關的關鍵字(12個)

　　if條件語句for一種循環(huán)語句

　　else條件語句否定分支(與if連用)do循環(huán)語句的循環(huán)體

　　switch用于開關語句while循環(huán)語句的循環(huán)條件

　　case開關語句分支continue結束當前循環(huán)，開始下一輪循環(huán)

　　default開關語句中的“其他”分支break跳出當前循環(huán)

　　goto無條件跳轉語句return子程序返回語句(可以帶參數(shù)，也可不帶參數(shù))

　　其他關鍵字(2個)

　　sizeof計算數(shù)據(jù)類型長度typedef用以給數(shù)據(jù)類型取別名