单片机相关电子图书资料：51单片机C编程

分类：计算机格式：pdf 日期：2009年03月25日

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第一章介绍这是一本关于 Intel 80C51 以及广大的 51 系列单片机的书这本书介绍给读者一些新的技术使你的 8051 工程和开发过程变得简单请注意这本书的目的可不是教你各种
8051 嵌入式系统的解决方法为使问题讨论更加清晰在适当的地方给出了程序代码我们以讨论项目的方法来说明每章碰到的问题所有的代码都可在附带的光盘上找到你必须熟系 C 和 8051汇编因为本书不是一本 C和汇编的指导书你可以买到不少关于 ANSI C的书最佳选择当然是 Intel
的数据书可从你的芯片供应商处免费索取和随编译工具附送的手册附送光盘中有我为这本书编写和收集的程序这些程序已经通过测试这并不意味着你可以随时把这些程序加到你的应用系统或工程中有些地方必须首先经过修改才能结合到你的程序中这本书将教你充分使用你的工具如果你只有 8051 的汇编程序你也可以学习该书和使用这些例子但是你必须把 C 语言的程序装入你的汇编程序中这对懂得 C 语言和 8051
汇编程序指令的人来说并不是一件困难的事如果你有 C 编译器的话那恭喜你使用 C 语言进行开发是一个好的决定你会发现使用 C 进行开发将使你的工程开发和维护的时间大大减少如果你已经拥有 Keil C51 那你已经选择了一个非常好的开发工具我发现 Keil 软件包能够提供最好的支持本书支持
Keil C 的扩展如果你有其它的开发工具像 Archimedes 和 Avocet 这本书也能很好地为你服务但你必须根据你所用的开发工具改变一些 Keil 的特殊指令在书的一些地方有硬件图实例程序在这些硬件上运行这些图绘制地不是很详细主要是方框图但足以使读者明白软件和硬件之间的接口读者应该把这本书看成工具书而不是用来学习各种系统设计通过本书你可以了解给定一定的硬件和软件设计之后 8051 的各种性能希望你能从本书中获取灵感并有助于你的设计使你豁然开朗当然我希望你也能够从本书中学到有用的知识使之能够提升你的设计广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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第二章硬件
1概述
8051 系列微处理器基于简化的嵌入式控制系统结构被广泛应用于从军事到自动控制再到 PC 机上的键盘上的各种应用系统上仅次于 Motorola 68HC11 在 8 位微控制器市场上的销量很多制造商都可提供 8051 系列单片机像 Intel Philips Siemens 等这些制造商给 51 系列单片机加入了大量的性能和外部功能像 I
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C 总线接口模拟量到数字量的转换看门狗 PWM 输出等不少芯片的工作频率达到 40M 工作电压下降到 1,5V 基于一个内核的这些功能使得 8051 单片机很适合作为厂家产品的基本构架它能够运行各种程序而且开发者只需要学习这一个平台
8051 系列的基本结构如下
1 一个 8 位算术逻辑单元
2 32 个 I/O 口 4 组 8 位端口可单独寻址
3 两个 1 6 位定时计数器
4 全双工串行通信
5 6 个中断源两个中断优先级
6 128 字节内置 RAM
7 独立的 64K 字节可寻址数据和代码区每个 8051 处理周期包括 1 2 个振荡周期每1 2 个振荡周期用来完成一项操作如取指令和计算指令执行时间可把时钟频率除以 1 2 取倒数然后指令执行所须的周期数因此如果你的系统时钟是 11,059MHz 除以 1 2 后就得到了每秒执行的指令个数为 921583
条指令取倒数将得到每条指令所须的时间 1.085ms
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2 存储区结构
8051 结构提供给用户 3 个不同的存储空间如图 A-1 每个存储空间包括从 0 到最大存储范围的连续的字节地址空间通过利用特定地址的寻址指令解决了地址重叠的问题三个地址空间的功能如图所示
图 A-1-8051 存储结构
2.1 CODE 区第一个存储空间是代码段用来存放可执行代码被1 6 位寻址空间可达 64K 代码段是只读的当要对外接存储器件如 EPROM 进行寻址时处理器会产生一个信号但这并不意味着代码区一定要用一个 EPROM 目前一般使用 EEPROM 作为外接存储器可以被外围器件或 8051进行改写这使系统更新更加容易新的软件可以下载到 EEPROM 中而不用拆开它然后装入一个新的 EEPROM 另外带电池的 SRAMs 也可用来代替 EPROM 他可以像 EEPROM 一样进行程序的更新并且没有像 EEPROM 那样读写周期的限制但是当电源耗尽时存储在 SRAMs 中的程序也随之丢失使用 SRAMs 来代替 EPROM 时允许快速下载新程序到目标系统中这避免了编程 /调试 /擦写这样一个循环过程不再需要使用昂贵的在线仿真器除了可执行代码还可在代码段中存储查寻表为达此目的 8051 提供了通过数据指针 DPTR 或程序计数器加上由累加器提供的偏移量进行寻址的指令这样就可以把表头地址装入 DPTR 中把表中要寻址的元素的偏移量装入累加器中 8051 在执行指令时的过程中把这两者相加由此可节省不少指令周期在以后的例子中我们会看到这点广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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2.2 DATA 区第二个存储区是 8051内1 28 字节的内部 RAM 或 8052 的前 1 28 字节内部 RAM 这部分主要是作为数据段称为 DATA 区指令用一个或两个周期来访问数据段访问 DATA 区比访问 XDATA 区要快因为它采用直接寻址方式而访问 XDATA 须采用间接寻址必须先初始化 DPTR 通常我们把使用比较频繁的变量或局部变量存储在 DATA 段中但是必须节省使用 DATA 段因为它的空间毕竟有限在数据段中也可通过 R0 和 R1 采用间接寻址 R0 和 R1 被作为数据区的指针将要恢复或改变字节的地址放入 R0 或 R1中根据源操作数和目的操作数的不同执行指令需要一个或两个周期数据段中有两个小段第一个子段包含四组寄存器组每组寄存器组包含八个寄存器共 32 个寄存器可在任何时候通过修改 PSW 寄存器的 RS1和 RS0 这两位来选择四组寄存器的任意一组作为工作寄存器组 8051 也可默认任意一组作为工作寄存器组工作寄存器组的快速切换不仅使参数传递更为方便而且可在 8051 中进行快速任务转换另外一个子段叫做位寻址段 BDATA 包括 1 6 个字节共1 28 位每一位都可单独寻址 8051 有好几条位操作指令这使得程序控制非常方便并且可帮助软件代替外部组合逻辑这样就减少了系统中的模块数位寻址段的这 1 6 个字节也可像数据段中其它字节一样进行字节寻址
2.3 特殊功能寄存器中断系统和外部功能控制寄存器位于从地址 80H 开始的内部 RAM 中这些寄存器被称做特殊功能寄存器简称
SFR 其中很多寄存器都可位寻址可通过名字进行引用如果要对中断使能寄存器中的 EA 位进行寻址可使用 EA 或 IE.7
或 0AFH SFRs 控制定时 /
计数器串行口中断源及中断优先级等这些寄存器的寻址方式和 DATA
取中的其它字节和位一样可位寻址 SFR 如表 A-1所示可进行位寻址的 SFR 表 A-1
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2.4 IDATA 区
8051 系列的一些单片机如 8052 有附加的 1 28 字节的内部 RAM 位于从 80H 开始的地址空间中被称为 IDATA 因为 IDATA 区的地址和 SFRs 的地址是重叠的通过区分所访问的存储区来解决地址重叠问题因为 IDATA 区只能通过间接寻址来访问
2.5 XDATA 区
8051 的最后一个存储空间为 64K 和 CODE 区一样采用 1 6 位地址寻址称作外部数据区简称 XDATA 区这个区通常包括一些 RAM 如 SRAM 或一些需要通过总线接口的外围器件对 XDATA 的读写操作需要至少两个处理周期使用 DPTR R0 或 DPTR R1 对 DPTR
来说至少需要两个处理周期来装入地址而读写又需要两个处理周期同样对于 R0
或 R1 装入需要一个以上的处理周期而读写又需两个周期由此可见处理 XDATA 中的数据至少要花 3 个指令周期因此使用频繁的数据应尽量保存在 DATA 区中如果不需要和外部器件进行 I/O 操作或者希望在和外部器件进行 I/O 操作时开关 RAM
则 XDATA 可全部使用 64K RAM 关于这方面的应用将在以后介绍广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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3 位操作和布尔逻辑
8051可分别对 BDATA 和 SFRs 中1 28 个可寻址位 32 个 I/O 口进行位逻辑操作可对这些位进行与或异或求补置位清零等操作并可像转移字节那样转移位列表 A-1
MOV C 22H 把位地址 22H 中的数移入进位位中
ORL C 23H 把位地址 23H 中的数和进位位中的数相或
MOV 24H C 把进位位中的数移入位地址 24H 中可寻址位也可作为条件转移的条件一条很有用的指令就是 JBC 通过判断可寻址位是否置位来决定是否进行转移如果该位置位则转移并清零该位这条指令能够在两个处理周期中完成比在两个代码段中分别使用跳转和清零指令要节省一到两个处理周期比如说你要编写一个过程等待 P0.0 置位然后跳转但是等待有时间限制这样就需要设置一个时间时间到达后跳出查询检测到 P0.0 置位后跳出并清零 P0.0 一般的逻辑流程如下例 A-2
MOV timeout #TO_VALUE 设置查询时间
L2 JB P0.0 L1 P0.0 置位则跳转
DJNZ timeout L2 查询时间计数
L1 CLR P0.0 P0.0 清零
RET 退出
当使用 JBC 时程序如下例 A-3
MOV timeout #TO_VALUE 设置查询时间
L2 JBC P0.0 L1 P0.0 置位则跳转并清零
DJNZ timeout L2 查询时间计数
L1 RET 退出
利用 JBC 不但节省了代码长度而且使程序更加简洁美观以后在编制代码时要习惯使用这条指令广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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4 寻址方式
8051 可对存储区直接或间接寻址这些是典型的寻址方式直接寻址是在指令中直接包含所须寻址的字节地址直接寻址只能在 DATA 区和 SFR 中进行如下例列表 A-4
MOV A 03H 把地址 03H 中的数移入累加器
MOV 43H 22H 把地址 22H 中的数移入地址 43H 中
MOV 02H C 把 C 中的数移入位地址 02H 中
MOV 42H #18 把立即数 1 8 移入地址 42H 中
MOV 09H SBUF 把串行缓冲区中的数移入地址 09H 中间接寻址要使用 DPTR PC R0 R1寄存器用来存放所要访问数据的地址指令使用指针寄存器而不是直接使用地址用间接寻址方式可访问 CODE IDATA XDATA 存储区对 DATA 存储区也可进行间接寻址只能用直接寻址方式对位地址进行寻址在进行块移动时用间接寻址十分方便能用最少的代码完成操作可以利用循环过程使指针递增对 CODE 区进行寻址时将基址存入 DPTR 或 PC 中把变址存入累加器中这种方法在查表时十分有用举例如下例 A-5
DATA 和 IDATA 区寻址
MOV R1 #22H 设置 R1 为指向 DATA 区内的地址 22H 的指针
MOV R0 #0A9H 设置 R0 为指向 IDATA 区内的地址 0A9H 的指针
MOV A @R1 读入地址 22H 的数据
MOV @R0 A 将累加器中的数据写入地址 A9H
INC R0 RO 中的地址变为 AAH
INC R1 R1 中的地址变为 23H
MOV 34H @R0 将地址 AAH 中的数据写入 34H
MOV @R1 #67H 把立即数写入地址 23H
XDATA 区寻址
MOV DPTR #3048H DPTR 指向外部存储区
MOVX A @DPTR 读入外部存储区地址 3048H 中的数
INC DPTR 指针加一
MOV A #26H 立即数 26H 写入 A 中
MOVX @DPTR A 将 26H 写入外部存储区地址 3049H 中
MOV R0 #87H R0 指向外部存储区地址 87H
MOVX A @R0 将外部存储区地址 87H 中的数读入累加器中
代码区寻址
MOV DPTR #TABLE_BASE DPTR 指向表首地址
MOV A index 把偏移量装入累加器中
MOVC A @A+DPTR 从表中读入数据到累加器中
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5 处理器状态处理器的状态保存在状态寄存器 PSW 中状态字中包括进位位用于 BCD 码处理的辅助进位位奇偶标志位溢出标志位还有前面提到的用于寄存器组选择的 RS0 和 RS1 0
组从地址 00H 开始 1 组从地址 08H 开始 2 组从地址 1 0H 开始 3 组从地址 1 8H 开始这些地址都可通过直接或间接方式进行寻址 PSW 的结构如下
CY AC F0 RS1 RS0 OV USR P
CY 进位标志位
AC 辅助进位标志位
F0 通用标志位
RS1 寄存器组选择位高位
RS0 寄存器组选择位低位
OV 溢出标志位
USR 用户定义标志位
P 奇偶标志位
6 电源控制
8051的 CHMOS 版本可通过软件设置两种节电方式空闲模式和低功耗模式设置电源控制寄存器 PCON 的相应位来进入节电方式置位 IDLE 进入空闲模式空闲模式将停止程序执行 RAM 中的数据仍然保持晶振继续工作但与 CPU 断开定时器和串行口继续工作发生中断将退出中断模式执行完中断程序后将从程序停止的地方继续指令的执行通过置位 PDWN 位来进入低功耗模式低功耗模式中晶振将停止工作因此定时器和串行口都将停止工作至少有两伏的电压加在芯片上因此 RAM 中的数据仍将保存退出低功耗模式只有两种方式上电或复位
SMOD 位可控制串行通信的波特率将使由定时器 1 的溢出率或晶振频率产生的波特率翻倍置位 SMOD 可使工作于方式 1 2 3 定时器产生的波特率翻倍当使用定时器 2 产生波特率时 SMOD 将不影响波特率电源控制寄存器不可位寻址
SMOD---GF1 GF0 PDWN IDLE
SMOD 串行口通信波特率控制位置位使波特率翻倍
- 保留
- 保留
- 保留
GF1 通用标志位
GF0 通用标志位
PDWN 低功耗标志位置位进入低功耗模式
IDLE 空闲标志位置位进入空闲模式
表 A-3
6 中断系统基本的 8051支持 6 个中断源两个外部中断两个定时 /计数器中断一个串行口输入 /输出中断中断发生后处理器转到将五个中断入口处之一执行中断处理程序中断向量位于代码段的最低地址出串行口输入输出中断共用一个中断向量中断服务程序必须在中断入口处或通过跳转分支转移到别处 8051/8052 的中断向量表 A-4
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8051 支持两个中断优先级有标准的中断机制低优先级的中断只能被高优先级的中断所中断而高优先级的中断不能被中断
6.1 中断优先级寄存器每个中断源都可通过设置中断优先级寄存器 IP 来单独设置中断优先级如果每个中断源的相应位被置位则该中断源的优先级为高如果相应的位被复位则该中断源的优先级为低如果你觉得两个中断源不够用别急以后我会教你如何增加中断优先级表 A-5 示出了 IP 寄存器的各位此寄存器可位寻址
IP 寄存器可位寻址
- - PT2 PS PT1 PX1 PT0 PX0
- 保留
- 保留
PT2 定时器 2 中断优先级
PS 串行通信中断优先级
PT1 定时器 1 中断优先级
PX1 外部中断 1 优先级
PT0 定时器 0 中断优先级
PX0 外部中断 0 优先级
表 A-5
6.2 中断使能寄存器通过设置中断使能寄存器 IE 的 EA 位使能所有中断每个中断源都有单独的使能位可通过软件设置 IE 中相应的使能位在任何时候使能或禁能中断中断使能寄存器 IE 的各位如下所示中断使能寄存器 IE 可位寻址
EA - ET2 ES ET1 EX1 ET0 EX0
EA 使能标志位置位则所有中断使能复位则禁止所有中断
- 保留
ET2 定时器 2 中断使能
ES 串行通信中断使能
ET1 定时器 1 中断使能
EX1 外部中断 1 使能
ET0 定时器 0 中断使能
EX0 外部中断 0 使能
6.3 中断延迟
8051 在每个处理周期查询中断标志确定是否有中断请求当发生中断时置位相应的标志处理器将在下个周期查询到中断标志位这样从发生中断到确认中断之间有一个指令周期的延时这时处理器将用两个周期的时间来调用中断服务程序总共要花 3
个时钟周期在理想情况下处理器将在 3 个指令周期内响应中断这使得用户能很快响应系统事件不可避免地系统有可能在 3 个处理周期能不能响应中断请求特别是当有同级或更
中断源中断向量上电复位
0000H
外部中断 0
0003H
定时器 0 溢出
000BH
外部中断 1
0013H
定时器 1 溢出
001BH
串行口中断
0023H
定时器 2 溢出
002BH
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高级的中断服务程序正在执行的时候因此中断的延迟主要取决于正在执行的程序另外一种大于 3 个周期的中断延迟是程序正在执行一条多周期指令要等到当前的指令执行完后处理器才会处理中断事件这将在原来的基础上至少增加一个周期的延时假设在执行完多周期指令的第一个周期后发现中断除被其它中断所阻的情况中断不被响应的最长延时为 6 个处理周期 3 个周期的多周期指令执行时间 3 个周期的指令响应时间 4
最后一种大于 3 个指令周期的中断延迟是当检测到中断时正在执行写 IP IE 或 RETI
指令
6.4 外部中断信号
8051 支持两个外部中断信号这使外部器件能请求中断从而得到相应的服务外部中断由外部中断引脚外部中断 0 为 P3.2 外部中断 1 为 P3.3 电平为低或电平由高到低跳变引起由电平触发还是跳变触发取决于寄存器 TCON 的 ITX位见 A-7
电平触发时当检测到中断引脚电平为低时将产生中断低电平应至少保持一个指令周期或 1 2 个时钟周期因为处理器每个指令周期检测一次引脚跳变触发时当在连续的两个周期中检测到由高到低的电平跳变时将产生中断而电平的 0 状态应至少保持一个周期
7 内置定时 /计数器标准的 8051 有两个定时 /计数器每个定时器有 1 6 位定时 /计数器既可用来作为定时器对机器周期计数也可用来对相应 I/0 口 TO T1 上从高到低的跳变脉冲计数当用作计数器时脉冲频率不应高于指令的执行频率的 1 /2 因为每周期检测一次引脚电平而判断一次脉冲跳变需要两个指令周期如果需要的话当脉冲计数溢出时可以产生一个中断
TCON 特殊功能寄存器 timer controller 用来控制定时器的工作起停和溢出标志位通过改变定时器运行位 TR0 和 TR1 来启动和停止定时器的工作 TCON 中还包括了定时器 T0
和 T1 的溢出中断标志位当定时器溢出时相应的标志位被置位当程序检测到标志位从
0 到 1 的跳变时如果中断是使能的将产生一个中断注意中断标志位可在任何时候置位和清除因此可通过软件产生和阻止定时器中断定时器控制寄存器 TCON 可位寻址
TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0
TF1 定时器 1 溢出中断标志响应中断后由处理器清零
TR1 定时器 1 控制位置位时定时器 1 工作复位时定时器 1 停止工作
TF0 定时器 0 溢出标志位定时器 0 溢出时置位处理器响应中断后清除该位
TR0 定时器 0 控制位置位时定时器 0 工作复位时定时器 0 停止工作
IE1 外部中断 1 触发标志位当检测到 P3.3 有从高到低的跳变电平时置位处
理器响应中断后由硬件清除该位
IT1 中断 1 触发方式控制位置位时为跳变触发复位时为低电平触发
IE0 外部中断 1 触发标志位当检测到 P3.3 有从高到低的跳变电平时置位处
理器响应中断后由硬件清除该位
IT0 中断 1 触发方式控制位置位时为跳变触发复位时为低电平触发
表 A-7
定时器的工作方式由特殊功能寄存器 TMOD 来设置通过改变 TMOD 软件可控制两个定时器的工作方式和时钟源是 I/0 口的触发电平还是处理器的时钟脉冲 TMOD 的高四广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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位控制定时器 1 低四位控制定时器 0 TMOD 的结构如下定时器控制寄存器 TMOD-不可位寻址
GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0
定时器 1 定时器 0
GATE 当 GATE 置位时定时器仅当 TR=1并且 INT=1 时才工作如果 GATE=0
置位 TR 定时器就开始工作
C/T 定时器方式选择如果 C/T=1 定时器以计数方式工作 C/T=0 时以
定时方式工作
M1 模式选择位高位
M0 模式选择位低位
表 A-8
可通过 C/T 位的设置来选择定时器的时钟源 C/T=1 定时器以计数方式工作对 I/0
引脚脉冲计数 C/T=0 时以定时方式工作对内部时钟脉冲计数当定时器用来对内部时钟脉冲计数时可通过硬件或软件来控制 GATE=0 为软件控制置位 TR 定时器就开始工作 GATE=1 为硬件控制当 TR=1并且 INT=1 时定时器才工作当 INT 脚给出低电平时定时器将停止工作这在测量 INT 脚的脉冲宽度时十分有用当然 INT 脚不作为外部中断使用
7.1 定时器工作方式 0 和方式 1
定时器通过软件控制有四种工作方式方式 0 为十三位定时 /计数器方式定时器溢出时置位 TF0 或 TF1 并产生中断方式 1 将以十六位定时 /计数器方式工作除此之外和方式 0 一样
7.2 定时器工作方式 2
方式 2 为 8 位自动重装工作方式定时器的低 8 位 TL0 或 TL1 用来计数高 8 位 TH0
或 TH1 用来存放重装数值当定时器溢出时 TH 中的数值被装入 TL 中定时器 0 和定时器1在方式 2 时是同样的定时器 1 常用此方式来产生波特率
7.3 定时器工作方式 3
方式 3 时定时器 0 成为两个 8 位定时 /计数器 TH0 和 TL0 TH0 对应于 TMOD 中定时器 0 的控制位而 TL0 占据了 TMOD 中定时器 1 的控制位这样定时器 1 将不能产生溢出中断了但可用于其它不需产生中断的场合如作为波特率发生器或作为定时计数器被软件查询当系统需要用定时器 1 来产生波特率而又同时需要两个定时 /计数器时这种工作方式十分有用当定时器 1 设置为工作方式 3 时将停止工作
7.4 定时器 2
51 系列单片机如 8052 第三个定时 /计数器定时器 2 他的控制位在特殊功能寄存器
T2CON 中结构如下定时器 2 控制寄存器可位寻址
TF2 EXF2 RCLK TCLK EXEN2 TR2 C/T2 CP/RL2
TF2 定时器 2 溢出标志位定时器 2 溢出时将置位当 TCLK 或 RCLK 为1时
将不会置位
EXF2 定时器 2 外部标志当 EXEN2=1 并在引脚 T2EX 检测到负跳变时置位
如果定时器 2 中断被允许将产生中断广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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RCLK 接收时钟标志当串行口以方式 1 或 3 工作时将使用定时器 2 的溢出
率作为串行口接收时钟频率
TCLK 发送时钟标志位当串行口以方式 1 或 3 工作时将使用定时器 2
的溢出率作为串行口接收时钟频率
EXEN2 定时器 2 外部允许标志当 EXEN2=1时在 T2EX 引脚出现负跳变时将造
成定时器 2 捕捉或重装并置位 EXF2 产生中断
TR2 定时器运行控制位置位时定时器 2 将开始工作否则定时器 2 停
止工作
C/T2 定时器计数方式选择位如果 C/T2=1 定时器 2 将作为外部事件计数器
否则对内部时钟脉冲计数
CP/RL2 捕捉 /重装标志位当 EXEN2=1时如果 CP/RL2=1 T2EX 引脚的负跳变
将造成捕捉如果 CP/RL2=0 T2EX 引脚的负跳变将造成重装通过由软件设置 T2CON 可使定时 /计数器以三种基本工作方式之一工作第一种为捕捉方式设置为捕捉方式时和定时器 0 或定时器 1 一样以 1 6 位方式工作这种方式通过复位 EXEN2来选择当置位 EXEN2时如果 T2EX有负跳变电平将把当前的数锁存在 RCAP2H
和 RCAP2L 中这个事件可用来产生中断第二种工作方式为自动重装方式其中包含了两个子功能由 EXEN2 来选择当 EXEN2
复位时 16 位定时器溢出将触发一个中断并将 RCAP2H 和 RCAP2L 中的数装入定时器中当
EXEN2 置位时除上述功能外 T2EX 引脚的负跳变将产生一次重装操作最后一种方式用来产生串行口通讯所需的波特率这通过同时或分别置位 RCLK 和 TCLK
来实现在这种方式中每个机器周期都将使定时器加 1 而不像定时器 0 和1那样需要1 2 个机器周期这使得串行通讯的波特率更高
8 内置 UART
8051 有一个可通过软件控制的内置全双工串行通讯接口由寄存器 SCON 来进行设置可选择通讯模式允许接收检查状态位 SCON 的结构如下
串行控制寄存器 SCON -可位寻址
SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI
SM0 串行模式选择
SM1 串行模式选择
SM2 多机通讯允许位当模式 0 时此位应该为 0 模式 1 时当接收到停止位时
该位将置位模式 2 或模式 3 时当接收的第 9 位数据为1时将置位
REN 串行接收允许位
TB8 在模式 2 和模式 3 中将被发送数据的第 9 位
RB8 在模式 0 中该位不起作用在模式1中该位为接收数据的停止位在模
式 2 和模式 3 中为接收数据的第 9 位
TI 串行中断标志位由软件清零
RI 接收中断标志位有软件清零
表 A-10
UART 有一个接收数据缓冲区当上一个字节还没被处理下一个数据仍然可以缓冲区接收进来但如果接收完这个字节如果上个字节还没被处理上个字节将被覆盖因此软件必须在此之前处理数据当连续发送字节时也是如此
8051支持1 0 位和 11 位数据模式 11 数据模式用来进行多机通讯并支持高速 8 位移位寄存器模式模式 1 和模式 3 中波特率可变广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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8.1 UART 模式 0
模式 0 时 UART 作为一个 8 位的移位寄存器使用波特率为 fosc/12 数据由 RXD 从低位开始收发 TXD 用来发送同步移位脉冲因此方式 0 不支持全双工这种方式可用来和像某些具有 8 位串行口的 EEPROM 之类的器件通讯当向 SBUF 写入字节时开始发送数据数据发送完毕时 TI 位将置位置位 REN 时将开始接收数据接收完 8 位数据时 RI 位将置位
8.2 UART 模式 1
工作于模式 1 时传输的是 1 0 位 1 个起始位 8 个数据位 1 个停止位这种方式可和包括 PC 机在内的很多器件进行通讯这种方式中波特率是可调的而用来产生波特率的定时器的中断应该被禁止 PCON 的 SMOD 位为1时可使波特率翻倍
TI 和 RI 在发送和接收停止位的中间时刻被置位这使软件可以响应中断并装入新的数据数据处理时间取决于波特率和晶振频率如果用定时器 1 来产生波特率应通过下式来计算 TH1 的装入值
TH1=256- K*OscFreq / 384*BaudRate
K=1 if SMOD=0
K=2 if SMOD=1
重装值要小于 256 非整数的重装值必须和下一个整数非常接近通常产生的波特率都能使系统正常的工作这点需要开发者把握这样如果你使用 9.216M 晶振想产生 9600 的波特率第一步设 K=1 分子为 9216000
分母为 3686400 相除结果为 2.5 不是整数设 K=2 分子为 1 8432000 分母为 3686400
相除结果为 5 可得 TH1=251或 0FBH
如果用 8052 的定时器 2 产生波特率 RCAP2H 和 RCAP2L 的重装值也需要经过计算根据需要的波特率用下式计算
[RCAP2H RCAP2L]=65536-OsFreq/ 32*BaudRate
假设你的系统使用 9.216M 晶振你想产生 9600 的波特率用上式产生的结果必须是正的而且接近整数最后得到结果 30 重装值为 65506 或 FFE2H
8.3 UART 模式 2
模式 2 的数据以 11 位方式发送 1 位起始位 8 位数据位第九位 1 位停止位发送数据时第九位为 SCON 中的 TB8 接收数据的第九位保存在 RB8 中第九位一般用来多机通信仅在第九位为 1 时单片机才接收数据多机通信用 SCON 的 SM2 来控制当 SM2
置位时仅当数据的第九位为 1 时才引发通讯中断当 SM2 为 0 时只要接收完 11 位就产生一次中断第九位可在多机通讯中避免不必要的中断在传送地址和命令时第九位置位串行总线上的所有处理器都产生一个中断处理器将决定是否继续接收下面的数据如果继续接收数据就清零 SM2 否则 SM2 置位以后的数据流将不会使他产生中断
SMOD=O 时模式 2 的波特率为 1 /64Osc SMOD=1时波特率为 1 /32Osc 因此使用模式 2 当晶振频率为 11,059M 时将有高达 345K 的波特率模式 3 和模式 2 的差别在于可变的波特率
9 其它功能很多 51 系列的单片机有了许多新增加的功能使之更适合于嵌入式应用 51系列的其它功能如下广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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9.1 I
2
C
I
2
C 是一种新的芯片间的通讯方式由 PHILIPS 开发和推广 I
2
C 通讯采用两条线进行通讯一条数据线一条时钟线可进行多器件通讯总线上的每个器件都有自己的地址数据传送是双向的总线支持多主机 8051上 I
2
C 总线的接口为 P0 端口的两根线有专门的特殊功能寄存器来控制总线的工作和执行传输协议
9.2 A/D 转换并不是所有 51 系列单片机都带 A/D 转换但 A/D 转换的使用非常普遍 A/D 转换一般由寄存器 ADCON 来控制用户通过 ADCON 来选择 A/D 转换的通道开始转换检查转换状态一般 A/D 转换的过程不多于 40 个指令周期转换完成后产生中断中断程序将处理转换结果 A/D 转换需要处理器一直处于工作状态转换结果保存于特殊功能寄存器中
9.3 看门狗大多数 51 系列单片机都有看门狗当看门狗没有被定时清零时将引起复位这可防止程序跑飞设计者必须清楚看门狗的溢出时间以决定在合适的时候清看门狗清看门狗也不能太过频繁否则会造成资源浪费
51 系列有专门的看门狗定时器对系统频率进行分频计数定时器溢出时将引起复位看门狗可设定溢出率也可单独用来作为定时器使用
10 设计
51 系列单片机有着各种具有不同的外设功能的成员可适用于各方面的应用选择一款合适的单片机是十分重要的考虑到电路板空间和成本应使外围部件尽可能少 51系列最多 512 字节的 RAM 和 32K 字节的 EPROM 有时只要使用系统内置的 RAM 和 EPROM 就可以了应充分利用这些部件不再需要外接 EPROM 和 RAM 这样就省下了 I/0 口可用来和其它器件相连当不需要扩展 I/0 口并且程序代码较短时使用 28 脚的 51 单片机可节省不少空间但很多应用需要更多的 RAM 和 EPROM 空间这时就要用外围器件 SRAM EPROM
等许多外围器件能被 51 系列的内部功能和相应的软件代替这将在以后讨论经常要考虑系统的功耗问题如果处理器有很多工作要做而不能进入低功耗和空闲模式应选择 3.6V 的工作电压以降低功耗如果有足够的空闲时间的话可以考虑关闭晶振降低功耗设计者必须仔细选择晶振频率确保标准的通讯波特率 1200 4800 9600 19.2K
等你不妨先列出可供选择的晶振所能产生的波特率然后根据需要的波特率和系统要求选择晶振有时也不必过分考虑晶振问题因为可以定制晶振当晶振频率超过 20M 时必须确保总线上的其它器件能够在这种频率下工作一般 EPROM SRAM 高速 CMOS 版的锁存器都支持 51 的工作频率当工作频率增加时功耗也会增加这点在使用电池作为电源的系统中应充分考虑
11 实现当选择好单片机和外围器件后下一步就是设计和分配系统 I/O 地址代码段在从地址零开始的连续空间内外部数据存储空间地址一般和 RAM 和器件地址相连 RAM 一般在从地址 0000H 或 8000H 开始的连续空间内一种比较有用的处理方法是 SRAM 的地址也从
0000H 开始用 A15 使能 RAM RAM 的 0E 和 WE 线分别和单片机的 RD 和 WR 线相连这种方法可使 RAM 区超过 32K 这足够嵌入式系统使用此外 32K 的地址也可分配给 I/O 器件大多数情况下 I/O 器件是比较少的所以地址线的高位可接解码器工作给外围器件提广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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供使能信号一个为系统 I/O 分配地址的例子如 A-2-8051 总线 I/O 所示可以看到通过减少地址解码器的数量简化了硬件设计因为在 I/O 操作中不用装载 DPTR 的低 8 位使软件设计也得到简化
图 A-2-8051总线 I/O
对输入输出锁存器的寻址如下例
列表 A-6
MOV DPTR #09000H 设置指针
MOVX A @DPTR
MOV DPH #080H
MOVX @DPTR A
可以看到因为电路设计连续的 I/O 操作将被简化软件不需要考虑数据指针的低字节第一条指令也可用 MOV DPH #090H 代替
12 结论我希望上面所讲的关于 8051 的基本知识能给你一些启发但这不能代替 8051 厂商提供的数据书因为每款芯片都有其自身的特点下面我们将开始讨论 8051 的软件设计包括用 C 进行软件开发广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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第二章用 C 对 8051编程
1 为什么要用高级语言当设计一个小的嵌入式系统时一般我们都用汇编语言在很多工程中这是一个很好的方法因为代码一般都不超过 8K 而且都比较简单如果硬件工程师要同时设计软件和硬件经常会采用汇编语言来做程序我的经验告述我硬件工程师一般不熟系像 C
一类的高级语言使用汇编的麻烦在于它的可读性和可维护性特别当程序没有很好的标注的时候代码的可重用性也比较低如果使用 C 的话可以很好的解决这些问题用 C 编写的程序因为 C 语言很好的结构性和模块化更容易阅读和维护而且由于模块化用 C 语言编写的程序有很好的可移植性功能化的代码能够很方便的从一个工程移植到另一个工程从而减少了开发时间用 C 编写程序比汇编更符合人们的思考习惯开发者可以更专心的考虑算法而不是考虑一些细节问题这样就减少了开发和调试的时间使用像 C 这样的语言程序员不必十分熟系处理器的运算过程这意味着对新的处理器也能很快上手不必知道处理器的具体内部结构使得用 C 编写的程序比汇编程序有更好的可移植性很多处理器支持 C 编译器所有这些并不说明汇编语言就没了立足之地很多系统特别是实时时钟系统都是用
C 和汇编语言联合编程对时钟要求很严格时使用汇编语言成了唯一的方法除此之外根据我的经验包括硬件接口的操作都应该用 C 来编程 C 的特点就是可以使你尽量少地对硬件进行操作是一种功能性和结构性很强的语言
2 C 语言的一些要点这里不是教你如何使用 C 语言关于 C 语言的书有很多像 Kernighan 和 Ritchie 所著的 C 编程语言等这本书被认为是 C 语言的权威著作 Keil 的 C51 完全支持 C 的标准指令和很多用来优化 8051 指令结构的 C 的扩展指令我们将复习关于 C 的一些概念如结构联合和类型定义可能会使一些人伤脑筋
2.1 结构结构是一种定义类型它允许程序员把一系列变量集中到一个单元中当某些变量相关的时候使用这种类型是很方便的例如你用一系列变量来描述一天的时间你需要定义时分秒三个变量
unsighed char hour,min,sec;
还要定义一个天的变量
unsighed int days;
通过使用结构你可以把这四个变量定义在一起给他们一个共同的名字声明结构的语法如下
struct time_str{
unsigned char hour,min,sec;
unsigned int days;
}time_of_day;
这告述编译器定义一个类型名为 time_str 的结构并定义一个名为 time_of_day 的结构变量变量成员的引用为结构变量名,结构成员
time_of_day.hour=XBYTE[HOURS];
time_of_day.days=XBYTE[DAYS];
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time_of_day.min=time_of_day.sec
curdays=time_of_day.days;
成员变量和其它变量是一样的但前面必须有结构名你可以定义很多结构变量编译器把他们看成新的变量例如
struct time_str oldtime,newtime;
这样就产生了两个新的结构变量这些变量都是相互独立的就像定义了很多 int 类型的变量一样结构变量可以很容易的复制
oldtime=time_of_day;
这使代码很容易阅读也减少了打字的工作量当然你也可以一句一句的复制
oldtime.hour=newtime.hour;
oldtime.days=newtime.days-1;
在 Keil C 和大多数 C 编译器中结构被提供了连续的存储空间成员名被用来对结构内部进行寻址这样结构 time_str 被提供了连续 5 个字节的空间空间内的变量顺序和定义时的变量顺序一样如表 0-1:
如果你定义了一个结构类型它就像一个变量新的变量类型你可建立一个结构数组包含结构的结构和指向结构的指针
2.2 联合联合和结构很相似它由相关的变量组成这些变量构成了联合的成员但是这些成员只能有一个起作用联合的成员变量可以是任何有效类型包括 C 语言本身拥有的类型和用户定义的类型如结构和联合一个定义联合的类型如下
union time_type {
unsigned long secs_in_year;
struct time_str time;
}mytime;
用一个长整形来存放从这年开始到现在的秒数另一个可选项是用 time_str 结构来存储从这年开始到现在的时间不管联合包含什么可在任何时候引用他的成员如下例
mytime.secs_in_year=JUNEIST;
mytime.time.hour=5;
curdays=mytime.time.days;
像结构一样联合也以连续的空间存储空间大小等于联合中最大的成员所需的空间
Offset Member Bytes
0 Secs_in_year 4
0 Mytime 5
表 0-2
因为最大的成员需要 5 个字节联合的存储大小为 5 个字节当联合的成员为
secs_in_year 时第 5 个字节没有使用联合经常被用来提供同一个数据的不同的表达方式例如假设你有一个长整型变量用来存放四个寄存器的值如果希望对这些数据有两种表达方法可以在联合中定义一个长整型变量同时再定义一个字节数组如下例
union status_type{
unsigned char status[4];
Offset Member Bytes
0 hour 1
1 min 1
2 sec 1
3 days 2
表 0-1
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unsigned long status_val;
}io_status;
io_status.status_val=0x12345678;
if(i0_status.status[2]&0x10){
…
}
2.3 指针指针是一个包含存储区地址的变量因为指针中包含了变量的地址它可以对它所指向的变量进行寻址就像在 8051 DATA 区中进行寄存器间接寻址和在 XDATA 区中用 DPTR
进行寻址一样使用指针是非常方便的因为它很容易从一个变量移到下一个变量所以可以写出对大量变量进行操作的通用程序指针要定义类型说明指向何种类型的变量假设你用关键字 long 定义一个指针 C
就把指针所指的地址看成一个长整型变量的基址这并不说明这个指针被强迫指向长整型的变量而是说明 C 把该指针所指的变量看成长整型的下面是一些指针定义的例子
unsigned char *my_ptr,*anther_ptr;
unsigned int *int_ptr;
float *float_ptr;
time_str *time_ptr;
指针可被赋予任何已经定义的变量或存储器的地址
My_ptr=&char_val;
Int_ptr=&int_array[10];
Time_str=&oldtime;
可通过加减来移动指针指向不同的存储区地址在处理数组的时候这一点特别有用当指针加 1 的时候它加上指针所指数据类型的长度
Time_ptr=(time str *) (0x10000L); //指向地址 0
Time_ptr++; //指向地址 5
指针间可像其它变量那样互相赋值指针所指向的数据也可通过引用指针来赋值
time_ptr=oldtime_ptr //两个指针指向同一地址
*int_ptr=0x4500 //把 0X4500 赋给 int_ptr 所指的变量当用指针来引用结构或联合的成员时可用如下方法
time_ptr->days=234;
*time_ptr.hour=12;
还有一个指针用得比较多的场合是链表和树结构假设你想产生一个数据结构可以进行插入和查询操作一种最简单的方法就是建立一个双向查询树你可以像下面那样定义树的节点
struct bst_node{
unsigned char name[20]; //存储姓名
struct bst_node *left,right; //分别指向左右子树的指针
};
可通过定位新的变量并把他的地址赋给查询树的左指针或右指针来使双向查询树变长或缩短有了指针后对树的处理变得简单广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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2.4 类型定义在 C 中进行类型定义就是对给定的类型一个新的类型名换句话说就是给类型一个新的名字例如你想给结构 time_str 一个新的名字
typedef struct time_str{
unsigned char hour,min,sec;
unsigned int days;
}time_type;
这样就可以像使用其它变量那样使用 time_type 的类型变量
time_type time,*time_ptr,time_array[10];
类型定义也可用来重新命名 C 的标准类型
typedef unsigned char UBYTE;
typedef char *strptr;
strptr name;
使用类型定义可使你的代码的可读性加强节省了一些打字的时间但是很多程序员大量的使用类型定义别人再看你的程序时就十分困难了
3 Keil C 和 ANSI C
下面将介绍 Keil C 的主要特点和它与 ANSI C 的不同之处并给你一些对 8051使用 C
的启发
Keil 编译器除了少数一些关键地方外基本类似于 ANSI C 差异主要是 Keil 可以让户针对 8051 的结构进行程序设计其它差异主要是 8051 的一些局限引起的
3.1 数据类型
Keil C 有 ANSI C 的所有标准数据类型除此之外为了更加有利的利用 8051 的结构还加入了一些特殊的数据类型下表显示了标准数据类型在 8051 中占据的字节数注意整型和长整型的符号位字节在最低的地址中除了这些标准数据类型外编译器还支持一种位数据类型一个位变量存在于内部 RAM
的可位寻址区中可像操作其它变量那样对位变量进行操作而位数组和位指针是违法的
3.2 特殊功能寄存器特殊功能寄存器用 sfr 来定义而 sfr16 用来定义 1 6 位的特殊功能寄存器如 DPTR
通过名字或地址来引用特殊功能寄存器地址必须高于 80H 可位寻址的特殊功能寄存器的位变量定义用关键字 sbit SFR 的定义如列表 0-1所示对于大多数 8051成员 Keil
提供了一个包含了所有特殊功能寄存器和他们的位的定义的头文件通过包含头文件可以很容易的进行新的扩展列表 0-1
sfr SCON=0X98; //定义 SCON
sbit SM0=0X9F; //定义 SCON 的各位
sbit SM1=0X9E;
sbit SM2=0X9D;
sbit REN=0x9C;
sbit TB8=0X9B;
数据类型大小
char/unsigned char 8 bit
int/unsigned char 16 bit
long/unsigned long 32 bit
float/double 32 bit
generic pointer 24 bit
表 0-3
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sbit RB8=0X9A;
sbit TI=0X99;
sbit RI=0X98;
4 存储类型
Keil 允许使用者指定程序变量的存储区这使使用者可以控制存储区的使用编译器可识别以下存储区
存储区描述
DATA RAM 的低 1 28 个字节可在一个周期内直接寻址
BDATA DATA 区的 1 6 个字节的可位寻址区
IDATA RAM 区的高 1 28 个字节必须采用间接寻址
PDATA 外部存储区的 256 个字节通过 P0 口的地址对其寻址使用指令 MOVX @Rn,需要两个指令周期
XDATA 外部存储区使用 DPTR 寻址
CODE 程序存储区使用 DPTR 寻址
4.1 DATA 区对 DATA 区的寻址是最快的所以应该把使用频率高的变量放在 DATA 区由于空间有限必须注意使用 DATA 区除了包含程序变量外还包含了堆栈和寄存器组 DATA 区的声明如列表 0-2
列表 0-2
unsigned char data system_status=0;
unsigned int data unit_id[2];
char data inp_string[16];
float data outp_value;
mytype data new_var;
标准变量和用户自定义变量都可存储在 DATA 区中只要不超过 DATA 区的范围因为
C51 使用默认的寄存器组来传递参数你至少失去了 8 个字节另外要定义足够大的堆栈空间当你的内部堆栈溢出的时候你的程序会莫名其妙的复位实际原因是 8051系列微处理器没有硬件报错机制堆栈溢出只能以这种方式表示出来
4.2 BDATA 区你可以在 DATA 区的位寻址区定义变量这个变量就可进行位寻址并且声明位变量这对状态寄存器来说是十分有用的因为它需要单独的使用变量的每一位不一定要用位变量名来引用位变量下面是一些在 BDATA 段中声明变量和使用位变量的例子列表 0-3
unsigned char bdata status_byte;
unsigned int bdata status_word;
unsigned long bdata status_dword;
sbit stat_flag=status_byte^4;
if(status_word^15){
…
}
stat_flag=1;
编译器不允许在 BDATA 段中定义 float 和 double 类型的变量如果你想对浮点数的每广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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位寻址可以通过包含 float 和 long 的联合来实现列表 0-4
typedef union{ //定义联合类型
unsigned long lvalue; //长整型 32 位
float fvalue; //浮点数 32 位
}bit_float; //联合名
bit_float bdata myfloat; //在 BDATA 段中声名联合
sbit float_ld=myfloat^31 //定义位变量名下面的代码访问状态寄存器的特定位把访问定义在 DATA 段中的一个字节和通过位名和位号访问同样的可位寻址字节的位的代码对比注意对变量位进行寻址产生的汇编代码比检测定义在 DATA 段的状态字节位所产生的汇编代码要好如果你对定义在 BDATA 段中的状态字节中的位采用偏移量进行寻址而不是用先前定义的位变量名时编译后的代码是错误的下面的例子中 use_bitnum_status 的汇编代码比 use_byte_status 的代码要大列表 0-5
1 //定义一个字节宽状态寄存器
2 unsigned char data byte_status=0x43;
3
4 //定义一个可位寻址状态寄存器
5 unsigned char bdata bit_status=0x43;
6 //把 bit_status 的第 3 位设为位变量
7 sbit status_3=bit_status^3;
8
9 bit use_bit_status(void);
10
11 bit use_bitnum_status(void);
12
13 bit use_byte_status(void);
14
15 void main(void){
16 unsigned char temp=0;
17 if (use_bit_status()){ //如果第 3 位置位 temp 加1
18 temp++;
19 }
20 if (use_byte_status()){ //如果第 3 位置位 temp 再加 1
21 temp++;
22 }
23 if (use_bitnum_status()){ //如果第 3 位置位 temp 再加 1
24 temp++;
25 }
26 }
27
28 bit use_bit_status(void){
29 return(bit)(status_3);
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22
30 }
31
32 bit use_bitnum_status(void){
33 return(bit)(bit_status^3);
34 }
35
36 bit use_byte_status(void){
37 return byte _status&0x04;
38 }
目标代码列表; FUNCTION main (BEGIN); SOURCE LINE # 15; SOURCE LINE # 16
0000 E4 CLR A
0001 F500 R MOV temp,A; SOURCE LINE # 17
0003 120000 R LCALL use_bit_status
0006 5002 JNC?C0001; SOURCE LINE # 18
0008 0500 R INC temp; SOURCE LINE # 19
000A?C0001:; SOURCE LINE # 20
000A 120000 R LCALL use_byte_status
000D 5002 JNC?C0002; SOURCE LINE # 21
000F 0500 R INC temp; SOURCE LINE # 22
0011?C0002:; SOURCE LINE # 23
0011 120000 R LCALL use_bitnum_status
0014 5002 JNC?C0004; SOURCE LINE # 24
0016 0500 R INC temp; SOURCE LINE # 25; SOURCE LINE # 26
0018?C0004:
0018 22 RET; FUNCTION main (END); FUNCTION use_bit_status (BEGIN); SOURCE LINE # 28; SOURCE LINE # 29
0000 A200 R MOV C,status_3; SOURCE LINE # 30
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0002?C0005:
0002 22 RET; FUNCTION use_bit_status (END); FUNCTION use_bitnum_status (BEGIN)
The compiler obtains the desired bit by using the entire byte instead of using
a bit address.; SOURCE LINE # 32; SOURCE LINE # 33
0000 E500 R MOV A,bit_status
0002 6403 XRL A,#03H
0004 24FF ADD A,#0FFH; SOURCE LINE # 34
0006?C0006:
0006 22 RET; FUNCTION use_bitnum_status (END); FUNCTION use_byte_status (BEGIN); SOURCE LINE # 36; SOURCE LINE # 37
0000 E500 R MOV A,byte_status
0002 A2E2 MOV C,ACC.2; SOURCE LINE # 38
0004?C0007:
0004 22 RET; FUNCTION use_byte_status (END)
记住在处理位变量时要使用声明的位变量名而不要使用偏移量
4.3 IDATA 段
IDATA 段也可存放使用比较频繁的变量使用寄存器作为指针进行寻址在寄存器中设置 8 位地址进行间接寻址和外部存储器寻址比较它的指令执行周期和代码长度都比较短
unsigned char idata system_status=0;
unsigned int idata unit_id[2];
char idata inp_string[16];
float idata outp_value;
4.4 PDATA 和 XDATA 段在这两个段声明变量和在其它段的语法是一样的 PDATA 段只有 256 个字节而 XDATA
段可达 65536 个字节下面是一些例子
unsigned char xdata system_status=0;
unsigned int pdata unit_id[2];
char xdata inp_string[16];
float pdata outp_value;
对 PDATA 和 XDATA 的操作是相似的对 PDATA 段寻址比对 XDATA 段寻址要快因为对 PDATA 段寻址只需要装入 8 位地址而对 XDATA 段寻址需装入 1 6 位地址所以尽量把外广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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部数据存储在 PDATA 段中对 PDATA 和 XDATA 寻址要使用 MOVX 指令需要两个处理周期列表 0-6
1 #include <reg51.h>
2
3 unisgned char pdata inp_reg1;
4
5 unsigned char xdata inp_reg2;
6
7 void main(void){
8 inp_reg1=P1;
9 inp_reg2=P3;
10 }
产生的目标代码列表; FUNCTION main (BEGIN); SOURCE LINE # 7; SOURCE LINE # 8
注意 'inp_reg1=P1' 需要 4个指令周期
0000 7800 R MOV R0,#inp_reg1
0002 E590 MOV A,P1
0004 F2 MOVX @R0,A; SOURCE LINE # 9
注意 'inp_reg2=P3' 需要 5个指令周期
0005 900000 R MOV DPTR,#inp_reg2
0008 E5B0 MOV A,P3
000A F0 MOVX @DPTR,A; SOURCE LINE # 10
000B 22 RET; FUNCTION main (END)
经常外部地址段中除了包含存储器地址外还包含 I/O 器件的地址对外部器件寻址可通过指针或 C51 提供的宏我建议使用宏对外部器件进行寻址因为这样更有可读性宏定义使得存储段看上去像 char 和 int 类型的数组下面是一些绝对寄存器寻址的例子列表 0-7
inp_byte=XBYTE[0x8500]; // 从地址 8500H读一个字节
inp_word=XWORD[0x4000]; // 从地址 4000H读一个字和 2001H
c=*((char xdata *) 0x0000); // 从地址 0000读一个字节
XBYTE[0x7500]=out_val; // 写一个字节到 7500H
可对除 BDATA和 BIT段之外的其它数据段采用以上方法寻址通过包含头文件 absacc.h
来进行绝对地址访问
4.5 CODE 段代码段的数据是不可改变的 8051 的代码段不可重写一般代码段中可存放数据表广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
25
跳转向量和状态表对 CODE 段的访问和对 XDATA 段的访问的时间是一样的代码段中的对象在编译的时候初始化否则你就得不到你想要的值下面是代码段的声明例子
unsigned int code unit_id[2]=1234;
unsigned char
0x00,0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,
0x08,0x09,0x10,0x11,0x12,0x13,0x14,0x15
};
5 指针
C51 提供一个 3 字节的通用存储器指针通用指针的头一个字节表明指针所指的存储区空间另外两个字节存储 1 6 位偏移量对于
DATA IDATA 和 PDATA 段只需要 8 位偏移量
Keil 允许使用者规定指针指向的存储段这种指针叫具体指针使用具体指针的好处是节省了存储空间编译器不用为存储器选择和决定正确的存储器操作指令产生代码这样就使代码更加简短但你必须保证指针不指向你所声明的存储区以外的地方否则会产生错误而且很难调试下面的例子反映出使用具体指针比使用通用指针更加高效使用通用指针的第一个循环需要 378 个处理周期使用具体指针只需要 1 51 个处理周期列表 0-8
1 #include <absacc.h>
2
3 char *generic_ptr;
4
5 char data *xd_ptr;
6
7 char mystring[]="Test output";
8
9 main() {
10 1 generic_ptr=mystring;
11 1 while (*generic_ptr) {
12 2 XBYTE[0x0000]=*generic_ptr;
13 2 generic_ptr++;
14 2 }
15 1
16 1 xd_ptr=mystring;
17 1 while (*xd_ptr) {
18 2 XBYTE[0x0000]=*xd_ptr;
19 2 xd_ptr++;
20 2 }
21 1 }
编译产生的汇编代码指针类型大小通用指针 3字节
XDATA 指针 2字节
CODE 指针 2字节
IDATA 指针 1字节
DATA 指针 1字节
PDATA 指针 1字节
表 0-5
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26; FUNCTION main (BEGIN); SOURCE LINE # 9; SOURCE LINE # 10
0000 750004 R MOV generic_ptr,#04H
0003 750000 R MOV generic_ptr+01H,#HIGH mystring
0006 750000 R MOV generic_ptr+02H,#LOW mystring
0009?C0001:; SOURCE LINE # 11
0009 AB00 R MOV R3,generic_ptr
000B AA00 R MOV R2,generic_ptr+01H
000D A900 R MOV R1,generic_ptr+02H
000F 120000 E LCALL?C_CLDPTR
0012 FF MOV R7,A
0013 6011 JZ?C0002; SOURCE LINE # 12
0015 900000 MOV DPTR,#00H
0018 F0 MOVX @DPTR,A; SOURCE LINE # 13
0019 7401 MOV A,#01H
001B 2500 R ADD A,generic_ptr+02H
001D F500 R MOV generic_ptr+02H,A
001F E4 CLR A
0020 3500 R ADDC A,generic_ptr+01H
0022 F500 R MOV generic_ptr+01H,A; SOURCE LINE # 14
0024 80E3 SJMP?C0001
0026?C0002:; SOURCE LINE # 16
0026 750000 R MOV xd_ptr,#LOW mystring
0029?C0003:; SOURCE LINE # 17
0029 A800 R MOV R0,xd_ptr
002B E6 MOV A,@R0
002C FF MOV R7,A
002D 6008 JZ?C0005; SOURCE LINE # 18
002F 900000 MOV DPTR,#00H
0032 F0 MOVX @DPTR,A; SOURCE LINE # 19
0033 0500 R INC xd_ptr; SOURCE LINE # 20
0035 80F2 SJMP?C0003; SOURCE LINE # 21
0037?C0005:
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0037 22 RET; FUNCTION main (END)
由于使用具体指针能够节省不少时间所以我们一般都不使用通用指针
6 中断服务
8051 的中断系统十分重要,C51 使你能够用 C 来声明中断和编写中断服务程序 (当然你也可以用汇编来写 ) 中断过程通过使用 interrupt 关键字和中断号 (0 到 31)来实现,中断号告述编译器中断程序的入口地址中断号对应着 IE 寄存器中的使能位换句话说 IE
寄存器中的 0 位对应着外部中断 0 相应的外部中断 0 的中断号是 0 表 0-6 反映了这种关系
一个中断过程并不一定带上所有参数可以没有返回值有了这些限制编译器不须要担心寄存器组参数的使用和对累加器状态寄存器 B 寄存器数据指针和默认的寄存器的保护只要他们在中断程序中被用到编译的时候会把他们入栈在中断程序结束时将他们恢复中断程序的入口地址被编译器放在中断向量中 C51 支持所有 5 个 8051/8052 标准中断从 0 到 4 和在 8051 系列中多达 27 个中断源一个中断服务程序的例子如下列表 0-9
1 #include <reg51.h>
2 #include <stdio.h>
3
4 #define RELOADVALH 0x3C
5 #define RELOADVALL 0xB0
6
7 extern unsigned int tick_count;
8
9 void timer0(void) interrupt 1 {
10 1 TR0=0; // 停止定时器 0
11 1 TH0=RELOADVALH; // 50ms后溢出
12 1 TL0=RELOADVALL;
13 1 TR0=1; // 启动 T0
14 1 tick_count++; // 时间计数器加1
15 1 printf("tick_count=%05u\n",tick_count);
16 1 }
编译后产生的汇编代码; FUNCTION timer0 (BEGIN)
0000 C0E0 PUSH ACC
0002 C0F0 PUSH B
0004 C083 PUSH DPH
0006 C082 PUSH DPL
IE 寄存器中的使能位和 C 中的中断号
中断源
0
外部中断 0
1
定时器 0 溢出
2
外部中断 1
3
定时器 1 溢出
4
串行口中断
5
定时器 2 溢出
表 0-6
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0008 C0D0 PUSH PSW
000A C000 PUSH AR0
000C C001 PUSH AR1
000E C002 PUSH AR2
0010 C003 PUSH AR3
0012 C004 PUSH AR4
0014 C005 PUSH AR5
0016 C006 PUSH AR6
0018 C007 PUSH AR7; SOURCE LINE # 9; SOURCE LINE # 10
001A C28C CLR TR0; SOURCE LINE # 11
001C 758C3C MOV TH0,#03CH; SOURCE LINE # 12
001F 758AB0 MOV TL0,#0B0H; SOURCE LINE # 13
0022 D28C SETB TR0; SOURCE LINE # 14
0024 900000 E MOV DPTR,#tick_count+01H
0027 E0 MOVX A,@DPTR
0028 04 INC A
0029 F0 MOVX @DPTR,A
002A 7006 JNZ?C0002
002C 900000 E MOV DPTR,#tick_count
002F E0 MOVX A,@DPTR
0030 04 INC A
0031 F0 MOVX @DPTR,A
0032?C0002:; SOURCE LINE # 15
0032 7B05 MOV R3,#05H
0034 7A00 R MOV R2,#HIGH?SC_0
0036 7900 R MOV R1,#LOW?SC_0
0038 900000 E MOV DPTR,#tick_count
003B E0 MOVX A,@DPTR
003C FF MOV R7,A
003D A3 INC DPTR
003E E0 MOVX A,@DPTR
003F 900000 E MOV DPTR,#?_printf?BYTE+03H
0042 CF XCH A,R7
0043 F0 MOVX @DPTR,A
0044 A3 INC DPTR
0045 EF MOV A,R7
0046 F0 MOVX @DPTR,A
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0047 120000 E LCALL _printf; SOURCE LINE # 16
004A D007 POP AR7
004C D006 POP AR6
004E D005 POP AR5
0050 D004 POP AR4
0052 D003 POP AR3
0054 D002 POP AR2
0056 D001 POP AR1
0058 D000 POP AR0
005A D0D0 POP PSW
005C D082 POP DPL
005E D083 POP DPH
0060 D0F0 POP B
0062 D0E0 POP ACC
0064 32 RETI; FUNCTION timer0 (END)
在上面的例子中调用 printf 函数使得编译器把所有的工作寄存器入栈因为调用本身和非再入函数 printf 的处理过程中要使用到这些寄存器如果在 C 源程序中把调用语句去掉的话编译出来的代码就小得多了列表 0-10
1 #include <reg51.h>
2
3 #define RELOADVALH 0x3C
4 #define RELOADVALL 0xB0
5
6 extern unsigned int tick_count;
7
8 void timer0(void) interrupt 1 using 0 {
9 1 TR0=0; // 停止定时器 0
10 1 TH0=RELOADVALH; // 设定溢出时间 50ms
11 1 TL0=RELOADVALL;
12 1 TR0=1; // 启动 T0
13 1 tick_count++; // 时间计数器加1
14 1 }
编译后产生的汇编代码; FUNCTION timer0 (BEGIN)
0000 C0E0 PUSH ACC
Push and pop of register bank 0 and the B register is eliminated because printf was
usingthe registers for parameters and using B internally.
0002 C083 PUSH DPH
0004 C082 PUSH DPL
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30; SOURCE LINE # 8; SOURCE LINE # 9
0006 C28C CLR TR0; SOURCE LINE # 10
0008 758C3C MOV TH0,#03CH; SOURCE LINE # 11
000B 758AB0 MOV TL0,#0B0H; SOURCE LINE # 12
000E D28C SETB TR0; SOURCE LINE # 13
0010 900000 E MOV DPTR,#tick_count+01H
0013 E0 MOVX A,@DPTR
0014 04 INC A
0015 F0 MOVX @DPTR,A
0016 7006 JNZ?C0002
0018 900000 E MOV DPTR,#tick_count
001B E0 MOVX A,@DPTR
001C 04 INC A
001D F0 MOVX @DPTR,A
001E?C0002:; SOURCE LINE # 14
001E D082 POP DPL
0020 D083 POP DPH
0022 D0E0 POP ACC
0024 32 RETI; FUNCTION timer0 (END)
6.1 指定中断服务程序使用的寄存器组当指定中断程序的工作寄存器组时保护工作寄存器的工作就可以被省略使用关键字 using 后跟一个 0 到 3 的数对应着 4 组工作寄存器当指定工作寄存器组的时候默认的工作寄存器组就不会被推入堆栈这将节省 32 个处理周期因为入栈和出栈都需要 2
个处理周期为中断程序指定工作寄存器组的缺点是所有被中断调用的过程都必须使用同一个寄存器组否则参数传递会发生错误下面的例子给出了定时器 0 的中断服务程序但我已经告述编译器使用寄存器组 0
列表 0-11
1 #include <reg51.h>
2 #include <stdio.h>
3
4 #define RELOADVALH 0x3C
5 #define RELOADVALL 0xB0
6
7 extern unsigned int tick_count;
8
9 void timer0(void) interrupt 1 using 0 {
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10 1 TR0=0; // 停止定时器 0
11 1 TH0=RELOADVALH; // 设置溢出时间为 50ms
12 1 TL0=RELOADVALL;
13 1 TR0=1; // 启动 T0
14 1 tick_count++; // 时间计数器加1
15 1 printf("tick_count=%05u\n",tick_count);
16 1 }
编译后产生的汇编代码; FUNCTION timer0 (BEGIN)
0000 C0E0 PUSH ACC
0002 C0F0 PUSH B
Push and pop of register bank 0 has been eliminated because the compiler assumes
that thisISR 'owns' RB0.
0004 C083 PUSH DPH
0006 C082 PUSH DPL
0008 C0D0 PUSH PSW
000A 75D000 MOV PSW,#00H; SOURCE LINE # 9; SOURCE LINE # 10
000D C28C CLR TR0; SOURCE LINE # 11
000F 758C3C MOV TH0,#03CH; SOURCE LINE # 12
0012 758AB0 MOV TL0,#0B0H; SOURCE LINE # 13
0015 D28C SETB TR0; SOURCE LINE # 14
0017 900000 E MOV DPTR,#tick_count+01H
001A E0 MOVX A,@DPTR
001B 04 INC A
001C F0 MOVX @DPTR,A
001D 7006 JNZ?C0002
001F 900000 E MOV DPTR,#tick_count
0022 E0 MOVX A,@DPTR
0023 04 INC A
0024 F0 MOVX @DPTR,A
0025?C0002:; SOURCE LINE # 15
0025 7B05 MOV R3,#05H
0027 7A00 R MOV R2,#HIGH?SC_0
0029 7900 R MOV R1,#LOW?SC_0
002B 900000 E MOV DPTR,#tick_count
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002E E0 MOVX A,@DPTR
002F FF MOV R7,A
0030 A3 INC DPTR
0031 E0 MOVX A,@DPTR
0032 900000 E MOV DPTR,#?_printf?BYTE+03H
0035 CF XCH A,R7
0036 F0 MOVX @DPTR,A
0037 A3 INC DPTR
0038 EF MOV A,R7
0039 F0 MOVX @DPTR,A
003A 120000 E LCALL _printf; SOURCE LINE # 16
003D D0D0 POP PSW
003F D082 POP DPL
0041 D083 POP DPH
0043 D0F0 POP B
0045 D0E0 POP ACC
0047 32 RETI; FUNCTION timer0 (END)
7 再入函数因为 8051 内部堆栈空间的限制 C51 没有像大系统那样使用调用堆栈一般 C 语言中调用过程时会把过程的参数和过程中使用的局部变量入栈为了提高效率 C51没有提供这种堆栈而是提供一种压缩栈每个过程被给定一个空间用于存放局部变量过程中的每个变量都存放在这个空间的固定位置当递归调用这个过程时会导致变量被覆盖在某些实时应用中非再入函数是不可取的因为函数调用时可能会被中断程序中断而在中断程序中可能再次调用这个函数所以 C51 允许将函数定义成再入函数再入函数可被递归调用和多重调用而不用担心变量被覆盖因为每次函数调用时的局部变量都会被单独保存因为这些堆栈是模拟的再入函数一般都比较大运行起来也比较慢模拟栈不允许传递 bit 类型的变量也不能定义局部位标量
8 使用 Keil C 时应做的和应该避免的
Keil 编译器能从你的 C 程序源代码中产生高度优化的代码但你可以帮助编译器产生更好的代码下面将讨论这方面的一些问题
8.1 采用短变量一个提高代码效率的最基本的方式就是减小变量的长度使用 C 编程时我们都习惯于对循环控制变量使用 int 类型这对 8 位的单片机来说是一种极大的浪费你应该仔细考虑你所声明的变量值可能的范围然后选择合适的变量类型很明显经常使用的变量应该是 unsigned char 只占用一个字节
8.2 使用无符号类型为什么要使用无符号类型呢原因是 8051 不支持符号运算程序中也不要使用含有带符号变量的外部代码除了根据变量长度来选择变量类型自外你还要考虑是否变量是否广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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会用于负数的场合如果你的程序中可以不需要负数那么把变量都定义成无符号类型的
8.3 避免使用浮点指针在 8 位操作系统上使用 32 位浮点数是得不偿失的你可以这样做但会浪费大量的时间所以当你要在系统中使用浮点数的时候你要问问自己这是否一定需要可以通过提高数值数量级和使用整型运算来消除浮点指针处理 ints和 longs比处理 doubles和 floats
要方便得多你的代码执行起来会更快也不用连接处理浮点指针的模块如果你一定要采用浮点指针的话你应该采用西门子 80517 和达拉斯半导体公司的 80320 这些已经对数处理进行过优化的单片机如果你不得不在你的代码中加入浮点指针那么你的代码长度会增加程序执行速度也会比较慢如果浮点指针运算能被中断的话你必须确保要么中断中不会使用浮点指针运算要么在中断程序前使用 fpsave 指令把中断指针推入堆栈在中断程序执行后使用 fprestore 指令把指针恢复还有一种方法是当你要使用像 sin()这样的浮点运算程序时,禁止使用中断在运算程序执行完之后再使能它列表 0-12
#include <math.h>
void timer0_isr(void) interrupt 1 {
struct FPBUF fpstate;
,.,// 初始化代码或
// 非浮点指针代码
fpsave(&fpstate); // 保留浮点指针系统
,.,// 中断服务程序代码,包括所有
// 浮点指针代码
fprestore(&fpstate); // 复位浮点指针
// 系统状态
,.,// 非浮点指针中断
// 服务程序代码
}
float my_sin(float arg) {
float retval;
bit old_ea;
old_ea=EA; // 保留当前中断状态
EA=0; // 关闭中断
retval=sin(arg); // 调用浮点指针运算程序
EA=old_ea; // 恢复中断状态
return retval;
}
你还要决定所需要的最大精度一旦你计算出你所需要的浮点运算的最多的位数应该通知编译器知道它将把处理的复杂度控制在最低的范围内
8.4 使用位变量对于某些标志位应使用位变量而不是 unsigned char 这将节省你的内存你不用广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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多浪费 7 位存储区而且位变量在 RAM 中访问他们只需要一个处理周期
8.5 用局部变量代替全局变量把变量定义成局部变量比全局变量更有效率编译器为局部变量在内部存储区中分配存储空间而为全局变量在外部存储区中分配存储空间这会降低你的访问速度另一个避免使用全局变量的原因是你必须在你系统的处理过程中调节使用全局变量因为在中断系统和多任务系统中不止一个过程会使用全局变量
8.6 为变量分配内部存储区局部变量和全局变量可被定义在你想要的存储区中根据先前的讨论,当你把经常使用的变量放在内部 RAM 中时,可使你的程序的速度得到提高,除此之外,你还缩短了你的代码,
因为外部存储区寻址的指令相对要麻烦一些考虑到存储速度按下面的顺序使用存储器
DATA IDATA PDATA XDATA 当然你要记得留出足够的堆栈空间
8.7 使用特定指针当你在程序中使用指针时你应指定指针的类型确定它们指向哪个区域如 XDATA 或
CODE 区这样你的代码会更加紧凑因为编译器不必去确定指针所指向的存储区因为你已经进行了说明
8.8 使用调令对于一些简单的操作如变量循环位移编译器提供了一些调令供用户使用许多调令直接对应着汇编指令而另外一些比较复杂并兼容 ANSI 所有这些调令都是再入函数你可在任何地方安全的调用他们和单字节循环位移指令 RL A 和 RR A 相对应的调令是 _crol_ 循环左移和 _cror_(循环右移 ) 如果你想对 int 或 long 类型的变量进行循环位移调令将更加复杂而且执行的时间会更长对于 int 类型调令为 _irol_,_iror_,对于 long 类型调令为 _lrol_,_lror_
在 C 中也提供了像汇编中 JBC 指令那样的调令 _testbit_ 如果参数位置位他将返回 1
否则将返回 0 这条调令在检查标志位时十分有用而且使 C 的代码更具有可读性调令将直接转换成 JBC 指令列表 0-13
#include <instrins.h>
void serial_intr(void) interrupt 4 {
if (!_testbit_(TI)) { // 是否是发送中断
P0=1; // 翻转 P0.0
_nop_(); // 等待一个指令周期
P0=0;
,.,
}
if (!_testbit_(RI)) {
test=_cror_(SBUF,1); // 将 SBUF中的数据循环
// 右移一位
,.,
}
}
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8.8 使用宏替代函数对于小段代码像使能某些电路或从锁存器中读取数据你可通过使用宏来替代函数使得程序有更好的可读性你可把代码定义在宏中这样看上去更像函数编译器在碰到宏时按照事先定义的代码去替代宏宏的名字应能够描述宏的操作当需要改变宏时你只要修该宏定义处列表 0-14
#define led_on() {\
led_state=LED_ON; \
XBYTE[LED_CNTRL] = 0x01;}
#define led_off() {\
led_state=LED_OFF; \
XBYTE[LED_CNTRL] = 0x00;}
#define checkvalue(val) \
( (val < MINVAL || val > MAXVAL)? 0,1 )
宏能够使得访问多层结构和数组更加容易可以用宏来替代程序中经常使用的复杂语句以减少你打字的工作量且有更好的可读性和可维护性
9 存储器模式
C51提供了 3 种存储器模式来存储变量过程参数和分配再入函数堆栈你应该尽量使用小存储器模式很少应用系统需要使用其它两种模式像有大的再入函数堆栈系统那样一般来说如果系统所需要的内存数小于内部 RAM 数时都应以小存储模式进行编译在这种模式下 DATA 段是所有内部变量和全局变量的默认存储段所有参数传递都发生在
DATA 段中如果有函数被声明为再入函数编译器会在内部 RAM 中为他们分配空间这种模式的优势就是数据的存取速度很快但只有 1 20 个字节的存储空间供你使用总共有 1 28
个字节但至少有 8 个字节被寄存器组使用你还要为程序调用开辟足够的堆栈如果你的系统有 256 字节或更少的外部 RAM 你可以使用压缩存储模式这样一来如果不加说明变量将被分配在 PDATA 段中这种模式将扩充你能够使用的 RAM 数量对
XDATA 段以外的数据存储仍然是很快的变量的参数传递将在内部 RAM 中进行这样存储速度会比较快对 PDATA 段的数据的寻址是通过 R0 和 R1 进行间接寻址比使用 DPTR 要快一些在大存储模式中所有变量的默认存储区是 XDATA 段 Keil C 尽量使用内部寄存器组进行参数传递在寄存器组中可以传递参数的数量和和压缩存储模式一样再入函数的模拟栈将在 XDATA 中对 XDATA 段数据的访问是最慢的所以要仔细考虑变量应存储的位置使数据的存储速度得到优化
10 混合存储模式
Keil 允许使用混合的存储模式这点在大存储模式中是非常有用的在大存储器模式下有些过程对数据传递的速度要求很高我就把过程定义在小存储模式寄存器中这使得编译器为该过程的局部变量在内部 RAM 中分配存储空间并保证所有参数都通过内部 RAM
进行传递尽管采用混合模式后编译的代码长度不会有很大的改变但这种努力是值得的就像能在大模式下把过程声明为小模式一样你像能在小模式下把过程声明为压缩模式或大模式这一般使用在需要大量存储空间的过程上这样过程中的局部变量将被存储在外部存储区中你也可以通过过程中的变量声明把变量分配在 XDATA 段中广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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11 运行库运行库中提供了很多短小精悍的函数你可以很方便的使用他们你自己很难写出更好的代码了值得注意的是库中有些函数不是再入函数如果在执行这些函数的时候被中断而在中断程序中又调用了该函数将得到意想不到的结果而且这种错误很难找出来表 0-7 列出了非再入型的库函数使用这些函数时最好禁止使用这些函数的中断
12 动态存储分配通过标准 C 的功能函数 malloc 和 free
Keil C 提供了动态存储分配功能对大多数应用来说应尽可能在编译的时候确定所需要的内存空间并进行分配但是对于有些需要使用动态结构如树和链表的应用来说这种方式就不再适用了 Keil C 对这种应用提供了有力的支持动态分配函数要求用户声明一个字节数组作为堆根据所需要动态内存的大小来决定数组的长度作为堆被声明的数组在 XDATA 区中因为库函数使用特定指针来进行寻址此外也没有必要在 DATA 区中动态分配内存因为 DATA 区的空间本身就很小一旦在 XDATA 区中声明了这个块指向块的指针和块的大小要传递给初始化函数
init_mempool,他将设置一些内部变量和进行一些准备工作并对动态存储空间进行初始化一旦初始化工作完成可在任何系统中调用动态分配函数动态分配的函数包括
malloc(接受一个描述空间大小的 unsigned int 参数,返回一个指针 ),calloc(接受一个描述数量和一个描述大小的 unsigned int 参数,返回一个指针 ),realloc(接受一个指向块的指针和一个描述空间大小的 unsigned int 参数,返回一个指向按给出参数分配的空间的指针 ),free(接受一个指向块的指针,使这个空间可以再次被分配 ) 所有这些函数都将返回指向堆的指针如果失败的话将返回 NULL 下面是一个动态分配存储区的例子列表 0-15
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
// 代码中利用特定指针来提高效率
typedef struct entry_str { // 定义队列元素结构
struct entry_str xdata *next; // 指向下一个元素
char text[33]; // 结构中的字符串
} entry;
void init_queue(void);
void insert_queue(entry xdata *);
void display_queue(entry xdata *);
void free_queue(void);
entry xdata *pop_queue(void);
gets atof atan2
printf atol cosh
sprinf atoi sinh
scanf exp tanh
sscanf log calloc
memccpy log10 free
strcat sqrt Init_mempool
strncat srand malloc
strncmp cos realloc
strncpy sin ceil
strspn tan floor
strcspn acos modf
strpbrk asin pow
strrpbrk atan
表 0-7
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entry xdata *root=NULL; // 设置队列为空
void main(void) {
entry xdata *newptr;
init_queue(); // 设置队列
,..
newptr=malloc(sizeof(entry)); // 分配一个队列元素
sprintf(newptr->text,"entry number one");
insert_queue(newptr); // 放入队列
,..
newptr=malloc(sizeof(entry));
sprintf(newptr->text,"entry number two");
insert_queue(newptr); // 插入另一个元素
,..
display_queue(root); // 显示队列
,..
newptr=pop_queue(); // 弹出头元素
printf("%s\n",newptr->text);
free(newptr); // 删除它
,..
free_queue(); // 释放整个队列空间
}
void init_queue(void) {
static unsigned char memblk[1000]; // 这部分空间将作为堆
init_mempool(memblk,sizeof(memblk)); // 建立堆
}
void insert_queue(entry xdata *ptr) { // 把元素插入队尾
entry xdata *fptr,*tptr;
if (root==NULL){
root=ptr;
} else {
fptr=tptr=root;
while (fptr!=NULL) {
tptr=fptr;
fptr=fptr->next;
}
tptr->next=ptr;
}
ptr->next=NULL;
}
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void display_queue(entry xdata *ptr) {// 显示队列
entry xdata *fptr;
fptr=ptr;
while (fptr!=NULL) {
printf("%s\n",fptr->text);
fptr=fptr->next;
}
}
void free_queue(void) { // 释放队列空间
entry xdata *temp;
while (root!=NULL) {
temp=root;
root=root->next;
free(temp);
}
}
entry xdata *pop_queue(void) { // 删除队列
entry xdata *temp;
if (root==NULL) {
return NULL;
}
temp=root;
root=root->next;
temp->next=NULL;
return temp;
}
可见使用动态分配函数就像 ANSI C 一样十分方便
13 结论使用 C 来开发你的系统将更加方便快捷他既不会降低你对硬件的控制能力也不会使你的代码长度增加多少如果你运用得好的话你能够开发出非常高效的系统并且非常利于维护广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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第三章使用软件补充硬件
1 介绍这章将展示用软件来提升你系统整体性能的方法通过这些软件方法将提供用户接口时钟系统并能够减少不必要的硬件下面将举一个使用 8051 作时钟的例子系统用一个接在单片机端口上的标准 2x16 的 LCD 来显示时间按第一个按钮将进入模式设置状态并在相应的地方显示光标按第二个按钮将增加数值 15 秒之后如果无键按下将回到正常状态为了降低成本,用微处理器来仿真实时时钟芯,并且液晶片将接在微处理器的一个口上,
用软件仿真实时时钟并直接控制液晶片的接口这样就不再需要使用译码芯片和实时钟芯片了为了进一步减少元器件将采用内部 RAM 程序能够使用的 RAM 就被控制在 1 28
个字节以内做软件的时候要认真考虑 RAM 的用法充分利用 RAM 的空间系统接线图见图 0-1
系统使用了带内部 EPROM 的 8051 这样就省去了外部 EPROM 和用来做为接口的 74373 口
0 和口 2 保留用做系统扩展之需为了有一个比较图 0-2 给了传统设计方法的接线图处理器对实时时钟芯片和 LCD 驱动芯片进行寻址这需要一个地址译码器和一个与非门这个设计还使用了外部 SRAM 注意两种设计的不同
图 0-1 时钟电路
2 使用小存储模式为了不使用 SRAM 就要使用小存储模式这把能够使用的 RAM 数量限制在 1 28 个字节内处理器内部堆栈压缩栈所有程序变量和所有包含进来的库函数都将使用这些数量有限的 RAM
编译器可以通过覆盖技术来优化 RAM 的使用所以应尽量使用局部变量通过覆盖分析编译器决定哪些变量被分配在一起哪些不能在同一时间存在这些分析告诉 L51如何使用局部存储区很多时候根据调用结构一个存储地址将存储不同的局部变量所以要多使用局部变量当然不可避免的有一些全局变量像标志位保存每日时间的变量也有可能在指定的函数中定义静态变量编译器会把他们当成全局变量一样处理广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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图 0-2 扩展电路为了节省 RAM 要尽可能少的调用库函数一些库函数要占用大量的 RAM 并且这些函数的范围和功能都超出了所需比如 printf 函数包含了时钟不需要的很多初始化功能应考虑是否要专门写一个程序来替代标准的 printf 函数这样会占用更少的资源
表 0-1
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3 使用液晶驱动这个项目所选择的液晶驱动芯片为 GMD16202 有 2x16 段它的接口十分简单表 0-1
中列出了对芯片操作的简单的指令上电后必须初始化显示包括总线的宽度线的数量输入模式等每个命令之间要查询显示是否准备好接收下一个数据执行每条指令一般需要 40ms 时间有些只需要 1,64ms
3.1 LCD 驱动接口我们通过减少元件来降低成本,从液晶驱动接口可以很容易的看出这点,驱动芯片的 8
位数据线和 P1口相连用软件来控制显示和产生正确的使能信号脉冲序列锁住输入输出的数据而典型的系统驱动芯片和 8051 的总线相连软件只需要用 XBYTE[]对芯片寻址就可以了当把工作交由软件来完成之后就不再需要解码器和一些支持芯片这就降低了速度因为软件要完成 8051和 LCD 驱动芯片之间的数据传输工作代码的长度和执行时间都会比较长对时钟系统来说有大量的 EPROM 空间剩余代码的长度不是问题而由以后的分析我们会发现执行的时间长短也不是问题一旦理解了 LCD 驱动芯片所需的信号和时序之后显示的接口函数就很容易写了软件只须要 3 个基本功能写入一个命令写入下一个字符读显示状态寄存器这些操作的时序关系见图 0-3 和 0-4 在每个信号之间允许有很长的时间间隔信号有效或无效的时间可以毫秒来计算而不像系统总线那样以钠秒来计算
I/0 函数只需要按照时序图来操作就可以了列表 0-1
void disp_write(unsigned char value) {
DISPDATA=value; // 发送数据
REGSEL=1; // 选择数据寄存器
RDWR=0; // 选择写模式
ENABLE=1; // 发送数据给 LCD
ENABLE=0;
}
disp_write 的功能是送一个字符给 LCD 显示在送数之前应查看 LCD 驱动芯片是否已经准备好接收数据列表 0-2
void disp_cmd(unsigned char cmd) {
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DISPDATA=cmd; // 发送命令
REGSEL=0; // 选择命令寄存器
RDWR=0; // 选择写模式
ENABLE=1; // 发送命令给 LCD
ENABLE=0;
TH1=0; // 定时 85ms
TL1=0;
TF1=0;
TR1=1;
while (!TF1 && disp_read() & DISP_BUSY);// 等待显示
// 结束命令
TR1=0;
}
disp_cmd 函数的时序和 disp_write 一样但只有到 LCD 驱动芯片准备好接收下一个数据时才结束函数列表 0-3
unsigned char disp_read(void) {
unsigned char value;
DISPDATA=0xFF; // 为所有输入设置端口
REGSEL=0; // 选择命令寄存器
RDWR=1; // 选择读模式
ENABLE=1; // 使能 LCD输出
value=DISPDATA; // 读入数据
ENABLE=0; // 禁止 LCD输出
return(value);
}
disp_read 函数的功能是锁住显示状态寄存器中的数根据上面的时序进行操作同时读出 P1中的数据数据被保存并作为调用结果返回如你所见从控制器的端口控制显示是十分简单的缺点是所花的时间要长一些另外代码也比较长但是系统的成本却降低了
4 显示数据当初始化完成之后就可以进行显示了写入字符十分简单要告诉驱动芯片所接收到字符的显示地址然后发送所要显示的字符当接收下一个显示字符时芯片的内部显示地址将自动加一为了正确显示信息和与用户之间相互作用系统需要一个函数能够完成上述功能,并能清除显示,我们重新定义 putchar 函数来向 LCD 输出显示字符因此我们必须知道如何使用前面所写的函数来完成字符的输出过程除此之外还在其它一些地方作了改动当过程检测到 255 时将发出命令清除显示并返回 putchar 函数从清除显示开始对写入的数据进行计数从而决定是否开始在显示的第二行写入函数如下列表 0-4
char putchar(char c) {
static unsigned char flag=0;
if (!flag || c==255) { // 显示是否应该回到原位广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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disp_cmd(DISP_HOME);
flag=0;
if (c==255) {
return c;
}
}
if (flag==16) { // 是否使用下一个显示行
disp_cmd(DISP_POS | DISP_LINE2); // 显示移到第二行
}
disp_write(c); // 送一个字符显示
while (disp_read() & DISP_BUSY); // 等待显示
flag++; // increment the line flag
if (flag>=32) { flag=0; } // 显示完之后清除
return(c);
}
如你所见函数十分简单它调用一些低层的 I/O 过程向显示写入数据如果写入成功的话返回所传送的字符它假设显示工作正常所以总是返回所写入的字符
4.1 定制 printf 函数
C51 的库函数中包含了 printf 函数该函数格式化字符串并把他们输出到标准输出设备对 PC 来说标准输出设备就是你的显示设备对 8051 来说是串行口在这里只有一个显示就本质来说 printf 函数是通过不断的调用 putchar 函数来输出字符串的这样通过重新定义 putchar 函数就可以改变 printf 函数连接器在连接的时候将使用源代码中的 putchar 函数而不是运行函数库中的函数下面的功能将调用 printf 函数来格式化时间串并发送显示列表 0-5
void disp_time(void) {
// 显示保存的当前时间
// 当时间数据使用完毕后才清除使用标志位
// 这避免了数据在使用中被修改
printf("\xFFTIME OF DAY IS,%B02u:%B02u:%B02u ",
timeholder.hour,timeholder.min,timeholder.sec);
disp_update=0; // 清除显示更新标志位
}
5 使用定时计数器来计时不少嵌入式系统特别是那些低成本的系统没有实时时钟来提供时间信号然而这些系统一般都要在某个时间或在系统事件的某段时间之后执行某段任务这些任务包括以一定的时间间隔显示数据和以一定的频率接收数据一般设计者会通过循环来延时这种做法的缺点是对不同的延时时间要做不同的延时程序很多延时程序是通过 NOP 和 DJNZ
指令来进行延时的这对于使用电池的系统来说是一种消耗一种好得多的方法是用内置定时器来产生系统时钟定时器不断的溢出重装并在指定的时间产生中断中断程序重装定时器分配定时时间并执行指定的过程这种方法的好处是很多的首先处理器不必一直执行计时循环他可在各个中断之间处于 idle
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模式或执行其它指令其次所有控制都在 ISR 中进行如果系统频率改变了或定时时间需要改变软件只需要更改一个地方第三所有的代码都可用 C 来编写你可以通过观察汇编后的代码来计算定时器溢出到定时器重装并开始运行所需的时间进一步根据重装值来计算定时的时间我所作过的没有外部时间输入却要有系统时间的嵌入式系统都采用了这种方法下面将介绍如何每隔 50ms 产生一个时钟信号在编写软件之前你首先要明确你的要求如果你最快的任务执行速度是 3ms 一次那么就以这个时间为准发生频率比较慢的事件可以很好的被驱动如果你的系统时间不能很好的兼容你可以考虑使用两个定时器决定了系统的时间标志后就需要算出按所需频率产生时标的定时器重装值为此你要知道你的晶振频率用它来得到指令周期的执行时间如果你要产生一个 50ms 的时标你的系统频率是 1 2MHz 你的指令执行频率就是 1 MHz,每条指令的执行时间就是 1 us
有了指令的执行时间就可以计算出每个系统时间标志所需要的指令周期数根据前面的条件需要 50000 个指令周期来获得 50ms 一次的系统频率标志 65536 减去 50000 得到
15536 3CB0 的重装值如果你的要求不是那么精确的话可把这个值直接装入定时器中下面的例子用定时器 0 产生系统时标定时器 1 用来产生波特率或其它定时功能列表 0-6
#define RELOAD_HIGH 0x3C
#define RELOAD_LOW 0xB0
void system_tick(void) interrupt 1 {
TR0=0; // 停止定时器
TH0=RELOAD_HIGH; // 设置重装值
TL0=RELOAD_LOW;
TR0=1; // 重新启动定时器
// 执行中断操作
}
以上为过程的一个基本结构一旦定时器重装并开始工作之后你就可以进行一些操作如保存时标数事件操作置位标志位你必须保证这些操作的时间不超过定时器的溢出的时间否则将丢失时标数可以很容易的让系统在一定的时标数之后执行某些操作这通过设置一个时标计数变量来完成这个全球变量在每个时标过程中减一当它为 0 时将执行操作例如你有一个和引脚相连的 LED 希望它亮 2 秒钟然后关掉代码如下
if (led_timer) { // 时间计数器不为 0
led_timer--; // 减时间计数器
if (!led_timer) { // 显示时间到,..
LED=OFF; // turn off the LED
}
}
虽然上面一段代码很简单却可以用在大多数嵌入式系统中当有更复杂的功能需要执行时这段代码可放置在定时器中断程序中这样在检查完一个定时时间之后可以接着检查下一个定时时间并决定是否执行相应的操作共用一个时标的定时操作可被放入一个只有时标被某个特定数整除才有效的空间中假设你需要以不少于 1 秒的间隔时间执行一些功能使用上面的时标过程你只要保存一个计数器仅当计数器变为 0 的时候查询那些基于秒的定时操作而不需要系统每隔 50ms 就查询一次广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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second_cnt--; // 减时标计数器
if (!second_cnt) { // 一秒钟过去了,..
,.,// 进行相应的操作
second_cnt=20; // 重新定时1秒
}
注意你的中断服务程序所需的执行时间如果执行时间超过 50ms 你会发现将丢失时标在这种情况下你把一些操作移出中断程序放到主程序中通过设置标志位来告诉主程序是否要执行相应的功能但操作的时间精度就不够高了因此对时间精度要求很高的操作还是要放在中断程序中可用上面的时标过程来做成时钟它将记录每天的时间并在需要显示时间的时候置位标志位主程序将监视标志位在时间更新的时候显示新的时间定时器 0 中断程序还将对按键延迟计时
6 使用系统时标做用户接口用户接口相对来说比较简单但并不说明这里讲到的不能用到大系统中设置键用来击活设置模式更改时间当进入设置模式后设置键将用来增加光标处的数值选择键将使光标移到下一个位置当光标移过最后一个位置时设置模式结束每次设置键或选择键被击活后设置模式计数器被装入最大值每个时标来临时减 1 当减到 0 时结束设置模式每隔 50ms 在中断中查询按键这种查询速度对人来说已经足够了有时侯甚至 0.2 秒都可以对 8051 来说人是一个慢速的 I/O 器件当检测到有键按下时将设置一个计数器以防按键抖动这个计数器在每次中断到来时减 1 直到计数器为 0 时才再次查询按键当设置模式被击活时软件必须控制光标在显示器上的位置让操作者知道要设置哪个位置 cur_field 变量指向当前的位置 set_cursor 函数将打开关闭光标或把它移到所选择的位置为了简化用户设置的工作和同步时钟当进行设置时计时被挂起这也避免了在设置时程序用 printf 更新时间在进行时间更新时也不允许进入设置模式这也将避免 pirntf 函数在同一时间被多个中断调用下面是系统时标程序对许多系统来说这个程序已经足够可把它作为你应用程序的模块列表 0-7
void system_tick(void) interrupt 1 {
static unsigned char second_cnt=20; // 时间计数器顶事为1秒
TR0=0; // 停止定时器
TH0=RELOAD_HIGH; // 设定重装值
TL0=RELOAD_LOW;
TR0=1; // 启动定时器
if (switch_debounce)
switch_debounce--;
}
if (!switch_debounce) {
if (!SET) { // 如果设置键被按下,..
switch_debounce=DB_VAL;
if (!set_mode && !disp_update) { // 如果时钟不在设置模式
set_mode=1; // 进入设置模式广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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set_mode_to=TIMEOUT; // 设置间隔时间
cur_field=HOUR; // 选择第一个位置
set_cursor(ON,HOUR); // 使能光标
}else {
cur_field++; // 移到下一个位置
if (cur_field>SEC) { // 如果移过最后一个位置
// 结束设置模式
set_mode=0; // 离开设置模式
set_mode_to=0;
set_cursor(OFF,HOME); // 禁能光标
}else {
set_cursor(ON,cur_field); // 光标移到下一个位置
set_mode_to=TIMEOUT;
}
}
}
if (set_mode && !SELECT) { // 如果按下选择键
set_mode_to=TIMEOUT;
incr_field(); // 选择下一个位置
disp_time(); // 显示更新的时间
}
}
if (!set_mode) { // 当处于设置模式时停止时钟
second_cnt--; // 时间计数器减1
if (!second_cnt) { // 如果过了1秒种,..
second_cnt=20; // 重置计数器
second_tick();
}
}
}
7 改进时钟软件在这里你可以开始消除系统时标中的误差你应该记得误差是由从定时器溢出到定时器重装并开始运行之间的代码延时引起的为了消除误差先用 C51 代码选项汇编这段函数然后计算启动定时器所需要的时钟周期数最后再加上进入中断所需的 2 个周期数你可能会决得当处理器在进行 DIV 或 MUL 操作时检测到中断要花 3 个或更多的周期但是毕竟没有快速而可靠的方法来确定处理器检测到中断的准确时间下面是汇编后的指令列表我已经加入了指令计数列表 0-8; FUNCTION system_tick (BEGIN)
0000 C0E0 PUSH ACC 2,2
0002 C0F0 PUSH B 2,4
0004 C083 PUSH DPH 2,6
0006 C082 PUSH DPL 2,8
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0008 C0D0 PUSH PSW 2,10
000A C000 PUSH AR0 2,12
000C C001 PUSH AR1 2,14
000E C002 PUSH AR2 2,16
0010 C003 PUSH AR3 2,18
0012 C004 PUSH AR4 2,20
0014 C005 PUSH AR5 2,22
0016 C006 PUSH AR6 2,24
0018 C007 PUSH AR7 2,26; SOURCE LINE # 332; SOURCE LINE # 335
001A C28C CLR TR0 1,27; SOURCE LINE # 336
001C 758C3C MOV TH0,#03CH 2,29; SOURCE LINE # 337
001F 758AAF MOV TL0,#0AFH 2,31; SOURCE LINE # 338
0022 D28C SETB TR0 1,32; SOURCE LINE # 340
从指令计数可以知道一共损失了 34 32+2 个指令周期我们注意到大部分损失的时间是由于把寄存器入栈因为每个入栈指令又要对应一条出栈指令这样就要花去 52 个指令周期这使编译器所做的一种数据保护措施我们可通过指定寄存器组来消除这种保护措施另一个耗时的功能是 printf 函数仿真显示当准备好接收显示字符时传送字符串进行显示需要消耗 6039 个指令周期我们因此认为 printf 和 putchar 函数的执行时间是
6039 个指令周期相当于 6.093ms 在每次中断之间执行这个过程并不会导致系统的不稳定为了确认这点我们对中断程序进行仿真当时间从 23 59 59 变为 00 00 00 时这代表了非设置模式的中断最长执行时间中断的执行时间是 207 个处理周期相当于,207ms,当没有时间改变时中断的时间为,076ms
因为是每 50ms 进行一次中断那么进行时间更新和显示的时间加起来不过是 6.246ms
在下一次进行中断之前有 43.754ms 是在空闲模式如果你的功能只有这些或许你的系统是用电池供电减少处理器工作时间的最佳方法是用一个更加精简的函数替代 printf 函数因为系统除了显示时间外不需显示其它信息你可以大大的简化 printf 函数它不需要处理串行格式化字符格式化整型长整型或浮点数你可假定只有某一部分的数值需要改变 printf 的替代函数对一个缓冲区进行处理这个缓冲区包括已经格式化过的字符串只要把更新的字符插入真确的位置就可以了为了加快执行的时间通过查表来得到要显示的字符这是执行时间和存储空间的交换因为这个程序比较小 2000 字节以内有充足的空间如果不是这样的话你就需要在中断中进行 BCD 码和 ASCII 码的转化这样中断程序将占用超过 76 个指令周期的时间
disp_time 函数将代替 printf 函数我们不再需要进行字符串初始化和 3 个参数的传递只需在缓冲区中修改显示字符并把一个字节传送给 putchar 函数编程的复杂程度增加了但即使在增加了 120 个字节的字符表后代码的长度仍然从 1951 个字节减少到 1189
字节 printf 函数占用了 811 个字节而 disp_time 函数占用了 105 个字节下面是 disp_time
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函数列表 0-9
void disp_time(void) {
// 显示保存的当前时间
// 当时间数据使用完毕后才清除使用标志位
// 这避免了数据在使用中被修改
static char time_str[32]="TIME OF DAY IS,XX:XX:XX ";
unsigned char I;
time_str[T_HOURT]=bcdmap[timeholder.hour][0];
time_str[T_HOUR]=bcdmap[timeholder.hour][1];
time_str[T_MINT]=bcdmap[timeholder.min][0];
time_str[T_MIN]=bcdmap[timeholder.min][1];
time_str[T_SECT]=bcdmap[timeholder.sec][0];
time_str[T_SEC]=bcdmap[timeholder.sec][1];
putchar(0xFF);
for (i=0; i<32; i++) {
putchar(time_str[i]);
}
disp_update=0; // 清除显示更新标志位
}
disp_time 的处理时间为 2238 个指令周期对 12MHz 系统来说就是 2.238ms 清除显示要花 1.64ms 把 32 个字符送显示要花 1.28ms 每次更新的显示的延时是 2.92ms 如果每秒刷新一次显示的话则每秒的中断处理时间为 6.866ms 其中包括 76x19 周期 (每秒中有 19 次中断 )的中断执行时间 207 周期的时间数据更新时间 2238 周期的显示时间再加上 2.92ms 的显示延迟时间可以看出系统在大部分时间处于空闲模式
8 优化内部 RAM 的使用这个系统还没有考虑的另一个缺点是它还没有优化内部 RAM 的使用通过 M51 得到的数据段存储区列表文件如下
TYPE BASE LENGTH RELOCATION SEGMENT NAME
-----------------------------------------------------
* * * * * * * D A T A M E M O R Y * * * * * * *
REG 0000H 0008H ABSOLUTE "REG BANK 0"
DATA 0008H 0002H UNIT "DATA_GROUP"
000AH 0016H *** GAP ***
BIT 0020H.0 0000H.2 UNIT?BI?CH4CLOCK
BIT 0020H.2 0000H.1 UNIT "BIT_GROUP"
0020H.3 0000H.5 *** GAP ***
DATA 0021H 002BH UNIT?DT?CH4CLOCK
IDATA 004CH 0001H UNIT?STACK
似乎不是很明显,数据段的 0AH 到位寻址段的开始位置 20H 的 22 个字节寄存器没有被利用这是因为连接器不能把 CH4CLOCK 模块的变量放在这个这个数据段中这样就使得堆栈变小了系统更容易发生溢出错误之所以发生这种情况是因为你把所有变量都定义在一个文件当中 ch4clock.c 一种广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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解决办法是在连接的时候使用指令指定哪些变量将存储在数据段的底部直接的方法是告诉连接器这个文件的所有变量都存储在数据段的底部我们在连接选择对话框中选择 tab
项然后在预编译控制中写入下面的数据
DT ch4clock
当你所指定的存储变量不超过寄存器组的最高地址的寄存器和位寻址区的最低地址时这样做是最好的但是假设你定义了位变量而变量的存储区又超出了上面所说的范围那么你的位变量就将被覆盖并发生连接错误为此你必须把一部分变量移到另外一个文件中这将产生两个小的数据段然后你可以使用连接指令定义他们的存储位置通过这种方法你可以完全消除数据沟另一个文件单独编译并和主文件一起连接在这里 22 个字节的变量被移到另一个文件中在时钟系统这个小程序中只有 9 个字节的变量被移到另一个文件中结果如下
TYPE BASE LENGTH RELOCATION SEGMENT NAME
-----------------------------------------------------
* * * * * * * D A T A M E M O R Y * * * * * * *
REG 0000H 0008H ABSOLUTE "REG BANK 0"
DATA 0008H 0022H UNIT?DT?CH4NEW
BIT 002AH.0 0000H.2 UNIT?BI?CH4NEW
BIT 002AH.2 0000H.1 UNIT _BIT_GROUP_
002AH.3 0000H.5 *** GAP ***
DATA 002BH 0009H UNIT?DT?VARS
DATA 0034H 0004H UNIT _DATA_GROUP_
IDATA 0038H 0001H UNIT?STACK
从上面可以看出编译器流下了 72 个字节的堆栈空间 80H-28H 数据沟也不见了你现在必须确认 72 个字节的空间对你的系统已经足够我们可以算一下从前面可知
disp_time 调用需要花去 13 个字节把 PC 入栈要 2 个字节中断调用花去 2 个字节 disp_time
调用 putchar,而 putchar 又调用 disp_cmd disp_cmd 再调用 disp_read 这又需要 4 个字节总共花去 25 个字节仍然有 47 字节的空间剩余这说明连接器给出的堆栈空间是足够的
9 完整的程序到此为止,这个时钟程序算是完成了实现了对硬件的简化整个程序如下所示列表 0-10
#include<reg51.h>
#include<stdio.h>
//定义定时器 0 的重装值
#define RELOAD_HIGH 0x3C
#define RELOAD_LOW 0xD2
//定义按键弹跳时间
#define DB_VAL
//定义设置模式的最大时间间隔
#define TIMEOUT 200
//定义光标位置常数
#define HOME 0
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#define HOUR 1
#define MIN 2
#define SEC 3
//定义光标状态常数
#define OFF 0
#define ON 1
//定义显示命令常数
#define DISP_BUSY 0x80
#define DISP_FUNC 0x38
#define DISP_ENTRY 0x06
#define DISP_CNTL 0x08
#define DISP_ON 0x04
#define DISP_CURSOR 0x02
#define DISP_CLEAR 0x01
#define DISP_HOME 0x02
#define DISP_POS 0x80
#define DISP_LINE2 0x40
sbit SET=P3^4; //设置按键输入
sbit SELECT=P3^5; //选择按键输入
sbit ENABLE=P3^1; //显示使能输出
sbit REGSEL=P3^7; //显示寄存器选择输出
sbit RDWR=P3^6; //显示模式输出
sfr DISPDATA=0x90; //显示 8 位数据总线
typedef struct { //定义存储每日时间的结构
unsigned char hour,min,sec;
}timestruct;
bit set_mode=0; //进入设置模式时置位
disp_updata=0; //需要刷新显示时置位
unsigned char set_mode_to=0; //为每次按键操作的时间间隔计时
switch_debounce=0; //按键跳动计时
cur_field=HOME; //设置模式的当前位置选择
timestruct curtime; //存放当前的时间
timeholder; //存放显示时间
unsigned char code fieldpos[3]={ //
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DISP_LINE2|0x01;
DISP_LINE2|0x04;
DISP_LINE2|0x07;
};
#define T_HOURT 16
#define T_HOUR 17
#define T_MINT 19
#define T_MIN 20
#define T_SECT 22
#define T_SEC 23
char code bcdmap[60][2]={
“00”,”01”,”02”,”03”,”04”,”05”,”06”,”07”,”08”,”09”,
“10”,”11”,”12”,”13”,”14”,”15”,”16”,”17”,”18”,”19”,
“20”,”21”,”22”,”23”,”24”,”25”,”26”,”27”,”28”,”29”,
“30”,”31”,”32”,”33”,”34”,”35”,”36”,”37”,”38”,”39”,
“40”,“41”,”42”,”43”,”44”,”45”,”46”,”47”,”48”,”49”,
“50”,”51”,”52”,”53”,”54”,”55”,”56”,”57”,”58”,”59”,
};
//函数声明
void disp_cmd(unsigned char);
void disp_init(void);
unsigned char disp_read(void);
void disp_time(void);
void disp_write(unsigned char);
void incr_field(void);
void second_tick(void);
void set_cursor(bit,unsigned char);
/*****************************************************
功能,主函数描述,程序入口函数,初始化 8051,开中断,进入空闲模式每次中断之后查询标志位是否刷新显示参数无返回无
*****************************************************/
void main(void){
disp_init(); //显示初始化
TMOD=0x11; //设置定时器模式
TCON=0x15;
IE=0x82;
For(;;)
{
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if (disp_updata){
disp_time( ); //显示新时间
PCON=0x01;
}
}
/**************************************************
功能 disp_cmd
描述向 lcd 驱动器写入命令并等待命令被执行参数命令返回无
*************************************************/
void disp_cmd(unsigned char cmd){
DISPDATA=cmd; //锁住命令
REGSEL=0; //选择命令寄存器
RDWR=0; //选择写模式
ENABLE=1;
ENABLE=0;
TH1=0; //定时 85ms
TL1=0;
TF1=0;
TR1=1;
while(!TF1&&disp_read()&DISP_BUSY); //等待命令被执行
TR1=0;
}
/****************************************************
功能,disp_init
描述,初始化显示参数,无返回,无
****************************************************/
void disp_init(void){
TH1=0;
TL1=0;
TF1=0;
TR1=1;
while (!TF1&&disp_read()&DISP_BUSY);
TR1=0;
disp_cmd(DISP_FUNC); //设置显示格式
disp_cmd(DISP_ENTRY); //每输入一个字符,显示地址加 1
disp_cmd(DISP_CNTL|DISP_ON); //打开显示,关闭光标
disp_cmd(DISP_CLEAR); //清除显示广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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}
/*******************************************************
功能,disp_read
描述,读显示状态寄存器参数,无返回,从状态寄存器中读回的数据
*********************************************************/
unsigned char disp_read(void){
unsigned char value;
DISPDATA=0XFF;
REGSEL=0; //选择命令寄存器
RDWR=1; //选择读模式
ENABLE=1; //使能 LCD 输出
value=DISPDATA; //读数据
ENABLE=0;
retrun(value);
}
/**********************************************************
功能,disp_time
描述,取显示数据进行格式化参数,无返回,无
******************************************************/
void disp_time(void){
static char time_str[32]=,TIME OF DAY IS:XX:XX:XX,;
unsigned char I;
time_str[T_HOURT]=bcdmap[timeholder.hour][0];
time_str[T_HOUR]=bcdmap[timeholder.hour][1];
time_str[T_MINT]=bcdmap[timeholder.min][0];
time_str[T_MIN]=bcdmap[timeholder.min][1];
time_str[T_SECT]=bcdmap[timeholder.sec][0];
time_str[T_SEC]=bcdmap[timeholder.sec][1];
putchar(0xFF);
for(i=0;i<32;i++){
putchar(time_str[i]);
}
disp_updata=0;
}
/***************************************************
功能,disp_write
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描述,写入一个字节数据参数,要写入的字节返回,无
****************************************************/
void disp_write(unsigned char value){
DISPDATA=value;
REGSEL=1;
RDWR=0;
ENABLE=1;
ENABLE=0;
}
/*************************************************
功能,incr_field
描述,增加数值参数,无返回,无
**********************************************/
void incr_field(void){
if (cur_field= =SEC){
curtime.sec++;
if(curtime.sec>59){
curtime.sec=0;
}
}
if (cur_field= =MIN){
curtime.min++;
if(curtime.min>59){
curtime.min=0;
}
}
if (cur_field= =HOUR){
curtime.hour++;
if(curtime.hour>23){
curtime.hour=0;
}
}
}
/***********************************************************
功能,putchar
描述,替代标准 putchar 函数,输出字符参数,要显示的字符返回,刚刚被写的字符
************************************************************/
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char putchar(char c){
static unsigned char flag=0;
if(!flag||c= =255){
disp_cmd(DISP_HOME);
flag=0;
if(c= =255){
return c;
}
}
if(flag= =16){
disp_cmd(DISP_POS|DISP_LINE2);
}
disp_write(c);
while(disp_read( )&DISP_BUSY);
flag++;
if (flag>=32){flag=0};
return(c);
}
/*************************************************************
功能,second_tick
描述,每秒钟执行一次函数功能,时间更新参数,无返回,无
*************************************************************/
void second_tick(void){
curtime.sec++; //秒种加 1
if (curtime.sec>59){ //检测是否超出范围
curtime.sec=0;
crutime.min++; //分钟加 1
if (curtime.min>59){ //检测是否超出范围
curtime.min=0;
curtime.hour++; //小时数加 1
if(curtime.hour>23){ //检测是否超出范围
curtime.hour=0;
}
}
}
if(!disp_updata){ //确信 timeholder 没有被显示
timeholder=curtime; //装入新时间
disp_updata=1; //更新显示
}
}
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/***************************************************
功能 ;set_cursor
描述,显示或关闭光标,并把光标移到特定的位置参数,new_mode 位,隐藏光标时置位
field 显示光标的位置返回,无
***************************************************/
void set_cursor(bit new_mode,unsigned char field){
unsigned char mask;
mask=DISP_CNTL|DISP_ON;
if(new_mode){
mask|=DISP_CURSOR;
}
disp_cmd(mask);
if (field= =HOME){
mask=DISP_HOME;
}else{
mask=DISP_POS|fieldpos[field-1];
}
disp_cmd(mask);
}
/*******************************************************
功能,system_tick
描述,定时器 0 的中断服务程序,每 50ms 重装一次定时器参数,无返回,无
*******************************************************/
void system_tick(void) interrupt1{
static unsigned char second_cnt=20;
TR0=0;
TH0=RELOAD_HIGH; //设定重装值
TL0=RELOAD_LOW;
TR0=1; //开始定时
if(switch_debounce){ //按键抖动
switch_debounce--;
}
if (!switch_debounce){
if(!SET){ //如果设置按钮被按下
switch_debounce=DB_VAL; //设置消抖时间
if(!set_mode&&!disp_updata){ //如果不是设置模式
set_mode=1; //进入设置模式
set_mode_to=TIMEOUT; //设置空闲时间
cur_field=HOUR; //选择光标起始位置广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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set_cursor(ON,HOUR); //使能光标
}else{
cur_field++; //光标位置前进
if(cur_field>SEC){ //光标是否超出范围
set_mode=0; //退出设置模式
set_mode_to=0;
set_cursor(OFF,HOME); //禁能光标
}else{
set_cursor(ON,cur_field); //光标移到下一个位置
set_mode_to=TIMEOUT;
}
}
}
if(set_mode&&!SELECT){ //如果按下选择按钮
set_mode_to=TIMEOUT;
incr_field( ); //所选择处数值增加
disp_time( ); //显示时间
}
}
if(!set_mode){ //设置模式停止时钟
second_cnt- -; //计数值减 1
if(!second_cnt){ //如果经过 1 秒
second_cnt=20; //设置计数值
second_tick( );
}
}
}
10 使用看门狗定时器很多嵌入式系统利用查询,等待的方法和外部设备进行通信或花大量的时间在循环中处理数据一直在这种状态下运行对系统来说是很苛刻的嵌入式系统不应该陷入死循环中否则将影响系统的正常工作引起死循环的原因有很多如 I/O 设备的错误接收了错误的输入或软件设计中的 bug 不管原因是什么它都将使你的系统不稳定作为一种保护很多设计者都使用看门狗定时器看门狗定时器从某一个值开始计时在它溢出前必须由软件重装否则将认为软件运行已经进入死循环或其它一些意想不到的情况系统将自动复位设计者编写软件来处理看门狗并在看门狗定时器溢出之前调用它这些软件相对来说是比较容易编写的但必须按照特定的规则下面是一个初始化和重装 Pilips80C550 看门狗定时器的例子
void wd_init(unsigned prescale){
WDL=0xFF; //把重装值设置为最大
WDCON=(prescale&0xE0)|0x05; //定时器预分频为最慢并启动看门狗
wd_reload();
}
void wd_reload(void){
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EA=0; //关闭所有中断
WPEED1=0xA5 //喂看门狗第一步
WFEED2=0x5A //喂看门狗第二步
EA=1 //开中断
}
一般来说你可以把这段程序放在有周期性中断的系统的主循环中如果你的系统能被其它的中断打断并影响到你主循环的执行从而不能够定时的重装你的看门狗定时器这时你应该在中断程序中也放置清看门狗程序然而不是每次执行中断时都执行看门狗程序而是应该对中断执行的次数计数当达到一定的数值时再执行看门狗程序如下面的例子列表 0-12
void main(void){
… //初始化
for(;;){ //主循环等待中断
…
wd_reload( ); //重装看门狗
PCON=0x80; //进入空闲模式等待中断
}
}
void my_ISR(void)interrupt 0{
static unsigned char int_count=0; //中断次数计数
int_count++;
if(int_count>MAXINTS){ //中断次数到了
int_count=0;
wd_reload( ); //重装看门狗
}
…
}
看门狗定时器的复位和正常的上电复位时是不同的如果你的程序执行过程中产生了数据你应该在外部 RAM 中倍份它们除非你确定每次程序开始执行时不需要初始化它们系统应该知道在何时保存正常运行时产生的数据
12 保存系统数据系统应根据先前的状态决定不同的复位方式例如你的程序运行正常但是被看门狗或外部复位键复位你应该采取和上电复位不同的初始化过程一般来说看门狗复位和用户复位是是热启动在 8051 系统中没有任何 RAM 的备用电池这种复位很容易通过检测标志位来区分当系统首次执行代码时标志位检测为特定值如果值不对的话就将进行上电初始化如果值是对的就将只进行所需要的初始化一旦系统被初始化热启动标志被设置成特定值值的选择应避免使用 00 或 FF 否则就难以区分冷启动和热启动我们应选择像 AA 或 CC 这样的值对必须在内部 RAM 中保存数据的系统必须在编译的启动代码中检测标志这意味着你必须修改 startup.a51 对可以在外部 RAM 中保存数据的系统来说如果你的标志位保存在外部 RAM 中你就不需要改动 startup.a51了因为默认时由
startup.a51 编译过来的代码只会初始化内部 RAM 中的数据而不会置 0 外部 RAM 中的数广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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据如果你把标志位保存在内部 RAM 中而没有在内部 RAM 被置 0 前检测它将导致系统冷启动下面是一个启动时对标志位作检测的例子列表 0-13
unsigned char xdata bootflag;
void main(void){
…
if (bootflag!=0xAA){ //系统是否冷启动
init_lcd(); //初始化显示
init_rtc(); //初始化时钟
init_hw(); //设置 I/O 端口
reset_queue(); //复位数据结构
bootflag=0xAA; //设置热启动标志
}else{
clear_lcd(); //清除显示
}
…
}
对只能在内部 RAM 中保存数据的系统来说必须修改 startup.a51 文件以确保程序只清除被编译器使用的和不需要被系统记住的区域被修改的 startup.a51如下所示列表 0-14;-----------------------------------------------------------------; This file is part of the C-51 Compiler package; Copyright (c) KEIL ELEKTRONIK GmbH and Keil Software,Inc.,; 1990-1992;-----------------------------------------------------------------; STARTUP.A51:
This code is executed after processor reset.; To translate this file use A51 with the following invocation:; A51 STARTUP.A51; To link the modified STARTUP.OBJ file to your application use; the following L51 invocation:; L51 <your object file list>,STARTUP.OBJ <controls>;-----------------------------------------------------------------; User-defined Power-On Initialization of Memory; With the following EQU statements the initialization of memory; at processor reset can be defined:;
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EXTRN DATA (bootflag); the absolute start-address of IDATA memory is always 0
IDATALEN EQU 80H ; the length of IDATA memory in bytes.;
XDATASTART EQU 0H ; the absolute start-address of XDATA; memory
XDATALEN EQU 0H ; the length of XDATA memory in bytes.;
PDATASTART EQU 0H ; the absolute start-address of PDATA; memory
PDATALEN EQU 0H ; the length of PDATA memory in bytes.; Notes,The IDATA space overlaps physically the DATA and BIT; areas of the 8051 CPU,At minimum the memory space; occupied from the C-51 run-time routines must be set; to zero.;-----------------------------------------------------------------; Reentrant Stack Initilization; The following EQU statements define the stack pointer for; reentrant functions and initialized it:; Stack Space for reentrant functions in the SMALL model.
IBPSTACK EQU 0 ; set to 1 if small reentrant is used.
IBPSTACKTOP EQU 0FFH+1 ; set top of stack to highest location+1.; Stack Space for reentrant functions in the LARGE model.
XBPSTACK EQU 0 ; set to 1 if large reentrant is used.
XBPSTACKTOP EQU 0FFFFH+1 ; set top of stack to highest location+1.; Stack Space for reentrant functions in the COMPACT model.
PBPSTACK EQU 0 ; set to 1 if compact reentrant is used.
PBPSTACKTOP EQU 0FFFFH+1 ; set top of stack to highest location+1.;-----------------------------------------------------------------; Page Definition for Using the Compact Model with 64 KByte xdata; RAM; The following EQU statements define the xdata page used for; pdata variables,The EQU PPAGE must conform with the PPAGE; control used in the linker invocation.
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61;
PPAGEENABLE EQU 0 ; set to 1 if pdata object are used.
PPAGE EQU 0 ; define PPAGE number.;-----------------------------------------------------------------
NAME?C_STARTUP
C_C51STARTUP SEGMENT CODE
STACK SEGMENT IDATA
RSEG?STACK
DS 1
EXTRN CODE (?C_START)
PUBLIC?C_STARTUP
CSEG AT 0
C_STARTUP,LJMP STARTUP1
RSEG?C_C51STARTUP
STARTUP1:
MOV A,bootflag ; check if RAM is good
CJNE A,#0AAH,CLRMEM
SJMP CLRCOMP ; RAM is good,clear only; compiler owned locations
CLRMEM,; RAM was not good,; zero it all
IF IDATALEN <> 0
MOV R0,#IDATALEN - 1
CLR A
IDATALOOP,MOV @R0,A
DJNZ R0,IDATALOOP
JMP CLRXDATA
ENDIF
CLRCOMP,CLR A ; zero out compiler owned; areas
MOV 20H,A
MOV R0,#3EH
L1,MOV @R0,A
INC R0
CJNE R0,#76H,L1
CLRXDATA:
IF XDATALEN <> 0
MOV DPTR,#XDATASTART
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MOV R7,#LOW (XDATALEN)
IF (LOW (XDATALEN)) <> 0
MOV R6,#(HIGH XDATALEN) +1
ELSE
MOV R6,#HIGH (XDATALEN)
ENDIF
CLR A
XDATALOOP,MOVX @DPTR,A
INC DPTR
DJNZ R7,XDATALOOP
DJNZ R6,XDATALOOP
ENDIF
IF PDATALEN <> 0
MOV R0,#PDATASTART
MOV R7,LOW (PDATALEN)
CLR A
PDATALOOP,MOVX @R0,A
INC R0
DJNZ R7,PDATALOOP
ENDIF
IF IBPSTACK <> 0
EXTRN DATA (?C_IBP)
MOV?C_IBP,#LOW IBPSTACKTOP
ENDIF
IF XBPSTACK <> 0
EXTRN DATA (?C_XBP)
MOV?C_XBP,#HIGH XBPSTACKTOP
MOV?C_XBP+1,#LOW XBPSTACKTOP
ENDIF
IF PBPSTACK <> 0
EXTRN DATA (?C_PBP)
MOV?C_PBP,#LOW PBPSTACKTOP
ENDIF
IF PPAGEENABLE <> 0
MOV P2,#PPAGE
ENDIF
MOV SP,#?STACK-1
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LJMP?C_START
END
检测启动标志,如果标志符合那么只清除编译器使用到的那部分存储区程序的所有局部变量必须在用户产生代码中清晰的处理库函数的地址通过检察连接输出文件和清除那些存储段来决定正如你所见地址 20H 的位变量 3EH 到 75H 的存储区必须被清零上面 startup.a51 的连接输出文件如下所示
TYPE BASE LENGTH RELOCATION SEGMENT NAME
-----------------------------------------------------
* * * * * * * D A T A M E M O R Y * * * * * * *
REG 0000H 0008H ABSOLUTE "REG BANK 0"
DATA 0008H 0012H UNIT?DT?VARS
DATA 001AH 0001H UNIT?DT?PUTCHAR
001BH 0005H *** GAP ***
DATA 0020H 0001H BIT_ADDR?C_LIB_DBIT
BIT 0021H.0 0000H.5 UNIT?BI?COINOP
BIT 0021H.5 0001H.2 UNIT "BIT_GROUP"
0022H.7 0000H.1 *** GAP ***
DATA 0023H 001BH UNIT?DT?COINOP
DATA 003EH 000FH UNIT?C_LIB_DATA
DATA 004DH 0029H UNIT "DATA_GROUP"
IDATA 0076H 001EH UNIT?ID?COINOP
IDATA 0094H 0001H UNIT?STACK
另外一种存储你的内部变量而不用去考虑哪里是安全的哪里会被清零是把变量存储在外部 RAM 中这当然是指你有外部 RAM 的情况下如果没有也可以用 EEPROM 或 flash 存储器代替这样会更加可靠但一般都会使用 RAM 因为 RAM 比 EEPROM 要快当处理器接收到关闭中断时系统要把所有有效的变量都存储到外部 RAM 中中断被击活时系统有足够的时间把变量存入 SRAM 中并进入低功耗模式而 EEPROM 则是一个很慢的器件不能满足这个要求如果你需要保存的数据不会经常改变,那么可在存储区中倍份这个数据当源数据改变时倍份数据也要改变如果数据经常被改变的话这种方法就不可行了不管采用何种方法当系统重新上电后检测一个数据字节像前面所讨论的启动标志如果数据正确就恢复内部变量这些都在系统初始化时的条件循环中完成
13 结论这一章展示了一些如何减少硬件并减轻硬件工作压力的方法当然方法远远不止这些这里只是告诉你一些技巧在不少情况下可以用软件来代替硬件的工作因此可以简化硬件的设计要完全掌握这些方法要花大量的时间你应该不断的学习以提高自己的水平广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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第四章在 8051 上使用汇编和 C
1 介绍在一些时候你会发现不得不使用汇编来编写程序而不是使用高级语言而大多数情况下汇编程序能和用 C 编写的程序很好的结合在一起这章将告诉你如何进行汇编和 C
的混合编程并且如何修改由 C 程序编译后的汇编代码从而精确的控制时间
2 增加段和局部变量要把汇编程序加入到 C 程序中你必须使你的汇编程序像 C 程序这就是说要和 C 程序一样有明确的边界参数返回值和局部变量一般来说用汇编编写的程序变量的传递参数所使用的寄存器是无规律的这使得在用汇编语言编写的函数之间传递参数变得混乱难以维护使的汇编功能函数看上去像 C 函数并按照 C51 的参数传递标准可让你的程序有很好的可读性并有利于维护而且你会发现这样编写出来的函数很容易和 C 编写的函数进行连接如果你用汇编编写的函数和 C
编译器编译出来的代码风格一样的话连接器将能够对你的数据段进行覆盖分析汇编程序中你的每一个功能函数都有自己的代码段如果有局部变量的话他们也都有相应的存储空间 DATA XDATA 等例如你有一个需要快速寻址的变量你可把它声明在 DATA 段中如果你有函数查寻表格的话你可把它们声明在 CODE 段中关键是局部变量只对当前使用他们的程序段是可见的下面的例子中一个功能段在 DATA 区中定义了几个局部变量列表 0-1; declare the code segment for the function
PR?IDCNTL?IDCNTL SEGMENT CODE; declare the data segment for local storage; this segment is overlayable for linker optimization; of memory usage
DT?IDCNTL?IDCNTL SEGMENT DATA OVERLAYABLE
PUBLIC idcntl
PUBLIC?idcntl?BYTE; define the layout of the local data segment
RSEG?DT?IDCNTL?IDCNTL
idcntl?BYTE:
TEMP,DS 1
COUTNT,DS 1
VAL1,DS 2
VAL2,DS 2
RSEG?PR?IDCNTL?IDCNTL
idcntl,..,; function code begins here
RET
DATA数据段中的标号就像汇编程序中的变量一样,连接器在连接的时候会赋予它们物理地址段的覆盖属性将允许连接器进行覆盖分析没有这个属性?idcntl?BYTE段中的变量将一直占用这些空间就像 C中的静态变量一样这样将使内存的效率降低广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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3 设置变量地址有时候我们希望把变量存储在指定的地点特别是在主控制器初始化 SRAM之后从 8051
系统才开始工作的情况在这种情况下两个系统必须在存储器分配上达成一致否则当 8051
使用不正确地使用初始化过的数据时将导致数据丢失因此 8051必须确保变量被存储在正确的区域如果你不想在编译时才给变量分配地址 Keil C可以让你指定变量的存储地址例如你想定义一个整型变量并把它初始化为 0x4050 用 C是不能够把变量指定在某个地址的另外你也不能指定位变量的地址但是对于不需要初始化的变量你可以使用关键字 _at_来指定地址
type [memory_space] variable_name _at_ constant;
如果不指定地址的话,将由选择编译的模式来指定默认的地址假设你以小模式编译你的变量将分配在 DATA段中下面是一个指定地址的例子
unsigned char data byteval _at_ 0x32;
关键字 _at_的另一个有趣的功能是能通过给 I/O器件指定变量名为你的输入输出器件指定变量名例如你在 XDATA段的地址 0x4500处有一个输入寄存器你可以通过下面的代码为它指定变量名
unsigned char xdata inpreg _at_ 0x4500;
以后在读该输入寄存器的时候只要使用变量名 inpreg就可以了当然你也可以用 Keil
C提供的宏来完成如列表 0-2的例子当你想为指定地址的变量初始化时你可使用传统汇编的方法有时候需要查表如果把表的基址定义在某个地址的话可以简化你的寻址过程但由于在代码段中它的地址在编译的时候决定假设你有一个 256字节的表想对它进行快速寻址你可以使用列表 0-3
的方法列表 0-2
void myfunc(void) {
unsigned char inpval;
inpval=inpreg; // 这行和下行是一样的
inpval=XBYTE[0x4500];
,..
if (inpreg & 0x40) { 根据输入的值做决定
,..
}
}
列表 0-3; 取得表地址的高字节
MOV DPH,#HIGH mytable
MOV DPL,index
CLR A
MOVC A,@A+DPTR ;读数把变量地址放在给定段中是一种简单的方法来定义那些不能被连接器重定位的段并且指定它的起始地址上例中的表头地址可被定义在 8000H中另外还可在 DATA段中放置变量列表 0-4
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66;定义代码段
CSEG AT 8000H
mytable,DB 1,2,3,4,5,6,7,8
,.,;剩下的表格定义
DSEG AT 70H
cur_field,DS 1
,..
END ;
用这种方法,一个变量可被安置在任何地方如果你在你的 C代码中用 extern申明了这些变量那么你的 C代码可对他们进行寻址有了这些信息之后连接器将能够定位你的变量还有一种方法用来定位中断服务程序可以把中断入口向量或中断程序放在一个绝对段中如果你所有的中断服务程序都是用 C写的但是有一个中断程序必须用汇编来写最好的方法就是把中断程序定位在正确的位置上,这和给变量设置地址很相似列表 0-5
CSEG AT 023H
LJMP serial_intr
由中断向量调用的中断服务程序就像其它过程一样在代码段中列表 0-6; 定义可重定位段
RSEG?PR?serial_intr?SERIAL
USING 0 ; 使用寄存器组 0
serial_intr,PUSH ACC ; 中断服务程序
,.,
RETI
4 结合 C和汇编假设你要执行的操作很难用 C代码来完成如使用 BCD码你会觉得用汇编来编写代码比用 C更加有效率还有就是对时间要求很严格的功能用 C来编程不是很保险你希望用汇编来做但是又不愿意仅仅因为这么一小部分就把整个程序都用汇编来做这样你就必须学会把汇编编写的程序和 C编写的程序连接起来给用汇编编写的程序段指定段名和进行定义这将使汇编程序段和 C程序兼容如果你希望在它们之间传递函数那你必须保证汇编程序用来传递函数的存储区和 C函数使用的存储区是一样的下面是一个典型的可被 C程序调用的汇编函数该函数不传递参数列表 0-7;申明代码段
PR?clrmem?LOWLVL SEGMENT CODE;输出函数名
PUBLIC clrmem;这个函数可被连接器放置在任何地方
RSEG?PR?clrmem?LOWLVL;*****************************************************************; Function,CLRMEM
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67; Description,清除内部 RAM区; Parameters,无; Returns,无,; Side Effects,无,;*****************************************************************
clrmem,MOV R0,#7FH
CLR A
IDATALOOP,MOV @R0,A
DJNZ R0,IDATALOOP
RET
END
汇编文件的格式化是很简单的给存放功能函数的段一个段名因为是在代码区内所以段名的开头为 PR 这头两个字符是为了和 C51的内部命名转换兼容见表 0-1
段名被赋予了 RSEG的属性这意味着连接器可把该段放置在代码区的任意位置一旦段名被确定文件必须申明公共符号然后编写代码对于传递参数的功能函数必须符合参数的传递规则 Keil C在内部 RAM中传递参数时一般都是用当前的寄存器组当你的功能函数接收 3个表 0-1
以上参数时存储区中的一个默认段将用来传递剩余的参数用做接收参数的寄存器如下表
表 0-2
汇编功能函数要得到参数值时就访问这些寄存器如果这些值被使用并保存在其它地方或已经不再需要了那么这些寄存器可被用做其它用途下面是一个 C程序和汇编程序的接口例子你应该注意到通过内部 RAM传递参数的功能函数将使用规定的寄存器汇编功能函数将使用这些寄存器接收参数对于要传递多于 3个参数的函数剩余的参数将在默认的存储器段中进行列表 0-8
C code
// C 程序中汇编函数的申明
bit devwait(unsigned char ticks,unsigned char xdata *buf);
// invocation of assembly function
if (devwait(5,&outbuf)) {
bytes_out++;
列表 0-9
汇编代码; 在代码段中定义段
PR?_devwait?LOWLVL SEGMENT CODE
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68; 输出函数名
PUBLIC _devwait;这个函数可被连接器放置在任何地方
RSEG?PR?_devwait?LOWLVL;*****************************************************************; Function,_devwait; Description,等待定时器 0溢出向外部器件表明 P1中的数据是有效的如果定时器尚; 未溢出被写入 XDATA的指定地址中; Parameters,R7 – 存放要等待的时标数; R4|R5 – 存放要写入的 XDATA区地址; Returns,读数成功返回1,时间到返回 0; Side Effects,none.;*****************************************************************
_devwait,CLR TR0 ;设置定时器 0
CLR TF0
MOV TH0,#00
MOV TL0,#00
SETB TR0
JBC TF0,L1 ; 检测时标
JB T1,L2 ; 检测数据是否准备就绪
L1,DJNZ R7,_devwait ; 时标数减1
CLR C
CLR TR0 ; 停止定时器 0
RET
L2,MOV DPH,R4 ; 取地址并放入 DPTR
MOV DPL,R5
PUSH ACC
MOV A,P1 ; 得到输入数据
MOVX @DPTR,A
POP ACC
CLR TR0 ; 停止定时器 0
SETB C ; 设置返回位
RET
END
上面的代码中有些我们没有讨论的问题返回值在这里函数返回一个位变量如果时间到将返回 0 如果输入字节被写入指定的地址中将返回1
当从功能函数中返回值时 C51通过转换使用内部存储区编译器将使用当前寄存器组来传递返回参数返回参数所使用的寄存器见表 0-3
返回这些类型的功能函数可使用这些寄存器来存储局部变量直到这些寄存器被用来返回参数假使你有一个函数要返回一个长整型你可以表 0-3
使用 R4到 R7这 4个寄存器这样你就不需要声明一个段来存放局部变量存储区就更加优广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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化了功能函数不应随意使用没有被用来传递参数的寄存器
5 内联汇编代码有时候,你的程序需要使用汇编语言来编写,像对硬件进行操作或一些对时钟要求很严格的场合,但你又不希望用汇编语言来编写全部程序或调用用汇编语言编写的函数那么你可以通过预编译指令,asm”在 C代码中插入汇编代码列表 0-10
#include <reg51.h>
extern unsigned char code newval[256];
void func1(unsigned char param) {
unsigned char temp;
temp=newval[param];
temp*=2;
temp/=3;
#pragma asm
MOV P1,R7 ; 输出 temp中的数
NOP ;
NOP
NOP
MOV P1,#0
#pragma endasm
}
当编译器在命令行加入,src”选项时,在,asm”和,endasm”中的代码将被复制到输出的 SRC
文件中如果你不指定,src”选项编译器将忽略在,asm”和,endasm”中的代码很重要的一点是编译器不会编译你的代码并把它放入它所产生的目标文件中必须用得到的,src文件经过编译后再得到,obj文件从上面的文件将得到下面的,src文件列表 0-11; ASMEXAM.SRC generated from,ASMEXAM.C
$NOMOD51
NAME ASMEXAM
P0 DATA 080H
P1 DATA 090H
P2 DATA 0A0H
P3 DATA 0B0H
T0 BIT 0B0H.4
AC BIT 0D0H.6
T1 BIT 0B0H.5
EA BIT 0A8H.7
IE DATA 0A8H
RD BIT 0B0H.7
ES BIT 0A8H.4
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70
IP DATA 0B8H
RI BIT 098H.0
INT0 BIT 0B0H.2
CY BIT 0D0H.7
TI BIT 098H.1
INT1 BIT 0B0H.3
PS BIT 0B8H.4
SP DATA 081H
OV BIT 0D0H.2
WR BIT 0B0H.6
SBUF DATA 099H
PCON DATA 087H
SCON DATA 098H
TMOD DATA 089H
TCON DATA 088H
IE0 BIT 088H.1
IE1 BIT 088H.3
B DATA 0F0H
ACC DATA 0E0H
ET0 BIT 0A8H.1
ET1 BIT 0A8H.3
TF0 BIT 088H.5
TF1 BIT 088H.7
RB8 BIT 098H.2
TH0 DATA 08CH
EX0 BIT 0A8H.0
IT0 BIT 088H.0
TH1 DATA 08DH
TB8 BIT 098H.3
EX1 BIT 0A8H.2
IT1 BIT 088H.2
P BIT 0D0H.0
SM0 BIT 098H.7
TL0 DATA 08AH
SM1 BIT 098H.6
TL1 DATA 08BH
SM2 BIT 098H.5
PT0 BIT 0B8H.1
PT1 BIT 0B8H.3
RS0 BIT 0D0H.3
TR0 BIT 088H.4
RS1 BIT 0D0H.4
TR1 BIT 088H.6
PX0 BIT 0B8H.0
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71
PX1 BIT 0B8H.2
DPH DATA 083H
DPL DATA 082H
REN BIT 098H.4
RXD BIT 0B0H.0
TXD BIT 0B0H.1
F0 BIT 0D0H.5
PSW DATA 0D0H
PR?_func1?ASMEXAM SEGMENT CODE
EXTRN CODE (newval)
PUBLIC _func1; #include <reg51.h>; extern unsigned char code newval[256];; void func1(unsigned char param) {
RSEG?PR?_func1?ASMEXAM
USING 0
_func1:;---- Variable 'param?00' assigned to Register 'R7' ----; SOURCE LINE # 6; unsigned char temp;; temp=newval[param];; SOURCE LINE # 9
MOV A,R7
MOV DPTR,#newval
MOVC A,@A+DPTR
MOV R7,A;---- Variable 'temp?01' assigned to Register 'R7' ----; temp*=2;; SOURCE LINE # 10
ADD A,ACC
MOV R7,A; temp/=3;; SOURCE LINE # 11
MOV B,#03H
DIV AB
MOV R7,A; #pragma asm
MOV P1,R7 ; write the value of temp out
NOP ; allow for hardware delay
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72
NOP
NOP
MOV P1,#0 ; clear P1; #pragma endasm; }; SOURCE LINE # 20
RET; END OF _func1
END
正如你所见在,asm”和,endasm”中的代码被复制到输出的 SRC文件中然后这个文件被编译并和其它的目标文件连接后产生最后的可执行文件
6 提高编译器的汇编能力很多软件设计者都相信他们所编写的汇编代码比编译器所产生的代码效率更高因此他们认为用汇编语言所做的项目比用高级语言所做的项目要好对这些工程师来说汇编语言所带来的高效比前面所讨论的 C语言的优点重要得多我相信如果这些工程师把他们所编写的汇编代码和用 C语言编写的程序通过编译后产生的代码比较一下他们肯定会非常吃惊用高级语言来开发项目的速度和效率都比用汇编好对于那些现在还难以决定用汇编还是 C的开发者来说让我给你提供一个选择 Keil C
编译器提供一个参数使生成的文件为汇编代码把这些汇编代码可用 A51编译并和其它模块连接这和直接用编译器产生目标文件是一样的这种做法的优点是可对产生的汇编代码进行编辑这样可对你的代码进行优化然后再把修改后的代码进行编译和连接决大多数情况下你不必对汇编代码进行修改因为这些代码都是经过了优化的但有时候还是要修改的前面的一个例子告诉你如何在代码段定位表格当需要查表时只需要计算 DPTR的低字节我们再引用以前时钟系统的例子列表 0-12
char code bcdmap[60][2]={
"00","01","02","03","04","05","06","07","08","09",
"10","11","12","13","14","15","16","17","18","19",
"20","21","22","23","24","25","26","27","28","29",
"30","31","32","33","34","35","36","37","38","39",
"40","41","42","43","44","45","46","47","48","49",
"50","51","52","53","54","55","56","57","58","59"
};
void disp_time(void) {
static char time_str[32]="TIME OF DAY IS,XX:XX:XX ";
unsigned char i;
time_str[T_HOURT]=bcdmap[timeholder.hour][0];
time_str[T_HOUR]=bcdmap[timeholder.hour][1];
time_str[T_MINT]=bcdmap[timeholder.min][0];
time_str[T_MIN]=bcdmap[timeholder.min][1];
time_str[T_SECT]=bcdmap[timeholder.sec][0];
time_str[T_SEC]=bcdmap[timeholder.sec][1];
putchar(0xFF);
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73
for (i=0; i<32; i++) {
putchar(time_str[i]);
}
disp_update=0; // 清除显示更新标志位
}
正如你所看到的 bcdmap包括1 20个字节因此只用一个字节就可以包含偏移量时钟系统中表的存放地址并不在 256个字节之内我们必须得到这个表的基址再加上表内数据的偏移量下面是编译器得到的寻址汇编代码列表 0-13; time_str[T_HOURT]=bcdmap[timeholder.hour][0];; SOURCE LINE # 214
MOV A,timeholder
ADD A,ACC
ADD A,#LOW bcdmap
MOV DPL,A
CLR A
ADDC A,#HIGH bcdmap
MOV DPH,A
CLR A
MOVC A,@A+DPTR
MOV time_str?42+010H,A
这段代码在程序中重复了 6次你可以看到编译器产生的代码在 bcdmap的地址上加上偏移量在寄存器 DPTR中得到新的地址一种简化寻址过程的方法是把表格放置在代码段的每页的顶端这样只需要一个寻址字节就可以对表内的数据进行寻址可通过产生一个小的汇编代码文件见表 0-14 并把它和现存的 C程序文件连接来实现原来 C文件中的初始化表格就要去掉了现在 C文件要包含一个外部声明的 bcdmap
列表 0-14
CSEG AT 0400H
bcdmap,DB '0','0'
DB '0','1'
DB '0','2'
,..
DB '5','7'
DB '5','8'
DB '5','9'
END
产生的汇编代码将使用新的寻址方式见表 0-15
列表 0-15; time_str[T_HOURT]=bcdmap[timeholder.hour][0];; SOURCE LINE # 214
MOV A,timeholder
ADD A,ACC
MOV DPL,A
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MOV DPH,#HIGH bcdmap
MOVC A,@A+DPTR
MOV time_str?42+010H,A
表寻址的前一种方法需要11个处理周期,17个代码的存储空间相比之下第二种方法只需要 8个处理周期和1 2个字节存储空间如果你的目的是优化速度那么你已经作到了但是当你的目的是优化代码空间可以把 6个寻址代码段合并成一个功能段在程序中调用它 6次这可以大大的减少代码长度功能段代码见列表 0-16
列表 0-16
getbcd,ADD A,ACC
MOV DPL,A
MOV DPH,#HIGH bcdmap
MOVC A,@A+DPTR
RET; time_str[T_HOURT]=bcdmap[timeholder.hour][0];; SOURCE LINE # 214
MOV A,timeholder
LCALL getbcd
MOV time_str?42+010H,A
“getbcd”功能函数代码在,disp_time”函数代码段中这样就只有,disp_time”函数能调用它除了进行优化还可以对编译后的文件进行修改消除编译器输出文件中不必要的功能调用我们在看一下前面的时钟例子其中包括一段更新显示的代码存放时间的结构定义如下
typedef struct
unsigned char hour,min,sec;
} timestruct;
结构中的数据只有 3个字节我们看一看编译后的结构数据的复制代码
列表 0-17; timeholder=curtime;; SOURCE LINE # 327
MOV R0,#LOW timeholder
MOV R4,#HIGH timeholder
MOV R5,#04H
MOV R3,#04H
MOV R2,#HIGH curtime
MOV R1,#LOW curtime
MOV R6,#00H
MOV R7,#03H
LCALL?C_COPY
这段代码需要1 6个处理周期和11个字节的存储空间而对 C_COPY的调用又要花去 70个处理周期而仅仅只为了复制 3个字节这时我们对代码做如下修改对这写字节进行手工复制
列表 0-18; timeholder=curtime;
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75; SOURCE LINE # 327
MOV timeholder,curtime
MOV timeholder+1,curtime+1
MOV timeholder+2,curtime+2
这段代码同样可以完成上面的工作只需要 6个处理周期和 6个字节存储空间编辑产生的汇编代码使你得到很好的速度和代码空间让你使用 C来进行产品开发更加得心应手使你最终得到的代码像汇编高手编出的代码那样紧凑而高效
7 仿真多级中断很多时候,我希望嵌入式系统的中断级别多于两级因为一般来说系统都有掉电中断并且都被置为高优先级这样的话其它中断都共用一个低优先级在 Intel 8051的数据书中介绍了一种通过软件来扩充 3个中断优先级的方法这种方法要求首先按正常方式设置前两个中断优先级然后把要设置为最高级的那个中断设置为中断优先级1 并且在原先中断优先级为1的中断服务程序中使能它下面是一个例子列表 0-19
PUSH IE ; 保存当前 IE值
MOV IE,#LVL2INTS ; 使能中断优先级为 2的中断
CALL DUMMY_LBL ; 伪 RETI
,.,; 中断服务程序
POP IE ; 恢复 IE
RET
DUMMY_LBL,RETI
原理是很简单的首先保存 IE的状态然后给 IE送数使得只有中断优先级为 2的中断被使能然后调用伪 RETI指令允许硬件产生中断这样就可不必使用硬件如 PICs(programmable interrupt controllers)等就可扩充中断优先级新增加的代码不会对 ISR对中断事件的响应有什么大的影响在中断程序前面多了1 0个处理周期的时间这对一般系统来说都是可以忍受的这种方法可进行扩展使每个中断都有自己的优先级如果系统要求每个中断都有自己的优先级假设你的中断优先级如表 0-4所示那么系统就需要 5个中断优先级按照前面所讲的方法你必须仔细选择 ISR中 IE的屏蔽值只允许更高优先级的中断像串行口中断服务表 0-4
程序中只能允许定时器1中断和外部中断 0 而外部中断 0的中断优先级最高定时器 0的中断优先级最低它们的中断服务程序无须做变动在初始化程序中必须将定时器 0的中断优先级设置为 0 而其它所有中断的优先级被设置为1 对中断优先级1到 3 在它们的中断服务程序设置如下屏蔽位列表 0-20
EX1_MASK EQU 99H ; 允许串行口中断定时器1中断外部中断 0
SER_MASK EQU 89H ; 允许定时器1中断外部中断 0
T1_MASK EQU 81H ; 允许外部中断 0
现在,在中断服务程序中加入仿真代码列表 0-21
PR?EXT1?LOWLVL SEGMENT CODE
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EXT1,PUSH IE ; 保存 IE值
MOV IE,#EX1_MASK ; 使能串行口中断定时器1中断外部中断 0
CALL DUMMY_EX1 ; 伪 RETI
LCALL ex1_isr ; 用 C代码编写的中断服务程序
POP IE ; 恢复 IE
RET
DUMMY_EX1,RETI
PR?SINTR?LOWLVL SEGMENT CODE
SINTR,PUSH IE ; 保存 IE值
MOV IE,#SER_MASK ; 使能定时器1中断外部中断 0
CALL DUMMY_SER ; 伪 RETI
LCALL ser_isr ; 用 C代码编写的中断服务程序
POP IE ; 恢复 IE
RET
DUMMY_SER,RETI
PR?TMR1?LOWLVL SEGMENT CODE
TMR1,PUSH IE ; 保存 IE值
MOV IE,#T1_MASK ; 使能外部中断 0
CALL DUMMY_T1 ; 伪 RETI
LCALL tmr1_isr ; 用 C代码编写的中断服务程序
POP IE ; 恢复 IE
RET
DUMMY_T1,RETI
用少量的汇编代码使系统对硬件的功能进行了扩展系统的主要代码功能还是用 C编写的
8 时序问题有时,代码要执行的任务有严格的时间要求这些代码必须用汇编来完成时间的精确度要达到一两个处理周期像这种情况一种最简单的方法就是在注释区中加上指令周期计数这给代码的编写带来很大的方便当代码改变时时序也跟着改变有了指令周期计数后我们很容易计算时序例如你在引脚 T1按一定的时序输出数据另外一个系统监视输出并以1 00KHz的速率进行采样每位数据之前都有一个 2us的起始信号然后是宽度为 3us的数据位其它时间 T1
被置低时序如图 0-1
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图 0-1
系统时钟为1 2MHz 所以指令周期为1 us 使用 C语言很难保证时序所以必须用汇编语言函数接收作为参数传递过来的字节数据并从高位到低位向外发送程序见列表 0-22
列表 0-22; 该函数有如下声明; void sendbyte(unsigned char);
PR?_sendbyte?SYS_IO SEGMENT CODE
DT?_sendbyte?SYS_IO SEGMENT DATA OVERLAYABLE
PUBLIC _sendbyte
PUBLIC?_sendbyte?BYTE
RSEG?DT?_sendbyte?SYS_IO
_sendbyte?BYTE:
BITCNT,DS 1
RSEG?PR?_sendbyte?SYS_IO
_sendbyte,PUSH ACC ; 保存累加器
MOV BITCNT,#8 ; 发送 8位数据
MOV A,R7 ; 获取参数
RLC A ; 得到第一位要发送的数据
LOOPSTRT,JC SETHIGH ; 2,9 确认输出值
SETB T1 ; 1,0
CLR T1 ; 1,1
RLC A ; 1,2 得到下一位数据
NOP ; 1,4
NOP ; 1,5
NOP ; 1,6
DJNZ BITCNT,LOOPSTRT; 2,7 是否发送完毕
SETHIGH,SETB T1 ; 1,0
CLR T1 ; 1,1
SETB T1 ; 1,2 数据位置1
RLC A ; 1,3 得到下一位数据
NOP ; 1,4
CLR T1 ; 1,5 清除输出
DJNZ BITCNT,LOOPSTRT; 2,7 是否发送完毕
POP ACC ; 恢复累加器广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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RET
END
可以看到每条指令后面都有指令执行所需要周期数和到目前所消耗的指令周期数每1 0个指令周期发送1位数据周期计数从 0到 9 你选择从哪条指令开始计数都没关系在这里我选择了起始位置高的那条只作为参考指令当你的循环中有两条分支的时候你应保证这两条分支所需要的时间是一样的这可通过使用 NOP指令来平衡当系统晶振频率不变的时候上面的程序完全可以胜任但是假使你并不生产监视
T1脚输出的模块而生产这个模块的厂家做不到以1 00KHz的频率进行采样这时你必须改变你数据的输出速率为了不经常的改动程序你需要对程序重新做调整使用户能够指定数据的输出速率这样程序会变得复杂一些我们使用循环来消耗时间从而改变数据输出速率列表 0-23
PR?_sendbyte?SYS_IO SEGMENT CODE
DT?_sendbyte?SYS_IO SEGMENT DATA OVERLAYABLE
BI?_sendbyte?SYS_IO SEGMENT BIT OVERLAYABLE
PUBLIC _sendbyte
PUBLIC?_sendbyte?BYTE
PUBLIC?_sendbyte?BIT
RSEG?DT?_sendbyte?SYS_IO
_sendbyte?BYTE:
BITCNT,DS 1
DELVAL,DS 1
RSEG?BI?_sendbyte?SYS_IO
_sendbyte?BIT:
ODD,DBIT 1
RSEG?PR?_sendbyte?SYS_IO
_sendbyte,PUSH ACC ; 保存累加器
MOV BITCNT,#8 ; 发送 8位数据
CLR C
MOV A,R5 ; 得到延时周期数
CLR ODD ; 延时为偶数
JNB ACC.0,P_EVEN
SETB ODD ; 延时为奇数
DEC ACC ; 对偶数的延时减去一个周期
P_EVEN,SUBB A,#4 ; 减去前面 4个周期的延时
RR A ; 除 2 得到所需执行 DJNZs的数
MOV DELVAL,A
MOV R5,A
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JNB ODD,SEND_EVEN
SEND_ODD,MOV A,R7 ; 要输出的数据
RLC A ; 第一位
LOOP_ODD,JC SETHIGH_O ; 2,9 检测数据值
SETB T1 ; 1,0
CLR T1 ; 1,1
RLC A ; 1,2 下一位
NOP ; 1,3
NOP ; 1,4
MOV R5,DELVAL ; 2,6
DJNZ R5,$ ; 2,8
NOP ; 1,9
DJNZ BITCNT,LOOP_ODD ; 2,11 是否传输完毕
SETHIGH_O,SETB T1 ; 1,0
CLR T1 ; 1,1
SETB T1 ; 1,2
RLC A ; 1,3 下一位
NOP ; 1,4
MOV R5,DELVAL ; 2,6
DJNZ R5,$ ; 2,8
CLR T1 ; 1,9 清除输出
DJNZ BITCNT,LOOP_ODD ; 2,11 数据是否发送完毕
POP ACC ; 恢复累加器
RET
SEND_EVEN,MOV A,R7 ; 要输出的数据
RLC A ; 要发送的第一位
LOOP_EVEN,JC SETHIGH_E ; 2,9 检测输出值
SETB T1 ; 1,0
CLR T1 ; 1,1
RLC A ; 1,2 下一位
MOV R5,DELVAL ; 2,4
DJNZ R5,$ ; 2,6
NOP ; 1,7
NOP ; 1,8
DJNZ BITCNT,LOOP_EVEN ; 2,10 数据是否发送完毕
SETHIGH_E,SETB T1 ; 1,0
CLR T1 ; 1,1
SETB T1 ; 1,2
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RLC A ; 1,3 下一位
MOV R5,DELVAL ; 2,5
DJNZ R5,$ ; 2,7
CLR T1 ; 1,8 清楚输出
DJNZ BITCNT,LOOP_EVEN ; 2,10 数据是否发送完毕
POP ACC ; 恢复累加器
RET
END
函数首先确认所要延时的周期数的奇偶性然后决定 DJNZ的执行次数我们要减去延时循环前面所消耗的指令周期数偶数减 4 奇数减 5 剩下的除 2就得到了要执行 DJNZ的次数 DJNZ要消耗两个指令周期这样功能函数的最小延时为 6个指令周期现在你可通过在 C中改变参数来改变数据的传输速率了而无须去更改程序
9 结论这章向你说明了汇编语言在系统开发中仍然有不可替代的作用用高级语言可使你产品的开发更加快速而稳定这并不说明你不可以把 C和汇编结合起来使用汇编的确能够完成一些高级语言不能做到的事情广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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第五章系统调试
1 介绍调试嵌入式系统没有什么固定可寻的方法硬件接口所带来的复杂和时钟的限制使嵌入式系统比 PC或对应的主机应用更加复杂这些系统可以很方便的用软件进行调试能够按使用者的步伐进行单步运行而嵌入式系统在目标板上全速运行进行调试这意味着要控制调试你不得不使用 ICE 在你的代码时间要求很严格的部分不能使用单步运行那样会使你的程序运行出现混乱对于使用时标或看门狗的系统的调试更加困难因为嵌入式系统的复杂性很多方法都不能使用这章将探索这些方法使你对设计和调试你的系统有个初步的了解
2 通过系统设计来帮助调试在你系统的设计阶段如果你的系统规划得好的话会给你将来的调试带来很大的方便我们可以通过串行口来输出调试信息换句话说就是通过一系列 I/O口来反映程序在不同的执行阶段时的程序状态和变量状态这种方法的缺点是会增加不必要的硬件但也可以为系统将来的扩充留下余地也可通过显示板输出调试信息还可以把调试信息存储在 RAM中当程序执行完成后再下载这些信息不管你用什么方法调试程序当使用 I/O作为调试用时好处很多在你设计系统的时候就应该考虑这些方面并进行各种整体功能调试当然在 PCB板作成之后还要做各种调试但这时你应该已经排除了大多数的问题用 PCB板进行调试时你可能会发现它像逻辑分析仪之类的仪器你不应该完全依赖于 ICE 尽管那是最方便的调试方法但不是那么容易得到的所以应该学会如何在没有这种奢侈工具的帮助下进行调试在没有 ICE的情况下进行调试可使你很快擅长使用数字存储技术这对你调试系统很有帮助如果你对系统在什么时候做什么事情很了解的话就可以知道在什么地方程序运行开始出错当你发现了出错的地方后你就可以在这些地方加入调试语句把调试信息通过显示串行口或 I/O发送出来
3 使用调试端口在没有 ICE时进行调试的最有效的一种手段是通过调试端口输出数据一般来说这些数据包括系统事件反映程序运行到某一点的调试状态变量值等调试端口一般是串行口串行口要么完全作为调试用要么在调试端口和数据接口间时分复用而对 8051来说麻烦在于一般只有一个串行口这意味着要进行时分复用如果你有两个串行口的话那就幸运多了不必担心调试数据会影响正常数据当你用1 0个数据位向 PC发送数据的时候串行调试端口会出错所以你最好使用其它模式另外向外输出数据多出来的这部分调试代码会改变你程序的进程而且会产生一些莫名其妙的问题调试端口适用于那些对时间要求不严格并且用多余串行口的系统从这些讨论可以看出第 4章所说的实时时钟系统就很适合它有多余的串行口和大量的空闲时间如果你要在这个系统上使用调试端口代码由中断进行驱动并将缓冲区中的调试数据从数据调试端口送出列表 0-1
#include <reg51.h>
#include <intrins.h>
#ifndef NULL
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#define NULL ((void *) 0L)
#endif
#define DB_MAXSIZE 0x20
unsigned char db_head,db_tail,db_buffer[DB_MAXSIZE];
/*****************************************************************
Function,debug_init
Description,将串行口设置为调试端口把缓冲区指针设为 0
Parameters,无
Returns,无
*****************************************************************/
void debug_init(void) {
SCON=0x90; 使用串行通讯模式 2
db_head=db_tail=0;
ES=1;
}
/*****************************************************************
Function,debug_insert
Description,把所指向的存储区中的数据拷贝到缓冲区中
Parameters,base – 指针指向要拷贝数据的头地址
size – 所要拷贝数据的数量
Returns,无
*****************************************************************/
void debug_insert(unsigned char data *base,unsigned char size) {
bit sendit=0; // 标志位表明是否要进行串行传输初始化
unsigned char i=0;
if (!size || base==NULL) { return; }//测试参数是否有效
if (db_tail==db_head)
sendit=1;
}
while (db_tail!=db_head && i<size) {// 当缓冲区有空间且数据区中还有数据时
// 进行拷贝
db_buffer[db_tail]=base[i]; // 拷贝当前字节
i++;
db_tail++; // 移动指针
if (db_tail==DB_MAXSIZE) { // 指针是否超出范围
db_tail=0;
}
}
if (sendit) { // 是否要传输一个字节
SBUF=db_buffer[db_head];
}
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}
/*****************************************************************
Function,debug_output
Description,串行口中断服务程序增加缓冲区头指针如果头指针不等与尾
指针输出下一个字节
Parameters,无
Returns,无
*****************************************************************/
void debug_output(void) interrupt 4 {
RI=0;
if (_testbit_(TI))
db_head++;
if (db_head==DB_MAXSIZE) { // 是否超出范围
db_head=0;
}
if (db_head!=db_tail)
SBUF=db_buffer[db_head]; // 送下一个字节
}
}
}
通过调用功能函数把数据块插入缓冲区中,功能函数中包含一个指针指向待传送的数据,还包含一个计数器表明要传送字节的数量数据被拷贝到缓冲区中缓冲区中的尾指针被相应的更新你可以根据 RAM的大小和需要传送调试数据的多少调整缓冲区的大小第 4章的实时时钟系统没有外部 RAM 你必须把缓冲区设置在内部 RAM中这限制了一次传送数据的数量
4 使用 Monitor-51
有些时候我们设计系统既希望从代码段读出数据也希望往代码段写入数据这使得系统相信自己只有一个存储段而不是两个这样做的好处是你可以使用一个简单的 8051
程序把代码下载到存储区中这使你避免不断的转换编译烧写 EPROM和测试如果你的系统能够向代码区写入数据你应该考虑使用 Keil C51自带的软件包
Monitor-51 这个程序允许你在目标板上运行代码和调试功能它要求你在代码区装入通信和控制模块通信模块将通过串行口和 PC进行通信你在 PC运行另外一个程序
MON51.EXE 这个程序作为你目标板和 PC之间的接口这样就相当有了一台仿真器监视程序将使你可以看到各个存储段并改变他们的内容你可以查看 SFRs的的值禁能你的代码加入新的代码你还可以加入断点当你的系统挂起时你可以单步运行你的程序所有这些的前提是你的系统必须可以对代码区进行写操作监视程序可在没有 SRAM的系统上通过设置在代码区内运行但这样的话你就不能设置断点单步运行改变代码区的内容 Monitor-51将控制一个串行口和一个定时器同时还占用了 2816字节的代码空间和 256字节的 XDATA区调整你的 Monitor-51 install.a51文件来适应你的系统当你的系统频率为11,059MHz
时它设置串行口的波特率为 9600 此外它还将把在地址 8000H以上的中断向量入栈如果你不想这样可以更改 install.a51文件头的常数来进行调整对于 PC上的软件接口可以查询手册在这里就不详细介绍了广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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5 利用 I/0端口进行调试如果你不能使用串行口做为调试端口你可以利用分立的 I/O口进行调试把 I/0口和锁存器相连锁存器被分配一个外部地址我想至少可以找到一些空余的脚来显示系统的执行点最为理想的方法是使用 8个引脚在同一时间显示一个字节把这写引脚连接到 LED
上这样易于观察此外你也可以使用示波器
我所做的很多系统都使用输出引脚来显示状态一般来说一个引脚来显示系统正在执行引脚电平以一定的频率进行翻转你通过检查这个引脚以确定系统工作正常一个引脚用来显示程序已经运行过某一点或程序正在等待输入等你也可以把寄存器的内容发送到引脚上然后程序进入等待状态并观察引脚的数值来确定程序运行是否正常你必须自己确定每个引脚在程序运行的每个状态的作用调试程序时要一段一段的进行这样才便于你进行观察这和使用串行口进行调试是不同的如果你有逻辑分析仪的话就再好不过了把用作调试的输出口和逻辑分析仪连起来逻辑分析仪将记下他所见到的数据对输出的数据进行分析后你可以知道你程序运行的状况
6 使用 ICE
8051的在线仿真器的种类有很多这里不对他的使用方法做讨论关于这方面的书层出不穷我们将对一些要点做一些说明第一点对你将要进行仿真的代码段使用,debug”选项进行再编译对于包含了结构或数组的 C程序如果要对这些数据进行访问更改或检测须在汇编时加,objectextend”参数这样将使系统在目标文件和以后产生的可执行文件中加入调试信息如果不这样做的话你在调试窗口中看到的将不是 C程序而是一些没有标号的汇编代码在系统中安装 ICE时要特别注意设置这些设置可使仿真器以系统晶振频率运行或以仿真器内部时钟频率运行如果你的系统有外接晶振并且系统的运行完全依赖于这个频率这时如果以仿真器频率运行程序的话程序将不会按你想象的那样工作了时钟发生器将以错误的频率振荡串行通信将发生错误因为 baud率已经改变了同样你还可以使能仿真器的电源和复位功能这可使你对硬件做更多的测试调试有看门狗或运行定时器的系统时要记住当你检查代码或数据时或单步运行时时钟并没有停止运行它们还是会溢出并产生中断有时候给程序的调试带来很大的不便所以测试的时候最好关闭看门狗定时器而对于时标的产生最好就是禁能定时器中断如果你想购买仿真器我建议你买带有跟踪缓冲区的那种很多仿真器都带有从1 6K
到1 28K的跟踪缓冲区这些缓冲区存储执行的指令指令指针的值引脚和仿真器相连的引脚的输入输出值分析这些数据可以发现系统的问题出自那里这样跟踪缓冲区的功能相当于逻辑分析仪
7 结论使用仿真器是对系统进行测试和集成最有效的方法但是你在进行系统调试时不要完全依赖仿真器你有可能碰到没有仿真器或仿真器的作用不大的时候像一些对外围器件如 EEPROM 进行控制的系统硬件接口时序信号等这使你应该使用示波器或其它一些仪器进行系统测试这章给出了一些对你的工程进行调试的方法值得重声的一点是对实时钟之类的系统的调试不能光从书本上学还要多多积累经验书本只能给你指明方向你应根据不同的情况采用不同的解决方法广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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第六章中断系统
1 介绍这一章将讨论设计实时时钟系统中的一些问题其中很多都和软件有关其它一些和硬件设计有关这一章的硬件设计集中在中断系统上将讨论如何使用中断事件和查询方法来触发操作软件的讨论将集中在程序结构上
2 中断驱动系统和查寻系统
如果你的嵌入式系统是基于对输入信号做处理的基础上的那你就要决定你的系统是采用中断的方式来接收数据好呢还是采用查询的方式好呢这需要你考虑两方面的问题第一点是你系统对输入信号变化所作出的反应要多快如果要求在很短的时间内作出反应那么最好使用中断的方式不管你系统的查询速度有多快它总是比中断的反应要慢一些第二点你要知道你的输入信号的变化有多快如果它以接近1 /10指令周期的频率变化就要用中断查询方式了有些系统有很多输入源而且看上去每个输入源都需要中断这就需要考虑如何在他们之中分配中断或者对其中的一些输入源使用查询的方法换句话说就是必须对这些输入源建立优先级举个例子有一个电机控制系统对电机传感器送过来的信号进行监视同时又要接收主 CPU送过来的状态查询请求我想你一定会把前者的优先级定得比后者高因为丢失一个查询请求信号不会对系统造成什么很大的影响而丢失传感器信号可能会对电机造成很大的影响如何建立优先级要从系统的高度去考虑当你决定了输入源的优先级之后下一步要决定如何把信号引入处理器对输入信号进行查询时那些需要快速查询的信号应直接接到端口引脚上处理器对端口的寻址只需要一个指令周期对于查询速度要求不高的信号可通过锁存器由系统总线接入处理器从前面的讨论知道设置 DPTR需要两个指令周期对信号读写至少需要两个周期对信号的查询相对就慢一些决定了信号的布局之后接下来要决定对信号的查询频率如果一个信号每秒钟查询1 0000次另一个信号每秒钟查询一次根据总的信号查询时间把第一个信号接到总线上把第二个信号接到处理器的引脚上是没有意义的一般说来如果要对信号状态的改变作出反应信号的查询频率应是你所估计频率的两倍对信号进行查询应根据不同的情况采取不同的方法如果输入信号是人发出的那么
10Hz的查询频率就够了人相当于一个很慢的 I/O器件当他们使用按键向系统传送信息时 10Hz的查询速率和更高的查询速率没什么分别用户接口信号可在定时器中断或主循环中查询当查询变化频率很快或十分重要的信号时有两种方法可以在定时器中断中查询但你中断的发生频率要很快此外你可以不断的对信号进行查询而不干任何其它事情这两者的缺点是系统资源消耗太大如果你的系统是用电池供电的那么这两种方法都不是很好这种情况下要把信号的重要程度加以区分重要的高速的信号接到外部中断口上剩下的用查询的方法这样做的目的是可以建立中断和查询输入触发事件之间的优先级我把重要的输入接到 INT0和 INT1 你也可以用其它端口引脚来扩展外部中断或者共用外部中断 8051对中断的响应延时是很短的另外对那些变化很慢的信号也应通过中断接入处理器而不需要用程序对它进行定期的查询
3 中断的电平和边沿触发
8051的外部中断支持两种触发方式一种是电平出发一种是边沿触发应该根据信号的类型选择那种触发方式广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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3.1 电平触发中断电平触发方式比较好理解处理器每个指令周期查询中断引脚当发现引脚电平为低时触发中断如果信号从1边为 0 一个周期后又变为1 中断并不会被清除直到中断执行完毕并用 RETI指令返回之后但是如果输入信号一直为低那么将一直触发中断当要求中断服务的器件在中断服务结束一段时间之后才释放信号线时就会发生这种情况这时你会发现中断被执行了多次所消耗的时间比预期的要长很多这时应使用边沿触发方式
3.2 边沿触发方式当外部中断引脚电平由高向低变化时将触发中断处理器每个指令周期查询中断引脚当前一个指令周期是引脚电平为高紧接着下一个指令周期检测到引脚电平为低时将触发中断像前面所提到的那样这种方法适用于请求中断服务的器件在中断服务结束一段时间之后才释放信号线时的情况因为这时只有下降沿才会触发中断如果你还想触发下一个中断就必须把电平先置高当设计中断结构时,你要记住边沿触发适用于那些器件发出的中断请求信号不需要软件清除的场合最为普遍的例子是系统的时标这种信号一般由实时时钟电路产生这些器件一般提供一个占空比为 50%的信号即信号的一半是高电平另一半为低电平如果使用电平触发将将产生很多中断这样即使不扰乱程序的运行也将浪费系统的资源还有一种类似的情况是解码器系统通过解码器电路采样串行输入信号并把它转化成并行输出每当信号达到某个标准的时候将产生一个中断信号问题在于达到标准的信号是一个持久的信号如果设置成电平触发会引发一连串的中断在器件要求中断很频繁的时候电平触发方式就比较好假使一个器件周期性的有高频率的中断请求在你这个中断服务程序还没完成的时候下一个中断请求又来了这样就不必把中断请求信号线置高如果设置为边沿出发方式你就检测不到中断信号电平方式在多个器件共用一个中断入口的情况下比较有用当正在执行一个中断服务程序的时候另外一个中断请求又来了这样信号线一直被置低边沿触发方式将检测不到这个中断这时用电平触发方式就比较好因为信号线一直被置低当上一个中断服务程序完成之后将立即执行下一个服务程序只要有中断请求这可使程序提供任何中断服务这个过程将重复直到执行完所有的中断服务经常性的你的系统所要处理的中断信号比现有的中断引脚要多这种情况在扩充了中断引脚之后仍然存在这时利用一些方法来共用中断引脚你需要知道中断源的数量中断触发的速度和在你的系统中加入什么器件等
4 共用中断至少有 3种方法来在多个输入之间共用中断信号每种方法都需要增加相应的组件假使有两个输入信号当它们请求中断服务时把信号线电平置低当中断服务程序完成之后再把信号线置高用与门把这两个信号连起来再把输出接到 INT1 为了让处理器分辨中断请求来自哪个信号分别把这两个信号接到控制器输入端口的引脚上下面的例子采用的是 P1.0和 P1.1
这里设要求中断服务的器件直到中断服务完成之后才将信号线置高,因为在第一个器件要求中断服务之后,第二个器件还可以申请中断这要求把 INT1设置为电平触发或在中断程序结束前检测 P1.1和 P1.0口这样两个中断都将被执行如果使用边沿触发的话当一个中断正在执行时又产生另一个中断如果在中断程序结束前不检测 P1.1和 P1.0口这个中断将不会被执行广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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图 0-1 INT1被共用像上面的例子把中断设置为电平触发中断服务程序见表 0-1 注意如何通过改变检测顺序来建立中断的优先级另外一旦完成了第一个中断服务程序之后将检测低优先级的输入因为中断为电平触发如果在高优先级的中断执行期间又来一次这个中断那么将始终执行这个中断列表 0-1
sbit SLAVE1 = P1^0; // 输入信号命名
sbit SLAVE2 = P1^1;
void int1_isr(void) interrupt 2 {
if (!SLAVE1) { // 先检测 slave1
slave1_service();
}
if (!SLAVE2)
slave2_service();
}
}
可以更改中断服务程序通过加入 do…while循环语句只要中断申请存在就不退出中断服务程序这将导致一直中断系统将不能进行其它工作我们在设计系统时要整体的进行考虑合理的执行中断而不应让中断占据所有的系统资源因为系统还要做其它工作前面的共享中断的方法还可以进行扩展把所有输入信号接到一个与门上并给每个信号分配一个端口引脚如果碰到引脚不够用的情况可把引脚接到数据锁存器上还是以电平方式触发中断这将使系统在软件和硬件上都变得复杂主要不同的是将通过数据锁存器来读取输入信号锁存器的优点是可让你加入一些新的硬件产生中断的信号被硬件记录下来然后通过软件从锁存器中读取记录采取什么中断方式决定于接到中断输入口上信号的性质
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图 0-2 共享外部中断在这个结构中中断服务程序从地址为 8000H的锁存器中读入数据以决定哪个中断源要求中断并可根据查寻的先后次序决定那个中断被优先执行下面是中断服务程序列表 0-2
#define INTREG 0x8000
unsigned char bdata intmask; // 声明一个可位寻址变量存放中断请求记录
sbit signal0 = intmask^0; // 设置位变量访问记录
sbit signal1 = intmask^1;
sbit signal2 = intmask^2;
sbit signal3 = intmask^3;
sbit signal4 = intmask^4;
sbit signal5 = intmask^5;
sbit signal6 = intmask^6;
sbit signal7 = intmask^7;
void int1_isr(void) interrupt 2 {
intmask=XBYTE[INTREG]; //读锁存器数据以决定
//中断的原因
if (signal0) { // 检测所有的中断源
signal0_isr();
}
,..
if (signal7) {
signal7_isr();
}
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reset_int(); // 执行中断逻辑的复位功能
}
中断逻辑控制的硬件要根据系统而定有些像上面的例子一样中断请求直到中断服务程序完成之后才被释放而有些中断请求信号只是一个脉冲信号这样硬件必须锁住下降沿脉冲并产生中断请求信号当中断执行完毕之后软件清除中断逻辑电路中的中断请求信号只要有中断请求没有被响应并清除相应的中断信号中断请求逻辑电路就将一直发出中断请求这样中断触发方式应该被设置成电平触发上面例子中中断逻辑的实现很像商业性的中断控制主要的区别是上面的中断逻辑每个输入信号的中断触发方式将不能改变如果你要把第 3个信号的中断触发方式有电平触发改变成边沿触发那你的硬件电路就要该变一个好的中断系统应该允许改变每个中断的触发方式就像 8051可以设置 INT0和 INT1那样中断控制器应该可以通过硬件来使能或禁能中断当你要关闭某个中断时不再需要修改软件或增加硬件这个功能已经包含在中断控制器中使用这种模块的系统要通过系统总线和它接口如果一个系统使用了中断控制器那么系统在决定中断源时会花较长的时间这样就增加了中断的延时所以对中断反应速度要求很高的输入应该直接接到处理器上
6 扩充外部中断数尽管 Intel认为 8051的外部中断数不应超过两个但肯定有方法可以使你的外部中断数超过 5个有两个简单的方法一是把定时 /计数器中断做成外部中断二是把串行口中断做成外部中断当然如果你还要使用他们以前的中断功能就不应这样做如果你需要一个定时器和串行口那在设计系统时可把另一个定时器作为外部中断扩展外部中断最简单的方法就是把定时器设置为计数模式然后把信号接到计数器相应的引脚上 T0或 T1 为了使每出现一个从高到低的脉冲的时候产生一个中断把定时器设置为自动重装模式令重装值为 FFH 当计时器检测到从高到低的脉冲时定时器将溢出这时将产生一个中断请求代码如下列表 0-3
#include <reg51.h>
void main(void) {
...
TMOD=0x66; // 两个定时 /计数器都设置成 8位模式
TH1=0xFF; // 设定重装值
TH0=0xFF;
TL0=0xFF;
TL1=0xFF;
TCON=0x50; // 开始计数
IE=0x9F; // 中断使能
...
}
/*****************************************************************
定时器 0中断服务程序
*****************************************************************/
void timer0_int(void) interrupt 1 {
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...
}
/*****************************************************************
定时器1中断服务程序
*****************************************************************/
void timer1_int(void) interrupt 3 {
while (!T1) { // 确保中断被清除
,..
}
}
这种方法还是有一定的限制的第一点它只能是边沿出发所以当你需要的是一个电平触发的中断时就要在中断中不断的对 T0或 T1进行采样直到它们变为高第二点检测到下降沿和产生中断之间有一个指令周期的延时这是因为在检测到下降沿一个指令周期之后计时器才加1
如果你使用的 8052或 8051单片机有多个定时器而且有外部引脚可以用这种方法来扩充边沿触发的外部中断值得重申的一点是当使用定时器作为外部中断时它以前的功能将不能使用了除非你用软件对它进行复用使用串行口作为外部中断不像使用定时器那样直接 RXD引脚将变成输入信号检测从高到低的电平跳变把串行口设置为模式 2 当检测到从高到低的电平跳变是 8位数据传输时间过后将产生中断当中断发生后由软件把 RI清零下面是对 UART设置和 ISR结构的代码列表 0-4
#include <reg51.h>
void main(void) {
...
SCON=0x90; // 模式 2 允许接收
IE=0x9F; // 中断使能
...
}
void serial_int(void) interrupt 4 {
if (!_testbit_(RI)) {
,.,
}
}
像定时器系统一样用串行口中断作为外部中断也有它的缺点第一中断只能是边沿触发第二输入信号必须保持 5/8位传输时间为低因为串行口必须确认输入信号是一个起始位第三检测到电平跳变之后要等 8个位传输时间后 UART才请求中断还有信号为低的时间不应超过 9位数据传输时间对 UART来说这种方法相当于从 RXD脚传送进一个无效字节这样对时间的要求更高了这些限制取决于你的系统的的频率因为传输的波特率取决于系统频率当 UART的模式改变和使用内部定时器时会有不同的时间限制但延时只会加长不会缩短广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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7 中断服务程序很多新手在设计中断服务程序时不知道该注意些什么主要问题是哪些功能应该放在中断程序中哪些功能应该放在主程序中要把握好这一点可不是那么容易一般来说中断服务程序应该做最少量的工作这样作有很多好处首先你的系统对中断的反应面更宽了有些系统如果丢失中断或对中断反应太慢将产生十分严重的后果这时有充足的时间等待中断是十分重要的其次它可使你的中断服务程序的结构简单不容易出错中断程序中放入的东西越多它们之间越容易起冲突简化中断服务程序意味着你的软件中将有更多的代码段但你可把这些都放入主循环中中断服务程序的设计对你系统的成败有至关重要的作用你要仔细考虑各中断之间的关系和每个中断执行的时间特别要注意那些对同一个数据进行操作的 ISR
假设你的系统从 UART接收了一系列数据需要从中得到重要的信息并响应它们中断服务程序从 SBUF中读取数据并把它放到循环队列中软件的主调用层负责检查队列取得数据进行分析当信息接收完毕然后进行相应的处理也可有 ISR进行数据分析再把数据放入队列中由主程序进行处理但我不主张使用第二种方法那样将花费很多时间有些时候由于时间的限制或和其它中断的关系的原因无法将一些操作从 ISR中分离出来例如有一个系统当外围电路接收到数据之后申请中断并且每 20ms 向处理器发送一个数据单位我想你应该会接收完所有的数据后才离开中断否则很容易丢失数据可以利用 8051的中断优先级来解决这个问题另外一个留给 ISR做的应该是对共享数据的操作举个例子如果一个系统有好几个中断其中有两个中断有同样的优先级并对同一个数据结构进行操作当 A/D转换单元完成转换之后将引发其中一个中断每1 0ms发生一次系统记录转换结果并把结果串行输出另一个中断是系统时标检查共用的数据结构中是否有新的转换数据当有新的数据出现时把数据放入打包并初始化串行传输可以看出这两个 ISR不应同时使用队列在这个例子中输入 ISR读取数据并完成数据的入队列操作另一个 ISR从队列中取数据并构造消息初始化串行口
8 结论
这章主要讨论了如何增强 8051的中断功能,把这些技巧和以前的讨论结合起来如仿真外部中断优先级可使你拥有比 8051设计者想到的更多功能在设计系统的中断系统的时候应该注意输入信号和 8051中断源的匹配同时还有软件的设计像选择中断优先级中断服务程序的设计软件和硬件应该结合起来设计总之中断系统的设计对实时钟嵌入式系统来说是十分关键的广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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第 7章串行口
1 介绍
8051系统的主要传输方式不是并行口或共享存储区而是 8051的串行传输方式第二章提到过内置的 UART是十分灵活的可以和其它系统进行高速的通信这章将讨论在系统间进行数据传输的软件设计方法
2 慢速串行口和 PC的接口在很多嵌入式应用中处理器把时间和数据报告给主机通常是 PC 主机也通过串行连接向处理器传输命令和数据通常使用像 RS-232这样的电压标准在 8051系统和通用系统间进行通信如果通信线路不是很长的话 8051可以不需要 RS-232驱动器而只需要简单的电路就可与 PC通信很多 PC系统并不完全遵循 RS-232电压标准这将简化电路接口从
PC输出的1 2V电压数据通过降压变为 5V以下
图 0-1 PC接口当简单的接口电路设计好了之后要设计相应的软件来控制数据的传输处理输入数据最简单的方法是假设你的传输协议传输的第一个字节是要传输的字节数接收完第一个字节产生串行传输中断然后以查询的方式接收输入数据对输出数据也用相似的方法当串行传输开始时向 SBUF中写入一个字节数然后查询 SCON看什么时候开始传送下一个数据当所有字节传送完毕后结束循环上面的软件设计适用于只处理串行通信的系统这种软件设计结构比较简单但是对于复杂的系统查询方式就不适用了下面的设计更好接收数据时每个输入字节产生一个串行中断中断服务程序从 SBUF中读取数据并确认数据的有效性当数据有效时把数据放入队列中由主程序去执行发送数据用类似的方法把要发送的数据放入队列中第一个字节发送完后产生中断只要队列中还有数据中断服务程序从队列中读出一个字节写入 SBUF
这个系统允许处理器除了串行传输之外还可处理其它任务一般来说串行口和其它外围器件比起来是一个很慢的设备只要你的串行波特率不是特别快如 300K 每个字节间就有足够的时间处理其它任务广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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设前面第 4章所讲的时钟系统是监控系统的一部分该监控系统通过 PC查询其它设备如图 0-2所示在这里我们只关心时钟部分
图 0-2主 /从串行通信在这个新的监控系统中时钟通过 RS-232和 PC进行通信时钟的设计如图 0-3
图 0-3 时钟作为从设备
PC从时钟处读取数据设置时钟的时间复位时间为 0 传送 32个字符信号进行显示应该注意串行通信线路上不止时钟一个设备要把自己的数据和其它设备的数据区分开所以被传送数据的结构应该使设备可以鉴别数据是否是自己的被传送数据的第一个字节是同步信号包含了被寻址器件的地址时钟的地址是 43H 信息中还包含了命令字节数据的多少数据本身和一个校验字节典型的信息结构如下所示
表 0-1
对所有从 PC传送过来的命令必须返回一个应答信号时钟对上面的列出的 4个信号负责 (时间请求,时间设置,时间复位,时间显示 ).信息的格式如下,
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表 0-2
表 0-3
表 0-4
表 0-5
表 0-6
表 0-7
明白了数据流和时钟处理器的责任现在可以设计中断服务程序了中断服务程序对数据流进行分析在此可以使用一个简单的有限状态图 (FSA) FSA根据输入从一个状态转移到另一个状态的软件 FSA有一个初始状态它寻找同步字节和与下部分信号相关的中广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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间信号初始状态将读取校验和字节并修改它如果所接收字节不遵守有效信号的结构
FSA就回到初始状态并开始寻找下一个同步字节这种串行接收的原理很容易实现如果用 C来写 ISR的话我们要声明一些变量来保存系统当前的状态给每个状态一个号码把号码保存在变量中当输入字节引发中断后 FSA
根据保存的系统状态决定系统的下一状态把状态变量的类型声明为 unsigned char 如果用汇编编写程序的话可以通过更加有效的跳转查表来完成但你会发现程序大小和执行速度不比用 C编写的程序好多少但如果你处理的是高速的串行通信系统就另当别论
图 0-4 接收 FSA
在本例中时钟以波特率 9600传送数据传送一个字节只需要1,042ms 晶振频率为
11.059MHz 指令执行周期为1,085us 在每个中断之间有 960个指令周期有足够的时间保存 FSA 下面是串行 ISR的代码列表 0-1
// 定义 FSA状态常量
#define FSA_INIT 0
#define FSA_ADDRESS 1
#define FSA_COMMAND 2
#define FSA_DATASIZE 3
#define FSA_DATA 4
#define FSA_CHKSUM 5
// 定义信号分析常量
#define SYNC 0x33
#define CLOCK_ADDR 0x43
// 定义输入命令
#define CMD_RESET 0x01
#define CMD_TIMESYNC 0x02
#define CMD_TIMEREQ 0x03
#define CMD_DISPLAY 0x04
#define CMD_ACK 0xFF
#define RECV_TIMEOUT 10 /* define the interbyte timeout */
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unsigned char
recv_state=FSA_INIT,// 当前状态
recv_timer=0,// 时间计数
recv_chksum,// 保存当前输入的校验值
recv_ctr,// 接收数据缓冲区的索引
recv_buf[35]; // 保存接受数据
unsigned char code valid_cmd[256]={ // 数组决定当前的命令字节是否有效
// 如果相应的输入是1 那么命令字节
// 有效
0,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 00 - 0F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 10 - 1F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 20 - 2F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 30 - 3F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 40 - 4F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 50 - 5F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 60 - 6F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 70 - 7F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 80 - 8F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 90 - 9F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// A0 - AF
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// B0 - BF
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// C0 - CF
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// D0 - DF
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// E0 - EF
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// F0 - FF
};
/*****************************************************************
功能,serial_int
描述,运行串行口 FSAs.
参数,none.
返回,nothing.
影响,none.
*****************************************************************/
void serial_int(void) interrupt 4 {
unsigned char data c;
if (_testbit_(TI)) {
// 处理发送任务
}
if (_testbit_(RI)) {
c=SBUF;
switch (recv_state) {
case FSA_INIT,// 是否是同步字节广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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if (c==SYNC) { // 是同步字节
recv_state=FSA_ADDRESS; // 进入下一个状态
recv_timer=RECV_TIMEOUT; // 最大间隔时间
recv_chksum=SYNC; // 设置初始化校验值
}
break;
case FSA_ADDRESS,// 是否是地址
if (c==CLOCK_ADDR) { // 是时钟地址
recv_state=FSA_COMMAND; // 进入下一个状态
recv_timer=RECV_TIMEOUT; // 最大时间间隔
recv_chksum+=c; // 保存校验值
} else { // 信息不是给时钟的
recv_state=FSA_INIT; // 回到初始状态
recv_timer=0; // 清除最大时间间隔
}
break;
case FSA_COMMAND,// 是否是命令
if (!valid_cmd[c]) { // 确认命令是否有效
recv_state=FSA_INIT; // 复位 FSA
recv_timer=0;
} else {
recv_state=FSA_DATASIZE; // 进入下一个状态
recv_chksum+=c; // 更新校验值
recv_buf[0]=c; // 保存命令
recv_timer=RECV_TIMEOUT; // 设置时间间隔
}
break;
case FSA_DATASIZE,// 发送的字节数
recv_chksum+=c; // 更新校验值
recv_buf[1]=c; // 保存字节数
if (c) { // 如果有数据段
recv_ctr=2; // 设置查询字节
recv_state=FSA_DATA; // 进入下一个状态
} else {
recv_state=FSA_CHKSUM;
}
recv_timer=RECV_TIMEOUT;
break;
case FSA_DATA,// 读入数据
recv_chksum+=c; // 更新校验值
recv_buf[recv_ctr]=c; // 保存数据
recv_ctr++; // 数据计数值
if ((recv_ctr-2)==recv_buf[1]) { // 接收数据计数器减偏移量
// 是否等于 datasize
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recv_state=FSA_CHECKSUM; // 数据接收完毕
}
recv_timer=RECV_TIMEOUT; // 设置时间间隔
break;
case FSA_CHECKSUM,// 读校验字节
if (recv_chksum==c) { // 核对校验字
c=1; // 用 c表明是否要建立应答信号
switch (recv_buf[0]) { // 按指令执行
case CMD_RESET,// 复位时钟为 0
break;
case CMD_TIMESYNC,// 设置时钟
break;
case CMD_TIMEREQ,// 报告系统
break;
case CMD_DISPLAY,// 显示 ASCII 信息
break;
}
if (c) {
// 应答
}
}
default:
recv_timer=0; // 复位 FSA
recv_state=FSA_INIT;
break;
}
}
}
所运行的代码充分反应了图 0-4中所展示的模型当然应该还有指令的执行代码和输出数据的代码这里只是给出你接收数据代码的结构向 PC回传数据更加简单由串行中断服务程序完成时钟假设,同一时刻 PC只会传送一个有效命令给它这样就不必担心维护一大堆输出数据了这个假设简化了这个例子当需要发送数据的时候只需要把数据放入发送缓冲区中并设置一个变量保存发送的字节数把第一个字节写入 SBUF并设置校验字节向 SBUF写第一个字节就像启动了水泵一样它将产生第一个中断当触发了第一个中断之后串行中断将自动完成数据的发送下面是串行口中断的代码结构列表 0-2
// 定义信号分析常量
#define SYNC 0x33
#define CLOCK_ADDR 0x43
unsigned char
trans_buf[7],// 保存输出数据
trans_ctr,// 数据缓冲区索引广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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trans_size,// 发送数据的个数
trans_chksum; // 计算输出校验
/*****************************************************************
功能,serial_int
描述运行串行口 FSAs
参数,无,
返回,无,
影响,无,
*****************************************************************/
void serial_int(void) interrupt 4 {
unsigned char data c;
if (_testbit_(TI)) { // 发送中断
trans_ctr++; // 增加数据索引
if (trans_ctr<trans_size) { // 数据是否发送完毕
if (trans_ctr==(trans_size-1)) { // 输出校验字节
SBUF=trans_chksum;
} else {
SBUF=trans_buf[trans_ctr]; // 发送当前字节
trans_chksum+=trans_buf[trans_ctr]; // 更新校验字节
}
}
}
if (_testbit_(RI)) {
c=SBUF;
switch (recv_state) {
// 接收 FSAs
case FSA_CHECKSUM,// 读校验字节
if (recv_chksum==c) { // 核对校验字节
c=1; // 用 c表明是否要建立应答信号
switch (recv_buf[0]) { // 执行指令
case CMD_RESET,// 复位时钟
break;
case CMD_TIMESYNC,// 设置时钟
break;
case CMD_TIMEREQ,// 报告时间
c=0;
break;
case CMD_DISPLAY,// 显示 ASCII 信息
break;
}
if (c) { // 建立应答
trans_buf[0]=SYNC; // 信息头
trans_buf[1]=CLOCK_ADDR;
trans_buf[2]=CMD_ACK;
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trans_buf[3]=1;
trans_buf[4]=recv_buf[1];// 被回应的命令
trans_ctr=0; // 设置缓冲区指针到第一个字节
trans_size=6; // 总共发送 6个字节
SBUF=SYNC; // 发送起始字节
trans_chksum=SYNC; // 初始化校验值
}
}
default:
recv_timer=0;
recv_state=FSA_INIT;
break;
}
}
}
如你所见输出数据的 ISR代码十分简单代码所占的空间也很小和接收数据一样校验字节也在数据的传输过程中建立
ISR程序在时钟系统的限制下顺利的运行注意中断中命令的执行可以避免设计上的很多问题串行中断服务程序和定时器中断服务程序一样都可以修改时间把这两个中断的优先级设为一样这样任何一个中断在修该时间的时候都不用担心另一个也在这么做对数据的处理可以在中断程序中但是命令的执行应该放到主程序中去执行因为这些命令的执行会花去太多的时间这样就很可能丢失其它的中断假设 PC送一系列字符给 LCD
显示时钟就有可能丢失一两个时标中断因为显示要花去很多时间在一些更复杂的系统中应该把输入数据放入队列中然后由主程序去处理在这里我们认为 PC直到被告知对方已收到当前信息后才发送下一个信息这样队列就仅仅是一个当前信息的缓冲区新的中断服务程序和以前的很相似不同之处在于当接收完毕数据之后它会把数据拷贝到另一个缓冲区中并置位缓冲区有效标志位以前在中断服务程序中的命令执行代码现在放到新的功能段中当主程序检测到第二个缓冲区中有数据的时候调用该功能段下面是新的 ISR代码列表 0-3
// 定义状态常量
#define FSA_INIT 0
#define FSA_ADDRESS 1
#define FSA_COMMAND 2
#define FSA_DATASIZE 3
#define FSA_DATA 4
#define FSA_CHKSUM 5
// 定义信号分析常量
#define SYNC 0x33
#define CLOCK_ADDR 0x43
// 定义命令常量广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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#define CMD_RESET 0x01
#define CMD_TIMESYNC 0x02
#define CMD_TIMEREQ 0x03
#define CMD_DISPLAY 0x04
#define CMD_ACK 0xFF
#define RECV_TIMEOUT 10 /*定义字节间的最大时间间隔 */
unsigned char
recv_state=FSA_INIT,// 当前状态
recv_timer=0,// 时间间隔计数
recv_chksum,// 输入数据的校验字节
recv_size,// 输入数据字节数
recv_ctr // 数据缓冲区指针
recv_buf[35]; // 输入数据缓冲区
unsigned char
trans_buf[7],// 输出数据缓冲区
trans_ctr,// 输出数据指针
trans_size,// 输出数据字节数
trans_chksum; // 输出数据的校验字节
unsigned char code valid_cmd[256]={ // 如果输入命令有效则为1
0,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 00 - 0F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 10 - 1F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 20 - 2F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 30 - 3F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 40 - 4F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 50 - 5F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 60 - 6F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 70 - 7F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 80 - 8F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 90 - 9F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// A0 - AF
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// B0 - BF
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// C0 - CF
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// D0 - DF
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// E0 - EF
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// F0 - FF
};
/*****************************************************************
功能,serial_int
描述,运行串行口 FSAs.
参数,无,
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返回无,
影响无,
*****************************************************************/
void serial_int(void) interrupt 4 {
unsigned char data c;
if (_testbit_(TI)) { // 输出中断
trans_ctr++; // 输出缓冲区指针加1
if (trans_ctr<trans_size) { // 数据是否输出完毕
if (trans_ctr==(trans_size-1)) { // 输出校验字节
SBUF=trans_chksum;
} else {
SBUF=trans_buf[trans_ctr]; // 输出当前字节
trans_chksum+=trans_buf[trans_ctr]; // u更新校验字节
}
}
}
if (_testbit_(RI)) {
c=SBUF;
switch (recv_state) {
case FSA_INIT:
if (c==SYNC) { // 同步字节
recv_state=FSA_ADDRESS; // 下一个状态
recv_timer=RECV_TIMEOUT;
recv_chksum=SYNC;
}
break;
case FSA_ADDRESS:
if (c==CLOCK_ADDR) { // 时钟地址
recv_state=FSA_COMMAND;
recv_timer=RECV_TIMEOUT;
recv_chksum+=c;
} else { // 不是给时钟的
recv_state=FSA_INIT; // 返回初始状态
recv_timer=0;
}
break;
case FSA_COMMAND:
if (!valid_cmd[c]) { //
recv_state=FSA_INIT; /
recv_timer=0;
} else {
recv_state=FSA_DATASIZE;
recv_chksum+=c;
recv_buf[0]=c; // s保存命令广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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recv_timer=RECV_TIMEOUT;
}
break;
case FSA_DATASIZE,// 字节的个数
recv_chksum+=c;
recv_buf[1]=c;
if (c) { // 是否有数据
recv_ctr=2;
recv_state=FSA_DATA;
} else {
recv_state=FSA_CHKSUM;
}
recv_timer=RECV_TIMEOUT;
break;
case FSA_DATA,// 读取数据
recv_chksum+=c;
recv_buf[recv_ctr]=c; // 保存数据
recv_ctr++;
if ((recv_ctr-2)==recv_buf[1]) { //数据接收完毕
recv_state=FSA_CHECKSUM;
}
recv_timer=RECV_TIMEOUT;
break;
case FSA_CHECKSUM,// reading in checksum
if (recv_chksum==c) { // 校验字节核对正确
memcpy(msg_buf,recv_buf,recv_buf[1]+2);
msg_buf_valid=1;
}
default,//复位
recv_timer=0;
recv_state=FSA_INIT;
break;
}
}
}
现在 ISR只负责分析输入数据和从如何缓冲区发送数据命令的执行代码被放入功能段中由主程序去调用下面为该功能段和主程序的代码列表 0-4
/*****************************************************************
Function,execute_cmd
Description,命令执行
Parameters,无,
Returns,无,
Side Effects,无,
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*****************************************************************/
void execute_cmd(void) {
bit need_ack=1;
switch (recv_buf[0])
case CMD_RESET,// 复位
EA=0; // 禁止中断
curtime.sec=curtime.min=curtime.hour=0;
timeholder=curtime;
EA=1; // 开放中断
break;
case CMD_TIMESYNC,// 设置时间
EA=0;
curtime.hour=recv_buf[3];
curtime.min=recv_buf[4];
curtime.sec=recv_buf[5];
timeholder=curtime;
EA=1;
break;
case CMD_TIMEREQ,// 报告时间
trans_buf[0]=SYNC;
trans_buf[1]=CLOCK_ADDR;
trans_buf[2]=CMD_TIMEREQ; // 发送当前时间
trans_buf[3]=3;
EA=0;
trans_buf[4]=curtime.hour;
trans_buf[5]=curtime.min;
trans_buf[6]=curtime.sec;
EA=1;
trans_ctr=0;
trans_size=8; // 发送 8个字节
need_ack=0;
break;
case CMD_DISPLAY,// 显示 ASCII
recv_buf[34]=0; // 在字符串最后设置一个空字符以结束显示
printf("\xFF%s",&recv_buf[2]); // 显示字符串
display_time=100;
break;
}
if (need_ack) { // 建立应答消息
trans_buf[0]=SYNC;
trans_buf[1]=CLOCK_ADDR;
trans_buf[2]=CMD_ACK;
trans_buf[3]=1;
trans_buf[4]=recv_buf[0];
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trans_ctr=0; // 发送数据指针
trans_size=6;
}
SBUF=SYNC; // 开始发送
trans_chksum=SYNC; // 校验字节
/*****************************************************************
Function,主程序
Description,初始化 8051 使能相应的中断源进入空闲模式
每次进入空闲模式之前是否要运行命令或更新显示
Parameters,无,
Returns,无,
*****************************************************************/
void main(void) {
disp_init(); // 初始化显示
TMOD=0x21; // 定时器 016位模式定时器1
// 为波特率发生器
TCON=0x55; // 开启定时器
TH1=0xFD; // 定时器1波特率为 9600
SCON=0x50; // 串行口模式1
IE=0x92; // 使能定时器 0中断
for (;;) {
if (_testbit_(msg_buf_valid)) { // 有没有新的数据
execute_cmd(); // 执行命令
}
if (disp_update) {
disp_time(); // 更新显示
}
PCON=0x01; // 进入空闲模式
}
}
上面在主程序中处理信息的方法实现起来十分简单在由输入输出驱动的中断系统中十分重要因为和 PC之间的接口相对比较慢主循环有足够的时间去执行其它的任务不可否认有很多系统的中断比时钟系统要多得多下面将讨论高速串行数据传输的应用
3 高速串行 I/O
前面所讨论的系统对时钟定期的查询从 PC来的串行信号并非每次都是针对时钟的因为总线上还有其它器件假设系统的设计者认为 PC正在忙于处理用户接口和数据所以和器件的通信很慢为了改进它设计一个基于 8051的简单系统这个电路的工作是代替 PC
作为主控器这个新器件称为系统监控器系统的框图看起来复杂一些原来的时钟系统不变
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图 0-5 新的串行网络仍然通过串行连接进行查询但波特率更高一些系统中的所有器件都使用11,059MHz
晶振串行口可彼此直接连接这意味着和 PC连接时所需要的分压和反向电路不再需要了电路图如下
图 0-6 8051作为高速从器件因为是和其它 8051相连 UART可用模式 2进行通信波特率将达到 345593.75baud 发送每个字节的时间为 31.829us 不到 30个指令周期而波特率为 9600时每发送一个字节需要1,04ms 因为发送时间缩短了器件之间的接口要稍做改动使总线上可容纳多个器件 8051的串行口被初始化为模式 2 一个起始位 8个数据位一个校验位一个停止位当处理器接收完前面的数据时校验位用来产生中断每个器件都要按这种格式输出数据还要依照以下条件第一每个信息的同步字节校验位必须置位第二信息中的其它字节的校验位必须清零当收到校验位为1的字节时所有器件都产生中断因为数据传送速度有了很大的提高时钟的串行接收过程将要有所改变当校验位置位的字节引发中断时其余的数据将被保存在数据队列中修改时钟的主程序来适应串行通信模式注意定时器 0不用来产生波特率可用做其它用途我们可以用它来对每个字节之间的时间间隔计时确保时钟不做无限制等待列表 0-5
// 信号常量
#define SYNC 0x33
#define CLOCK_ADDR 0x43
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// 命令常量
#define CMD_RESET 0x01
#define CMD_TIMESYNC 0x02
#define CMD_TIMEREQ 0x03
#define CMD_DISPLAY 0x04
#define CMD_ACK 0xFF
// 字节间的最大时间间隔1 28指令周期
#define TO_VAL 0x80
unsigned char data recv_chksum,// 校验字节
recv_buf[35]; // 输入数据
unsigned char trans_buf[7],// 输出数据
trans_ctr,// 输出数据缓冲区指针
trans_size,// 输出字节数
trans_chksum; // 输出校验字节
unsigned char code
0,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 00 - 0F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 10 - 1F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 20 - 2F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 30 - 3F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 40 - 4F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 50 - 5F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 60 - 6F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 70 - 7F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 80 - 8F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// 90 - 9F
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// A0 - AF
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// B0 - BF
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// C0 – CF
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// D0 - DF
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// E0 - EF
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,// F0 - FF
};
/*****************************************************************
Function,ser_xmit
Description,处理串行输出中断,
Parameters,none.
Returns,nothing.
Side Effects,none.
*****************************************************************/
void ser_xmit(void) {
trans_ctr++; // 移动输出缓冲区指针广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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if (trans_ctr<trans_size) { // 数据是否发送完毕
if (trans_ctr==(trans_size-1)) { // 发送校验字节
SBUF=trans_chksum;
} else {
SBUF=trans_buf[trans_ctr]; // 发送当前字节
trans_chksum+=trans_buf[trans_ctr]; // 更新校验字节
}
}
}
/*****************************************************************
Function,push_msg
Description,把当前数据入队列
Parameters,none.
Returns,nothing.
Side Effects,none.
*****************************************************************/
void push_msg(void) {
memcpy(msg_buf,recv_buf,recv_buf[1]+2);
msg_buf_valid=1; // 缓冲区数据有效
recv_chksum=SYNC+CLOCK_ADDR;
}
/*****************************************************************
Function,execute_cmd
Description,执行发送过来的命令
Parameters,none.
Returns,nothing.
Side Effects,none.
*****************************************************************/
void execute_cmd(void) {
bit need_ack=1;
switch (recv_buf[1])
case CMD_RESET,// 复位时钟
EA=0; // 更改时间是禁止中断
curtime.sec=curtime.min=curtime.hour=0;
timeholder=curtime;
EA=1;
break;
case CMD_TIMESYNC,// 设置时钟
EA=0;
curtime.hour=recv_buf[3];
curtime.min=recv_buf[4];
curtime.sec=recv_buf[5];
timeholder=curtime;
EA=1;
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break;
case CMD_TIMEREQ,// 报告时间
trans_buf[0]=SYNC;
trans_buf[1]=CLOCK_ADDR;
trans_buf[2]=CMD_TIMEREQ;
trans_buf[3]=3;
EA=0;
trans_buf[4]=curtime.hour;
trans_buf[5]=curtime.min;
trans_buf[6]=curtime.sec;
EA=1;
trans_ctr=0;
trans_size=8; // 一共 8位
need_ack=0;
break;
case CMD_DISPLAY,// 显示 ASCII 字符
recv_buf[34]=0;
printf("\xFF%s",&recv_buf[2]); // 显示字符串
display_time=100; // 设置显示时间为 5秒
break;
}
if (need_ack) { // 建立应答消息
trans_buf[0]=SYNC;
trans_buf[1]=CLOCK_ADDR;
trans_buf[2]=CMD_ACK;
trans_buf[3]=1;
trans_buf[4]=recv_buf[1];
trans_ctr=0;
trans_size=6; // 一共发送 6个字节
}
SBUF=SYNC; // 发送第一个字节
trans_chksum=SYNC; // 初始化校验字节
}
/****************************************************************
Function,main
Description,主程序的入口初始化 8051 设置中断
进入空闲模式每次中断后查看是否要
更新显示
Parameters,None.
Returns,Nothing.
****************************************************************/
void main(void) {
disp_init(); // 设置显示
TH1=TO_VAL; // 设置时间间隔广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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TMOD=0x21; // 定时器1为 8位模式
// 定时器 0为1 6位模式
TCON=0x15;
SCON=0xB0; // UART模式 2
IE=0x92; // 使能串行口和定时器中断
for (;;) {
if (_testbit_(msg_buf_valid))
execute_cmd();
}
if (disp_update) {
disp_time(); // 显示新时间
}
PCON=0x01; // 进入空闲模式
}
}
图 0-7 新的 FSA
主程序的改变相对比较简单另外处理串行传输中断的代码在新的串行中断服务程序中功能函数 push_message 提供给 ISR使用它把目前的数据拷贝到队列中供以后使用如果说这些改变都比较简单的话中断程序的改变就比较多了现在中断函数必须用汇编语言编写当 TI引起中断时将调用 C函数 ser_xmit发送下一个字节当接收数据时因为每个字节之间相隔的时间很短所以要用汇编来编写下面是用汇编编写的新的 ISR的列表注意定时器 0现在用来为每个接收字节间隔时间的定时如果定时器溢出当前的接收过程停止 FSA回到初始状态如图 0-7 避免无限制的等待用汇编来编写代码保证了不会因为代码过长而丢失数据 UART在模式 2下每个字节之间间隔的时间很短不到 30个指令周期如果你在从 SBUF中读取数据前用去了超过 30
个指令周期那么你就丢失了一个字节因此每个指令周期都很宝贵下面是新的代码列表 0-6
EXTRN DATA (recv_chksum) ; 用来校验输入数据
EXTRN DATA (recv_buf) ; 存放输入数据
EXTRN CODE (ser_xmit) ; 处理发送中断
EXTRN CODE (valid_cmd) ; 执行命令广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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EXTRN CODE (push_msg) ; 把数据拷贝到队列中
SYNC EQU 33H
CLK_ADDR EQU 43H
CSEG AT 23H
ORG 23H
LJMP SER_INTR ; 装载中断服务程序
PUBLIC SER_INTR
PR?SER_INTR?SER_INTR SEGMENT CODE
RSEG?PR?SER_INTR?SER_INTR;*****************************************************************; Function,readnext; Description,从串行口读入数据如果超时置位进位标志; Parameters,none.; Returns,读取的数据放入 R0所指向的地址中; Side Effects,none.;*****************************************************************
readnext,CLR C ; 清除返回标志位
MOV TL1,TH1 ; 使用 T1作为时间间隔计时器
SETB TR1
RN_WAIT,JBC RI,RN_EXIT ; 如果 RI 置位,接收到一个字节
JBC TF1,RN_TO ; 等待时间是否溢出
RN_TO,SETB C ; 置位时间溢出标志位
CLR TR1
RET
RN_EXIT,MOV A,SBUF
CLR TR1
RET;*****************************************************************; Function,SER_INTR; Description,8051 的串行口中断; Parameters,none.; Returns,nothing.; Side Effects,none.;*****************************************************************
SER_INTR,JBC RI,RECV_INT ; 是否是接收中断
CHK_XMIT,JBC TI,XMIT_INT ; 是否是发送中断
RETI
XMIT_INT,LCALL ser_xmit
RETI; 根据堆栈中的数据多少; 跳转到下面代码段相应; 的位置广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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CHK_XMIT3,POP DPL
POP DPH
CHK_XMIT2,POP 00H
CHK_XMIT1,POP ACC
SETB SM2
JMP CHK_XMIT ; 恢复堆栈后检测发送中断
RECV_INT,PUSH ACC
MOV A,SBUF ; 保存接收的数据
CJNE A,#SYNC,CHK_XMIT1 ; 如果不是同步字节; 则退出接收程序
CLR SM2 ; 清除校检位
PUSH 00H
MOV R0,#recv_buf ; 把接收缓冲区的基址装入 R0
CALL readnext ; 读下一个字节
JC CHK_XMIT2 ; 定时器溢出
CJNE A,#CLK_ADDR,CHK_XMIT2 ; 一定要是时钟地址
CALL readnext
JC CHK_XMIT2
PUSH DPH
PUSH DPL
MOV DPTR,#valid_cmd ; 确认命令字节的有效性
MOVC A,@A+DPTR ; 用命令字节作为偏移量
JZ CHK_XMIT3 ; 如果表中的值是1; 那么命令有效
MOV @R0,A ; 保存命令字节
ADD A,recv_chksum ; 更新校验字节
MOV recv_chksum,A
INC R0 ; 移动数据指针
CALL readnext ; 接收字节数量
JC CHK_XMIT3
MOV @R0,A ; 保存数据
ADD A,recv_chksum
MOV recv_chksum,A
MOV A,@R0 ; 如果字节数为 0 接收; 校验位
JZ RECV_CHK
MOV DPL,A ; 保存字节数作为计数器
RECV_DATA,INC R0 ; 移动指针
CALL readnext
JC CHK_XMIT3
ADD A,recv_chksum
MOV recv_chksum,A
DJNZ DPL,RECV_DATA ; 是否还有要接收的字节
RECV_CHK,CALL readnext
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JC CHK_XMIT3
CJNE A,recv_chksum,CHK_XMIT3 ; 接收数据有效
CALL push_msg ; 数据正确放入队列
JMP CHK_XMIT3
END
上面的代码很小有两个优点第一每个字节之间花费的指令周期很少第二代码简洁好维护查询和接收字节判断间隔时间溢出都被放入功能 _readnext中这个功能等待下一个字节如果间隔时间溢出的话置位无效标志位接收到的字节被放入累加器中检查标志位就可知道累加器中的数据是否有效如果 readnext返回无效值就退出数据接收过程用累加器来返回接收值可直接对该值进行很多检测操作如果要把值存到其它地方只须直接从累加器中移出在这个主从系统中时钟是作为从设备对从设备来说因为总线由主设备控制所以通信控制比较简单对主设备来说控制也不复杂从设备只有在主设备的命令下才能进行通信这样就避免了冲突下一章我们将讨论在没有主设备的串行通信系统中如何避免冲突
4 结论本章介绍了如何在 8051的模块之间 8051和 PC之间进行通信的简单串行连接 PC的接口很简单但可以完成这个工作如果你想要更加完整的 RS-232接口有很多专门的接口芯片像 National Semiconductor公司的芯片等可以进行接口电平转换下一章我们将讨论比现在更加复杂的利用 UART进行网络通信设计如果你的系统需要进行大量通信的话将会对此很感兴趣广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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第八章 8051的网络设计
1 复合串行端口假设第 8章的串行系统的主控器需要把从设备的数据传送到监视器中又因为接口的复杂性监视器是一台 PC PC将定期的送数据和命令给串行通信控制器系统监视器然后系统监视器返回 PC所需要的数据系统监视器和 PC之间的连接就和从设备与系统监视器的连接一样但有两处不同第一 PC初始化所有的串行通信系统监视器初始化所有挂接在它上面的从设备的串行通信第二 PC使用标准的 RS-232串行通信协议这样系统监视器准备在任何时候接收从 PC传送过来的波特率为 9600的1 0位结构数据这对它来说是个挑战因为它还要不断的查询它的从设备对系统监视器来说可以采取两种方法第一种是增加一个 RS-232类型的 UART接口当有数据输入或输出时它将产生一个中断第二种方法是复用 8051的 UART接口这个接口同时为 PC和系统监视器的从设备提供通信服务一般来说那些认为越便宜部件越少就越好的人都会选择第二种方法毕竟这省去了一个外部 UART接口且不用为它提供1 2V的电压然而第二种方法却使软件的设计变得十分的复杂软件虽然能够解决问题但不是最好的当系统监视器正在和它的从设备通信时将不能接收从 PC发送过来的消息为了改进这种情况 PC必须能够识别系统监视器不能接收消息的情况发送方将再传送一遍数据同时系统监视器的串行控制也将保证 PC有最高的通信优先级当系统监视器没有在和从设备通信时它将准备接收从 PC发送过来的数据除了改变串行通信模式和波特率来适应同时和 PC 从设备通信外系统监视器的设计还要有门限制确保同一时间内只和一个设备传输数据系统监视器的设计见图 0-1
图 0-1 复用串行口系统监视器的软件的串行中断服务程序接收从 PC发过来的数据时采用的波特率为
9600 这部分代码可以使用第 8章的时钟程序代码为了简单我们设 PC和系统监视器像第 8章那样采用同样的数据格式串行中断服务程序的编写一定要高效第 8章所使用的两种串行中断服务程序中接收数据的方法都要使用当串行口的波特率为 9600时接收过程是由中断驱动的一小段汇编代码在进入中断后根据标志位决定调用什么处理程序当标志位表明串行口波特率应使广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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用 9600时执行用 C编写的程序这时系统很多时间处于空闲模式等待中断当波特率应为 300K时则调用汇编编写的处理程序你应该记得汇编代码不断查询输入的数据因为每个字节间的时间间隔不足 30个指令周期当波特率为 9600时每个字节之间的时间间隔比较长所以使用中断驱动方式当数据传输速度很快时就要采用汇编编写的程序了列表 0-1
/*****************************************************************
Function,ser_9600
Description,当串行口波特率为 9600时使用该接收程序
Parameters,无,
Returns,无,
Side Effects,无,
*****************************************************************/
void ser_9600(void) {
if (_testbit_(TI)) { // 调用发送处理程序
ser_xmit();
}
if (_testbit_(RI)) { // 调用接收处理程序
ser_recv();
}
}
/*****************************************************************
Function,ser_recv
Description,当波特率为 9600时在中断服务程序中接收数据
Parameters,无,
Returns,无,
Side Effects,无,
*****************************************************************/
void ser_recv(void) {
unsigned char c,temp;
c=SBUF;
switch (recv_state) {
case FSA_INIT,// 接收同步字节
if (c==SYNC) { // 检查同步字节
recv_state=FSA_ADDRESS; // 下一个状态
recv_timeout=RECV_TIMEOUT; // 最大间隔时间
recv_chksum=SYNC; // 初始化校验值
}
break;
case FSA_ADDRESS,// 接收地址
if (c==SM_ADDR) { // 确认地址
recv_state=FSA_COMMAND; // 下一个状态
recv_timeout=RECV_TIMEOUT; // 最大时间间隔
recv_chksum+=c; // 维护校验值广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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} else { // 数据不是给时钟的
recv_state=FSA_INIT; // 回到初始状态
recv_timeout=0;
}
break;
case FSA_COMMAND,// 接收命令字节
if (!valid_cmd[c]) { // 命令字节是否有效
recv_state=FSA_INIT; // 命令字节无效
recv_timeout=0;
} else {
recv_state=FSA_DATASIZE; // 下一个
recv_chksum+=c; // 更新校验字节
recv_buf[0]=c; // 保存命令
recv_timeout=RECV_TIMEOUT; // 最大时间间隔
}
break;
case FSA_DATASIZE,// 接收字节的数量
recv_chksum+=c;
recv_buf[1]=c; // 保存字节数
if (c) { // 是否有数据
recv_ctr=2; // 设置接收缓冲区
recv_state=FSA_DATA; // 进入接收数据状态
}else {
recv_state=FSA_CHKSUM; // 进入校验状态
}
recv_timeout=RECV_TIMEOUT;
break;
case FSA_DATA,// 读取数据
recv_chksum+=c;
recv_buf[recv_ctr]=c; // 保存数据 save data byte
recv_ctr++; // 更新缓冲区更新缓冲区指针
if ((recv_ctr-2)==recv_buf[1]) { // 数据是否接收完毕
recv_state=FSA_CHKSUM;
}
recv_timeout=RECV_TIMEOUT;
break;
case FSA_CHKSUM:
if (recv_chksum==c)
push_msg();
}
default:
recv_timeout=0;
recv_state=FSA_INIT;
break;
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}
}
/*****************************************************************
Function,ser_xmit
Description,处理串行发送中断
Parameters,无,
Returns,无,
Side Effects,无,
*****************************************************************/
void ser_xmit(void) {
trans_ctr++; // 输出数据缓冲区指针加1
// 数据是否发送完毕
if (trans_ctr < ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head].size) {
// 最后发送校验字节
if (trans_ctr == (ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head]
,size-1)) {
SBUF=trans_chksum;
} else {
// 发送当前字节
SBUF=ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head].buf[trans_ctr];
// 更新校验字节
trans_chksum+=ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head]
,buf[trans_ctr];
}
} else { // 数据发送完毕
// 如果没有应答
// 再次发送
if (!ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head].retries) {
if (queue_pop(XMIT_QUEUE)) { // 输出后面的数据
check_stat();
}
} else {
xmit_timeout=XMIT_TIMEOUT; // 设置应答时间间隔计数
}
}
}
处理高速串行口中断代码的汇编源程序如下列表 0-2; 文件名,SERINTR.A51
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EXTRN DATA (uart_mode) ; 写入 SCON 的值
EXTRN BIT (baud_9600) ; 波特率为 9600时置位
EXTRN DATA (recv_chksum) ; 计算输入数据的校验值
EXTRN DATA (recv_buf) ; 存放输入数据
EXTRN CODE (ser_xmit) ; 处理串行发送中断子程序
EXTRN CODE (valid_cmd) ; 决定命令是否有效的表格
EXTRN CODE (push_msg) ; 把完整的消息放入消息队列中
EXTRN CODE (ser_9600) ; 处理慢速串行通信
SYNC EQU 33H ; 同步字节
SM_ADDR EQU 40H ; 时钟地址
CSEG AT 23H
ORG 23H
LJMP SER_INTR
PUBLIC SER_INTR
PR?SER_INTR?SER_INTR SEGMENT CODE
RSEG?PR?SER_INTR?SER_INTR;*****************************************************************; Function,readnext; Description,从串行口中读入一个字节; returns,时间溢出置位标志位; Parameters,无,; Returns,R0所指向地址内的字节; Side Effects,无,;*****************************************************************
readnext,CLR C ; clear the return flag
MOV TL1,TH1 ; T1为时间间隔定时器
SETB TR1 ; 开始定时
RN_WAIT,JBC RI,RN_EXIT ; 等待接收的数据
JBC TF1,RN_TO ; 时间间隔溢出
RN_TO,SETB C ; 时间溢出置位标志位
CLR TR1 ; 停止定时器
RET
RN_EXIT,MOV A,SBUF
CLR TR1
RET;*****************************************************************; Function,SER_INTR; Description,8051的串行口中断服务程序; Parameters,无,; Returns,无,; Side Effects,无,;*****************************************************************
SER_INTR,JNB baud_9600,FAST_ISR ; 选择正确的处理过程
LCALL ser_9600
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RETI
FAST_ISR,JBC RI,RECV_INT ; 接收中断
CHK_XMIT,JBC TI,XMIT_INT ; 发送中断
RETI
XMIT_INT,LCALL ser_xmit ; 处理发送中断
RETI; 根据推入堆栈中的; 数据多少跳转到下面的; 相应的位置
CHK_XMIT3,POP DPL
POP DPH
CHK_XMIT2,POP 00H
CHK_XMIT1,POP ACC
MOV SCON,uart_mode ; 确保恢复校检位
JMP CHK_XMIT
RECV_INT,PUSH ACC ; 用累加器来保存数据
MOV A,SBUF ; 保存输入数据
CJNE A,#SYNC,CHK_XMIT1 ; 如果不是同步字节; 退出接收程序
PUSH 00H ; 保存 R0
MOV R0,#recv_buf ; 把接收缓冲区地址的基址保存在 R0中
CALL readnext ; 读下一个数据
CJNE A,#SM_ADDR,CHK_XMIT2 ; 一定要是时钟的地址
CLR SM2 ; 校检位
CALL readnext ; 取下一个字节
PUSH DPH ; 保存 DPTR
PUSH DPL
MOV DPTR,#valid_cmd ; 准备确认命令是否有效
MOVC A,@A+DPTR
JZ CHK_XMIT3 ; 如果表中相应的位为 0; 这是一个无效的命令
MOV @R0,A ; 保存命令
ADD A,recv_chksum ; 更新校验字节
MOV recv_chksum,A
INC R0 ; 移动缓冲区指针
CALL readnext ; 下一个字节
MOV @R0,A ; 保存要接收的字节的个数
ADD A,recv_chksum ; 更新校验字节
MOV recv_chksum,A
MOV A,@R0 ; 如果字节个数是 0; 进入校验状态广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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JZ RECV_CHK
MOV DPL,A ; 设置计数器
RECV_DATA,INC R0 ; 缓冲区指针加1
CALL readnext
ADD A,recv_chksum
MOV recv_chksum,A
DJNZ DPL,RECV_DATA ; 数据是否接收完毕
RECV_CHK,CALL readnext ; 接收校验字节
CJNE A,recv_chksum,CHK_XMIT3 ; 接收的数据是否正确
LCALL push_msg ; 接收数据正确; 把数据保存到队列
JMP CHK_XMIT3
END
系统监视器软件将使用时钟的时标过程当计时到一定的数量后系统监视器开始查询它的从设备时间一到如果总线可用作高速波特率传输时系统监视器将初始化和第一个串行从设备之间的通信否则把数据存入队列等待串行总线空闲列表 0-3
/****************************************************************
Function,system_tick
Description,定时器 0的中断服务程序每 50ms中断一次
在中断程序中对那些需要定时的功能函数
进行计数
Parameters,无,
Returns,无,
*****************************************************************/
void system_tick(void) interrupt 1 {
TR0=0; // 停止定时器
TH0=RELOAD_HIGH; // 重装定时器
TL0=RELOAD_LOW;
TR0=1; // 开始计时
if (poll_time) { // 是否开始查询从器件
poll_time--;
if (!poll_time) {
poll_time=POLL_RATE;
start_poll(); // 开始查询
}
}
if (xmit_timeout) { // 在发送队列中的最前面的消息
// 是否还没收到应答
xmit_timeout--;
if(!xmit_timeout) { // 重试
ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head].retries--;
if (ser_queue[XMIT_QUEUE]
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,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head].retries) {
// 重新发送一遍消息
SCON=uart_mode=ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head]
,uart_mode;
ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head]
,status=STAT_SENDING;
SBUF=ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head].buf[0];
trans_ctr=0; // 缓冲区指针指向第一个字节
// 设置发送字节数
trans_size=ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head].size;
// 设置消息校验字节
trans_chksum=ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head]
,buf[0];
} else { // 可重复次数为 0
//这个消息已经处理完毕
if (queue_pop(XMIT_QUEUE)) { //清除该消息
// 是否还有待处理的消息
// 确认该消息可以使用串行口
// 如果该消息的 UART模式和
// 当前 UART的模式一样或接收状态空闲
// 则该消息可使用 UART
check_stat(); // 开始消息发送
} else { // 设置 UART模式
// 从 PC中接收数据
TH1=TO9600_VAL;
TR1=0;
TL1=TH1; // 重装定时器 UART马上有正确
// 的波特率输出
TF1=0;
TR1=1;
baud_9600=1;
P1=0x09; // 允许 PC I/O
}
}
}
}
if (recv_timeout) { // 检测接收间隔时间溢出
recv_timeout--;
if (!recv_timeout) { // 超过间隔时间,..
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recv_state=FSA_INIT; // 重新置位 FSA
check_stat();
}
}
}
/*****************************************************************
Function,start_poll
Description,把对系统从器件查询所需要的消息装入发送队列中
Parameters,无,
Returns,无,
*****************************************************************/
void start_poll(void) {
unsigned char i,temp;
// 为每个从器件建立一个消息
for (i=0; i<NUM_SLAVES; i++) {
temp=queue_push(XMIT_QUEUE); // 得到队列元素指针
if (temp!=0xFF) { // 存储区分配成功
// 建立消息
memcpy(ser_queue[XMIT_QUEUE].entry[temp].buf,
slave_buf[i],
slave_buf[i][3]+4);
// 设置消息大小字节
ser_queue[XMIT_QUEUE].entry[temp].size=slave_buf[i][3]+5;
// 消息重发次数为 3
ser_queue[XMIT_QUEUE].entry[temp].retries=3;
// 设置串行通信模式
ser_queue[XMIT_QUEUE].entry[temp].uart_mode=BAUD_300K;
// 设置消息状态
ser_queue[XMIT_QUEUE].entry[temp].status=STAT_WAITING;
}
}
check_stat(); // 下一个消息是否可以
// 开始使用 UART
}
在两个串行通信模式中都使用了定时器1 在波特率为 9600的模式下定时器1作为串行口的波特率发生器接收字节之间的时间间隔由定时器 0产生的时标来计算在 300K波特率模式下定时器1用作接收字节间的时间间隔计算定时器1的复用意味着当串行口的模式改变时必须仔细的改变定时器1的重装值很重要的一点是当改变定时器的工作方式使之作为 9600的波特率发生器时当模式一改变马上把 TH1中的数装入定时器1的低字节中还有就是你不会立即得到 9600的波特率如果这个小细节被忽视的话你的第一个字节可能会丢失串行口在这里作为系统资源每个要发送的数据都在发送队列中排队等待发送队列中的头消息在下列情况下可以使用串行口一当串行口空闲时如发送和接收都在空闲状态时二当发送状态是空闲时而串行口正在调整接收消息的波特率并且一个消息正广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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在被接收每次当一个接收消息被推入发送队列时因为接收状态那时为空闲每个接收消息被弹出队列时因为它可能是发送队列中消息的应答需要清除和消息超时时都要检查发送队列的头消息这样确保了 UART及时的被每个消息所使用执行这项任务的功能见表 0-4
Listing 0-4
/*****************************************************************
Function,check_stat
Description,检测发送缓冲区头信号是否正在等待串行口和是否可以开始发送如果是的话就开始发送
Parameters,无,
Returns,无,
Side Effects,无,
*****************************************************************/
void check_stat(void) {
if (ser_queue[XMIT_QUEUE].head!=UNUSED) {// 是否有消息
// 正在等待发送,..
// 检测它的状态
if (ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head]
,status == STAT_WAITING) {
// 正处于等待状态
// 可否占用串行口
if (recv_state==FSA_INIT ||
(uart_mode == ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head]
,uart_mode)) {
// 开始传送消息
SCON=uart_mode=ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head]
,uart_mode;
if (uart_mode==BAUD_300K) { // 确认定时器1正常
// 重装
TH1=TO300K_VAL;
baud_9600=0;
P1=0x06; // 使能从器件 I/O
} else {
TH1=TO9600_VAL;
TR1=0;
TL1=TH1; // 重装定时器 UART马上有正确
// 的波特率输出
TF1=0;
TR1=1;
baud_9600=1;
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P1=0x09; // 使能 PC I/O
}
ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head]
,status=STAT_SENDING;
SBUF=ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head].buf[0];
trans_ctr=0; // 缓冲区指针指向第一个字节
trans_size=ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head].size;
trans_chksum=ser_queue[XMIT_QUEUE]
,entry[ser_queue[XMIT_QUEUE].head].buf[0];
}
}
}
}
当接收成功时所有接收来的消息都被推入接收队列中主循环检测接收队列是否还有没被接收完毕的消息如果有,则调用相关的函数对队列的头消息进行操作从 PC传送过来的命令一般让串行监视器传送数据给从器件然后发送应答信号给 PC 这些应答信号在接收过程中被建立然后推入传送队列中如果消息是从 PC或从器件传送来的应答或数据将检测消息是否符合在发送队列头中的消息如果符合发送队列头被弹出开始传输下一个消息这个功能的基本结构见列表 0-5
Listing 0-5
/*****************************************************************
Function,push_msg
Description,把当前消息放入串行消息队列中确保波特率为 9600,
T1处于自动重装模式
Parameters,无,
Returns,无,
Side Effects,无,
*****************************************************************/
void push_msg() {
unsigned char temp;
temp=queue_push(RECV_QUEUE); // 在队列中分配存储空间
if (temp!=0xFF) { // 存储空间分配成功
// 拷贝数据
memcpy(ser_queue[RECV_QUEUE].entry[temp].buf,recv_buf,
recv_buf[1]+2);
// 消息大小
ser_queue[RECV_QUEUE].entry[temp].size=recv_buf[1]+2;
// 消息状态
ser_queue[RECV_QUEUE].entry[temp].status=STAT_IDLE;
// 重发次数为 0
ser_queue[RECV_QUEUE].entry[temp].retries=0;
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// 记录当前串行模式
ser_queue[RECV_QUEUE].entry[temp].uart_mode=uart_mode;
}
recv_chksum=SYNC+SM_ADDR; // 设置校验字节
recv_state=FSA_INIT; // 初始化接收状态
check_stat(); // 是否可以开始发送下一个数据
}
/*****************************************************************
Function,ser_exec
Description,处理所有的输入消息,
Parameters,无,
Returns,无,
*****************************************************************/
void ser_exec() {
#ifdef USEEXEC
do {
switch (ser_queue[RECV_QUEUE].entry[head].buf[1]) {
,..
}
} while (ser_queue(RECV_QUEUE)); // 是否处理完所有消息
#endif
check_stat(); // 是否可以开始发送
}
2 队列实行因为串行监视器必须快速的输入输出消息所以建立一组,entries”的消息队列每个
entry存放一个消息分别用一个字节表示消息的大小如果没有应答的话重发送消息的次数 UART的模式及相关的状态状态变量决定消息什么时候使用 UART 在发送模式下什么时候释放 UART 在接收模式下状态字节没什么用这些消息的数组有一定的大小并提供了指向消息的头指针和尾指针通过分配一个字节给头指针和尾指针避免了所有的指针运算列表 0-6
typedef struct { // 结构定义
unsigned char buf[MSG_SIZE]; // 消息数据
unsigned char size,// 消息大小
retries,// 重复次数
uart_mode,// UART模式
status; // 当前消息的状态
} entry_type;
typedef struct { // 定义队列
unsigned char head,// 队列头
tail; // 队列尾
entry_type entry[QUEUE_SIZE]; // 队列的元素为 entry结构广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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} queue_type;
extern queue_type ser_queue[2];// 一个发送和一个接收队列正常情况下像队列这种数据结构应该从堆中动态的分配和释放存储空间 Keil在它的软件包中提供动态分配函数但是应该尽量避免使用它其实队列就是分配了大小的数组这样推入和弹出操作就很容易实现使用指针对对列中的元素进行访问消息从队列头弹出从队列尾压入用一些简单的方法防止队列溢出列表 0-7
/*****************************************************************
Function,queue_push
Description,在循环队列中分配一个 entry结构
Parameters,queue - unsigned char,可用的队列,
Returns,如果分配成功返回指针否则返回 0xFF
Side Effects,none.
*****************************************************************/
unsigned char queue_push(unsigned char queue) {
unsigned char temp;
if (ser_queue[queue].head==UNUSED) { // 如果队列是空的
// 分配头指针为 0
ser_queue[queue].head=ser_queue[queue].tail=0;
return 0;
}
temp=ser_queue[queue].tail; // 保存尾指针值
// 尾指针值加1
ser_queue[queue].tail=(ser_queue[queue].tail+1) % QUEUE_SIZE;
// 确保尾指针和头指针不重叠
if (ser_queue[queue].head == ser_queue[queue].tail) {
ser_queue[queue].tail=temp; // 没有可分配的空间
return 0xFF;
}
return ser_queue[queue].tail; // 返回分配存储空间的地址
}
/*****************************************************************
Function,queue_pop
Description,把数据从循环队列中弹出
Parameters,queue - unsigned char,可用队列
Returns,如果队列已空返回 0 如果队列中还有数据返回1
Side Effects,无,
*****************************************************************/
bit queue_pop(unsigned char queue) {
// 头指针加1
ser_queue[queue].head=(ser_queue[queue].head+1) % QUEUE_SIZE;
// 如果头指针等于尾指针广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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// 队列已空
if (((ser_queue[queue].head-ser_queue[queue].tail)==1) ||
(!ser_queue[queue].head &&
(ser_queue[queue].tail==QUEUE_SIZE-1))) {
ser_queue[queue].head=ser_queue[queue].tail=UNUSED;
return 0;
}
return 1;
}
响应输入消息的代码留给读者自己去设计根据你项目的需要写入相应的代码每个输入的消息将和发送队列的头消息该消息正在等待应答进行比较如果相符合就清除发送队列中的头消息但接收队列中的消息并非都是发送队列中头消息的应答它有可能是来自 PC的命令这时可能需要发送一些数据给从器件和发送应答消息给 PC 在发送队列中建立这些消息并排队等待发送
3 使用内置定时器作 TDMA控制很多通信系统不能简单采用像上面那种使用系统监视器的查询方式采用查询方式的缺点在于当网络上的器件很多时查询方式将浪费很多时间将有大量的数据从主设备发送到从器件当从器件之间需要通信时也要经过主控器我们要通过一种新的串行网络设计来解决这些问题新设计的主要不同点是从器件之间可以直接进行通信而不再是只和系统监视器进行数据传输在网络上传输的所有消息都能被从器件监听到这将影响从器件的设计方式首先它们的通信能力必须得到增强因为它们将直接彼此进行通信而不再需要主控器作为过度此外每个器件上串行中断的数量将大大增多连接这些器件的网络拓扑结构如下
图 0-2 网络拓扑结构和前面的网络结构相比不见了系统监视器 PC也直接连接在网络中它将从网络中收集它所需要的数据因为 PC连接在网络上所以网络的通信波特率采用 9600 网络上的器件可以和任何其它器件进行通信通信权轮流分配首先是节点1 然后是节点 2…节点 n 再是节点1 这样无限循环当轮到某个器件通信时它能发送数据给其它任何器件当通信时间结束后必须释放总线的控制权这是 TDMA Time Divion-Multiple Access 网络通信的基本原则设计中每个节点都被分配了一个时间段号码用于通信时间段是一个基本单位时间基本单位时间的选择根据所要发送数据量的大小来决定在这里我们把时间段设置成
50ms 知道了时间段号码总的时间段数量和时间段的大小可以很容易用软件跟踪每个时间段并对时间段计数当计到自己的号码时就开始发送数据用 51系列单片机来实现这个简单的 TDMA网络现假设所有器件同时启动这样在上电时使得系统取得同步在实际系统中可以使用很多方法来取得系统同步广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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TDMA网络节点基本硬件的设计十分简单在这个例子中一排 8脚 DIP开关和 P1端口相连端口的低位决定器件的时段号高位决定网络的器件号这个 TDMA网络的时段宽度为
50ms
网络上两个器件之间的交谈是很简单的假设从器件1想从从器件 2处取得一些数据从器件1在它的的时段中向从器件 2发送请求数据消息从器件 2接收并分析从器件 2发送过来的消息当确认消息有效时把消息放入接收队列中处理从器件 2的代码将产生相应的应答消息把这个应答消息放入发送队列中当从器件 2的时间段来临时把消息发送出去与此同时从器件1计时等待从器件 2反馈的数据这样就避免了无限制的等待当网络上节点的时间段来临的时候它会发送尽可能多的数据例如如果发送队列中有 5个消息它不会仅仅只发送一个消息而会充分利用这 50ms的时间把尽可能多的消息发送出去如果这个时间段中只能发送 3个消息另外两个消息就等到下一个时间段再发送网络节点的通信程序比较简单可从系统监视器网络的代码演变过来下面是系统初始化的主程序列表 0-8
/*****************************************************************
Function,main
Description,程序入口,初始化 8051,使能中断源
然后进入空闲模式
Parameters,无,
Returns,无,
*****************************************************************/
void main(void) {
slotnum=P1 & 0x0F; // 得到节点的时段号码
slottot=P1 / 16; // 得到总的节点数
TH1=TO9600_VAL; // 设置定时器1的重装值
TH0=RELHI_50MS; // 设置定时器 0的值
TL0=RELLO_50MS;
TMOD=0x21; // 定时器 0为1 6位工作方式
// 定时器为 8位自动重装方式
TCON=0x55; // 定时器开始运行两个外部中断都为
// 边沿触发方式
SCON=BAUD_9600; // UART 工作为模式 2
IE=0x92; // 使能定时器 0中断
// 和串行口中断
init_queue(); // 清空所有队列
for (;;) {
if (tick_flag) { // 检测系统时标
system_tick();
}
if (rcv_queue.head!=UNUSED) { // 如果接收队列中有消息
ser_exec(); // 就对它进行处理
}
PCON=0x01; // 进入空闲模式广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
129
}
}
每当定时器 0中断把标志位置位后从主程序中调用 ’system_tick’ 时标函数不再在定时器 0的中断服务程序中执行因为 ISR还要对系统时段计数而且要非常精确保证不溢出时段的边界中断程序用汇编编写每条指令的执行周期都要精确的计算列表 0-9
EXTRN BIT (tick_flag) ; 表明一个中断已经产生
EXTRN CODE (start_xmitt) ; 节点时段到了,..
EXTRN XDATA (curslot) ; 跟踪当前时段; 基于系统工作频率11,059MHz的定时器重装值使定时器每 50ms溢出一次; 注意重装要延时 9个时钟周期
REL_HI EQU 04CH
REL_LOW EQU 007H
SEG AT 0BH
ORG 0BH
LJMP T0_INTR ; 中断服务程序
PUBLIC T0_INTR
PR?T0_INTR?T0INT SEGMENT CODE
RSEG?PR?T0_INTR?T0INT;*****************************************************************; Function,T0_INTR; Description,定时器 0的中断服务程序定时器每 50ms溢出一次; 重装定时器并检测节点时间段是否到来; Parameters,无,; Returns,无,; Side Effects,无,;*****************************************************************
T0_INTR,CLR TR0 ; 1,3 重装定时器 0
MOV TH0,#REL_HI ; 2,5
MOV TL0,#REL_LOW ; 2,7
CLR TF0 ; 1,8
SETB TR0 ; 1,9
SETB tickflag ; 置位标志位
LCALL check_slot ; 是不是我的时段
PUSH ACC
PUSH B
PUSH DPH
PUSH DPL
MOV DPTR,#curslot ; 把当前时段数读入累加器广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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MOVX A,@DPTR
INC A ; 时段数加1
MOV B,A
MOV A,P1 ; 读入总的时段数
SWAP A
ANL A,#00FH
XCH A,B
CLR C
SUBB A,B ; 当前时段数是不是; >= 总的时段数
JC L1
CLR A ; 是清除 curslot
MOVX @DPTR,A
L1,MOVX A,@DPTR ; 读入当前时段数
MOV B,A
MOV A,P1 ; 该器件的时段号
ANL A,#00FH
CLR C
SUBB A,B ; curslot==slotnum
JNZ L2 ; 不等于
LCALL start_xmit ; curslot==slotnum,开始发送
L2,POP DPL
POP DPH
POP B
POP ACC
RETI
END
下面是用 C编写的新的定时器溢出服务程序列表 0-10
/*****************************************************************
Function,system_tick
Description,定时器溢出的服务程序,在该程序中对那些需要
时间限制的函数计数
Parameters,无,
Returns,无,
*****************************************************************/
void system_tick(void) {
unsigned char i;
tick_flag=0; // 清除标志位
for (i=0; i<MAX_MSG; i++)
if (xmit_timeout[i][0]) { // see if the msg timed out
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xmit_timeout[i][0]--;
if (!xmit_timeout[i][0]) { // if so,check retries
check_msg(xmit_timeout[i][1]);
}
}
}
if (recv_timeout) { // 检测字节间隔时间是否
// 溢出
recv_timeout--;
if (!recv_timeout) { // 溢出,..
recv_state=FSA_INIT;
check_stat();
}
}
}
系统时标函数有很多系统监视器项目中的功能但它更像时钟项目中的时标函数都是从主循环中调用它的主要功能是维护消息定时器允许节点从网络通信错误中恢复过来定时器 0的中断服务程序跟踪系统时间段当本节点的时间段到了时它调用发送功能函数发送正在等待发送的消息功能函数尽可能多的为队列中等待发送的消息建立缓冲区串行发送中断服务程序把这些消息发送出去当受到应答消息后消息执行代码将把消息从发送队列中清除没有接收到应答消息的消息由从系统时标函数中调用的时间溢出代码进行处理串行口中断服务程序除了数据发送部分的代码外和系统监视器的代码一样数据不再从发送队列中直接发出而是从从一个新建的缓冲区中发出列表 0-11
/*****************************************************************
Function,start_xmit
Description,把尽可能多的消息放入发送缓冲区中然后发送第一个消息
Parameters,无,
Returns,无,
Side Effects,无,
*****************************************************************/
void start_xmit(void) {
unsigned char maxbytes=45,// 一个时间段中总共发送的字节数
msgnum=0,// 发送缓冲区中装入的总的消息数
i;
if (tq_head == UNUSED) { // 如果队列是空的就不浪费时间
return;
}
while (maxbytes) { // 当发送缓冲区中有空间
if (maxbytes>=tq[temp].size) { // 确定能装下下一个字节
// 拷入缓冲区并建立校验字节广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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for (i=0,chksum=0,trans_size=0;
i<tq[temp].size;
i++,trans_size++) {
trans_buf[trans_size]=tq[temp].buf[i];
chksum+=tq[temp].buf[i];
}
trans_buf[trans_size]=chksum; // 保存校验字节
xmit_timeout[msgnum][0]=MSG_TIMEOUT; // 保存时间间隔信息
xmit_timeout[msgnum][1]=tq[temp].retries;
msgnum++; // 缓冲区中消息数加1
maxbytes-=tq[temp].size+1; // reduce amount remaining by
// amount used
temp=tq[temp].next;
} else {
maxbytes=0; // 跳出循环
}
}
}
/*****************************************************************
Function,ser_xmit
Description,处理发送中断
Parameters,无,
Returns,无,
Side Effects,无,
*****************************************************************/
void ser_xmit(void) {
trans_ctr++; // 发送指针加1
// 数据是否发送完毕
if (trans_ctr < trans_size) {
// 最后一个字节发送校验位
if (trans_ctr==trans_size-1)) {
SBUF=trans_chksum;
} else {
// 发送当前字节
SBUF=trans_buf[trans_ctr];
// 更新校验字节
trans_chksum+=trans_buf[trans_ctr];
}
}
}
现在发送队列的结构和接收队列的结构不再一样了因为队列头不再需要应答如果在该节点的时间段发送出了 3个消息只有第 2个和第 3个消息得到了应答队列必须保存第1个消息而清除第 2个和第 3个消息新的队列结构必须更加复杂来完成这种功能广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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发送队列还将使用一定数量的 entry结构在每个结构间有一定的联系而不是简单的按照顺序关系排列 entris数组有两个连接列表一个使用一个未被使用当需要新的存储结构时从自由的列表中获取一个结构并把它连接到使用列表中当需要删除一个结构时把该结构从使用列表中取出并放回到自由列表中新发送队列的源代码见列表
0-12
列表 0-12
/*****************************************************************
Function,tq_init
Description,为发送队列设置列表
Parameters,无,
Returns,无,
Side Effects,无,
*****************************************************************/
void tq_init(void) {
tq_head=tq_tail=UNUSED; // 将头尾指针置为空
tq_free=0; // 初始化空列表
for (i=0; i<QUEUE_SIZE; i++) {
tq[i].next=i+1;
}
tq[QUEUE_SIZE-1].next=UNUSED; // 列表循环
}
/*****************************************************************
Function,tq_push
Description,分配发送队列中的自由结构给调用者
Parameters,无,
Returns,返回被分配的结构单元如果没有可分配的单元返回 0xFF
Side Effects,无,
*****************************************************************/
unsigned char tq_push(void) {
unsigned char temp;
if (tq_free==UNUSED) { // 如果没有空余的存储区,..
return UNUSED; // 告知调用者
}
temp=tq_free; // 得到第一个空结构
tq_free=tq[tq_free].next; // 自由列表头指向下一个空结构
tq[temp].next=UNUSED; // 该结构是使用列表中的
// 最后一个结构
tq[tq_tail].next=temp; // 当前正在使用的列表尾指向
// 新结构
tq_tail=temp;
return temp; // 返回新结构
}
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/*****************************************************************
Function,tq_pop
Description,从发送队列中弹出指定的结构,
Parameters,entry - unsigned char,指定要弹出的结构
Returns,0 如果队列为空,1 如果队列中还有数据
Side Effects,无,
*****************************************************************/
bit tq_pop(unsigned char entry) {
unsigned char temp,trail;
if (tq_head==UNUSED || entry>(QUEUE_SIZE-1)) { // 队列是否为空
// 或该结构无效
return (tq_head==UNUSED)? 0,1;
}
if (entry==tq_head) { // 如果弹出的是队列头
// 作特殊处理
temp=tq_head;
tq_head=tq[tq_head].next; // 移动头指针
tq[temp].next=tq_free; // 把旧的结构放入自由队列头中
tq_free=temp;
} else {
temp=trail=tq_head; // 设置跟踪指针
while (temp!=entry && temp!=UNUSED) { // 查表直到找到该结构
// 或表被查遍
trail=temp;
temp=tq[temp].next;
}
if (temp!=UNUSED) { // 找到结构,..
tq[trail].next=tq[temp].next; // 删除该结构
tq[temp].next=tq_free; // 把结构放入空表中
tq_free=temp;
if (temp==tq_tail) {
tq_tail=trail;
}
}
}
return (tq_head==UNUSED)? 0,1;
}
3 保持节点器件同步处理网络工作的代码相对来说是比较简单的 TDMA网络通信确保了每个节点都能得到同等的时间来发送数据但是像前面所提到的如果每个节点不是精确的在同一时刻复位那么是不能保持同步的确保同步最简单的方法是发给每个节点器件一个同步信号这需要重新设计网络在每个时段循环的开始我们用 PC发出一个由高到低的跳变脉广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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冲这个脉冲使每个节点器件都调整到时段 0 每个节点都用一个中断服务程序来处理这个信号因此把信号接到 8051的 INT0引脚上 ISR将重装并启动定时器 0 而不是通过主程序中的代码来完成定时器将负责时间的复位当 PC再次发出同步脉冲时各节点又将恢复到时段 0
列表 0-13
/*****************************************************************
Function,start_tdma
Description,中断服务程序应答从网络主程序发送过来的信号重新开始时段计数启动定时器 0
Parameters,无,
Returns,无,
*****************************************************************/
void start_tdma(void) interrupt 0 {
TH0=RELHI_50MS; // 设置定时器 0
TL0=RELLO_50MS;
TF0=0;
TR0=1;
curslot=0xFF; // 从时段 0重新开始
}
这样做有两个好处第一这使得网络中的节点较容易保持同步因为它们都参照同一个启动信号第二它使 PC有能力控制网络通信你修改一下定时器 0的中断服务程序当时段计数完成一个循环后就停止定时器这样只有收到 PC发送的同步信号才能开始重新通信假设 PC想发一个很长的信号给网络中的某个节点但是又不想等好几个时段来发送这时 PC就可以停止网络时段计数等它把数据发送完毕后再重新开始网络通信另外一个网络协议的小改动是让 PC能够给那些需要立即应答的节点发送消息换句话说就是不必把消息放入队列中等待时段进行发送而是直接发送这个网络就成为 TDMA系统和查询系统的混合系统这种设计使得网络节点向 PC传输的数据最大化
4 CSMA网络当网络中的所有器件都充分利用了自己的时段发送数据时前面所讲的 TDMA网络是十分灵活而高效的无疑是网络通信中一个很好的解决方案然而并不是所有的系统都适用 TDMA方案有些节点并不传送很多消息这样分配给该节点的时段并没有被充份应用而有些节点的数据很多时段对他们来说不够用这时
TDMA方法显然不再适用要解决这个问题需要每个节点在需要的时候都能够进行通信但是不可避免有两个节点同时需要通信的情况发生这时将产生冲突要解决冲突节点需要某种方法来探测网络是否被使用和当自己在传输数据的时候是否有冲突发生具有这种功能的网络称为
CSMA Carrier Sense-Multiple Access 网络 CSMA网络的关键问题是有一套底层的指令可使设备不产生冲突的联入网络把 8051接入 CSMA网络网络节点的硬件必须使内置 8051的串行口能够从所有的节点传送过来的数据包括他自己其次处理器必须使用 8052 这样就多了一个定时器新类型的网络的通信方式比较简单首先 TDMA网络中定时器 0的时标功能函数原封不动的放入定时器 2中断服务程序中定时器 0用来从接受到最后一个字节开始计时每次 RI引起中断广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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时定时器 0都要重装计数值同时置位网络忙标志位当定时器溢出时执行定时器 0中断服务程序停止定时器清零标志位发送消息的程序代码将检测这个标志位如果该标志位清零才开始发送消息定时器 0中断服务程序将作为 CSMA网络的核心程序每当从网络中接收到一个字节时定时器都要重装此外当发生多个节点的冲突时定时器将进行随机延时为了执行这两个功能用一个标志位来决定是否将随机数装入定时器 0中当定时器溢出后它将重新开始发送消息如果网络空闲的话并装入定时器的正常值定时器 0的中断服务程序见列表 0-14
列表 0-14
/****************************************************************
Function,network_timer
Description:定时器 0中断服务程序当字节间最大限制时间溢出或
网络隔离过程结束时引发中断
Parameters,none.
Returns,无,
Side Effects,无,
*****************************************************************/
void network_timer(void) interrupt 1 {
TR0=0; // 停止定时器
if (delay_wait) { // 是否因为网络冲突正在等待
delay_wait=0; // 清除辨证外标志位
trans_restart(); // 重新开始发送
}
network_busy=0; // 网络不再繁忙
check_status(); // 是否开始发送消息
}
/*****************************************************************
Function,trans_restart
Description:开始发送缓冲区中的消息假设消息正确
重复变量和消息大小变量已经设置好了
Parameters,无,
Returns,无,
Side Effects,无,
*****************************************************************/
void trans_restart(void) {
SBUF=trans_buf[0]; // 输出第一个字节
last_out=trans_buf[0]; // 保存作为冲突检测
trans_ctr=0; // 缓冲区指针指向第一个字节
trans_chksum=trans_buf[0]; // 设置校验字节
}
每个写入 SBUF的字节将被存储在一个临时地址中当产生接收中断时和接收到的数据相比较如果临时地址中的数据和 SBUF中的数据不符就认为数据发送中出现了问题这个节点将随机等待一端时间再重新发送消息下面是处理发送和接收中断的代码列表 0-15
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/*****************************************************************
Function,ser_xmit
Description,处理串行发送中断,
Parameters,无,
Returns,无,
Side Effects,无,
*****************************************************************/
void ser_xmit(void) {
trans_ctr++; // 数据输出指针加1
// 数据是否发送完毕
if (trans_ctr < trans_size) {
// 最后发送校验字节
if (trans_ctr==trans_size-1)) {
SBUF=trans_chksum;
last_out=trans_chksum;
} else {
// 发送当前字节
SBUF=trans_buf[trans_ctr];
last_out=trans_buf[trans_ctr];
// 更新校验字节
trans_chksum+=trans_buf[trans_ctr];
}
}
}
/*****************************************************************
Function,ser_recv
Description,当系统波特率为 9600时处理串行接收中断,
Parameters,无,
Returns,无,
Side Effects,无,
*****************************************************************/
void ser_recv(void) {
unsigned char c,temp;
c=SBUF;
if (TH0 > NET_DELAY_HI)
TR0=0; // 设置延迟时间
TH0=NET_DELAY_HI;
TL0=NET_DELAY_LO;
TR0=1;
}
if (transmitting) { // 如果这个节点正在发送
// 消息,..
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if (c!=last_out) { // 当前字节应该和上次写入 SBUF
// 的字节一样
trans_hold(); // 不一样网络传输发生错误
}
} else {
switch (recv_state) {
,.,// 分析输入数据
}
}
}
/*****************************************************************
Function,trans_hold
Description,设置一个随机网络隔离时间从 2.0ms到11,76ms
Parameters,无,
Returns,无,
Side Effects,无,
*****************************************************************/
void trans_hold(void) {
unsigned int holdoff;
trans_chksum=trans_ctr=0; // 复位发送计数器
holdoff=(unsigned int) rand(); // 得到随机数
holdoff/=3; // 把随机数控制在需要的范围
holdoff+=TWO_MS; // 增加一个常数确保延时 2ms
holdoff=(0xFFFF-holdoff)+1; // 转换成重装值
TR0=0; // 重新启动定时器
TL0=(unsigned char) (holdoff & 0x00FF);
TH0=(unsigned char) (holdoff / 256);
delay_wait=1; // 表明节点因为网络冲突
// 正处于等待状态
TR0=1;
}
可以看到处理发送中断的代码没什么变化最大的不同就在于变量 last_out 必须设为最后写入 SBUF的值记住这个值将作为下一个完整字节进入串行口如果不这样的话就会出现网络错误
CSMA网络节点的其它代码和系统监视器中的代码很像网络中传送的消息要么是命令或对另一个节点的请求它需要一个应答要么是对网络中其它节点的回复这样系统监视器中的数据结构和命令代码稍微改动一下就可以重用
5 结论这章介绍了几种使用 8051控制器进行网络工作的方法这些并不是唯一的几种方法如果你需要更多关于网络设计和分析的信息可以查阅其它书籍广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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第九章控制编译和连接
1 把 C代码转变成 Keil C代码当你把对其它处理器操作的已存在的代码移植到 8051上时或把基于 8051的代码进行转变使之符合 Keil C开发工具这无疑是明智之举因为 8051和 Keil C相结合的功能是十分强大的把现有的 C代码转化成 Keil C代码是很简单的工作因为 C51编译器完全支持 C语言的 ANSI标准只要你的代码中不存在非 ANSI的语句直接用 C51编译器进行编译就没有问题当开始进行代码转换时必须注意几个问题声明的变量和代码结构应该适合在 8051
上运行根据这个原则你应该确保代码转换向着 8051的发方向进行如果你的代码以前是用在其它控制器上的就应该特别注意第三章说讲的如何优化你的代码第一点应该注意的就是 8051是 8位微控制器尽量把所有变量和数据元素的存储范围控制在 8位的范围内对那些作为标志位的变量应声明为位变量如果经常要对这个位变量寻址就用 bdata来声明它还应注意的一点是指针的使用这在第三章也提到过但值得重声如果在声明指针的时候把它限制在某一存储区域并通知编译器那么代码的长度和代码执行的时间都会都会缩短不少编译器会为使用这些指针的原代码写出更好的汇编代码一旦已经完成了上面所提到的优化过程就要开始检查软件的结构确定哪些是中断服务程序那些被主函数调用的程序当建立了中断服务程序之后对它进行编译和连接连接器将对那些有多重中断调用的函数产生警告信息这些警告信息使你知道哪些代码是有潜在的错误的这些部分可能是由于递归调用或中断结构在同一时间被调用多次由于
8051的结构 C51编译器不会自动产生代码通过单独的调用树去处理这些递归和多重调用如果你使用的是像 80x86这样的处理器就能为每个功能调用建立相应的调用结构但是
8051的堆栈空间没有这么大对于那些必须递归调用的功能函数可以把他们定义成再入函数这时 C51编译器将使用一定的堆栈空间建立一个模拟栈这时会占用内存和延长处理时间因此要尽量少的使用关键字 ’reentrant’
并不是所有连接器产生的警告都会导致错误有时候连接器警告某个功能函数被多个中断调用了但实际上却不可能例如有个函数被定时器 0和外部中断1的 ISR调用但这两个中断被设为同一个中断优先级因此在同一时间只能执行一个中断服务程序在执行中断服务程序的过程中不会被同级中断所中断因此是十分安全的一种除去连接警告的方法是从一个调用树中删除参考这样就不会产生你不想要的再入栈关于这点我们将在后面仔细讨论当上面所有一切都完成之后你要考虑对外部存储区的寻址方式了很多 C程序员当他们需要对某个物理地址进行寻址的时候都会声明一个指针用指针对这个物理地址进行操作这种方法在 C51中仍然适用但最好使用像 CBYTE CWORD XBYTE XWORD DBYTE
DWORD POBYTE PWORD 这些由 absacc.h提供的宏定义它们使外部存储区看起来像一个
char,int,long 的数组使程序更具有可读性另外如果你的硬件结构有点特殊不能简单使用 MOVX对外部存储区进行寻址你可以重新改写宏定义来适应新的寻址方式如果你的代码以前用的是像 Archimedes或 Avocet这样的编译包你必须把关键字转换成 Keil的形式因为其它的编译器不支持像 bdata,variables,reentrant函数和特殊功能寄存器组这些特征转化后的代码应该充分利用 Keil支持的这些功能我曾经把一个项目从 Archimedes转而使用 C51 结果不但节省了 CODE和 XDATA空间而且速度也大大加快了以至于不得不想办法把速度降下来从这个例子可以看出如果使用得好的话 C51确实可以让你获益非浅广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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2 把汇编代码转换成 Keil汇编代码把汇编代码转换成 Keil汇编代码中要注意的问题不是很多主要一点是使段名和 Keil
段名的命名规则兼容这样和 Keil C连接起来更加简单如果程序是用 C和汇编共同编写的请参考第三章关于 C和汇编联合编程的叙述我很少在使用 Keil进行反汇编时碰到问题实际上唯一碰到的问题是删除从 Avocet
汇编程序转化过来的程序 PCON寄存器的定义原因是 Avocet汇编太老了它是在节电模式引入 8051之前产生的需要用 PCON的地址直接定义
3 使用,using”关键字你应该记得 8051系列微处理器有 4个寄存器组每组有 8个寄存器这 32个字节位于 DATA
存储区的最底层每个寄存器组都有一个号码从 0到 3 PSW SFR中的 RS0和 RS1的默认值是 0 选择寄存器组 0 软件可以改变 RS0和 RS1的值选择四组寄存器中的任意一组第三章讨论了在中断服务程序中使用寄存器组的问题比较了使用 using和不使用 using选项时所产生的汇编代码的不同处当使用了 using选项时寄存器不会被压入堆栈这里我们将讨论如何利用这一点第三章表明通过为中断服务程序指定寄存器组在中断调用时可以节省 32个指令周期为了利用这点建议在程序中为每个中断级指定一个寄存器组例如主循环程序和初始化代码将使用默认寄存器组 0 中断优先级为 0的中断服务程序将使用寄存器组 0 中断优先级为1的中断服务程序将使用寄存器组 2 任何被中断服务程序调用的功能要么必须使用和调用者相同的寄存器组要么使用汇编指令 NOAREGS 使之不受当前寄存器组的影响下面的代码说明了为 ISR选择寄存器组的基本设计方法列表 0-1
void main(void) {
IP=0x11; // 串行中断和外部中断 0有
// 高优先级
IE=0x97; // 使能串行中断,外部中断1
// 定时器 0和外部中断 0
init_system();
,..
for (;;) {
PCON=0x81; // 进入空闲模式
}
}
void serial_intr(void) interrupt 4 using 2 {
// 串行口中断有高优先级
// 使用寄存器组 2
if (_testbit_(RI)) {
recv_fsa();
}
if (_testbit_(TI)) {
xmit_fsa();
}
}
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void recv_fsa(void) using 2 { // recv_fsa 必须使用和串行中断
// 同样的寄存器组因为串行中断
// 将调用它
,..
}
void xmit_fsa(void) using 2 { // xmit_fsa 必须使用和串行中断
// 同样的寄存器组因为串行中断
// 将调用它
,..
}
void intr_0(void) interrupt 0 using 2 {
// 高中断优先级 – 使用
// 寄存器组 2
handle_io();
,..
}
void handle_io(void) using 2 { // 被使用 RB2的中断服务程序调用
// 必须使用 RB2
,..
}
void timer_0(void) interrupt 1 using 1 {
// 低优先级中断 – 使用
// 寄存器组1
,..
}
void intr_1(void) interrupt 2 using 1 {
// 低优先级中断 – 使用
// 寄存器组1
,..
}
ISR和 ISR调用的程序使用同一个寄存器组任何被主程序调用的功能函数不需要指定寄存器组因为 C51会自动使用寄存器组 0 下面是这个简单例子的调用树分支并不交叉
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图 0-1 简单调用树很多实时时钟系统的调用树并不像上面那样简单有些程序除了被主程序调用外还被多个程序调用如下面的代码显示功能函数被主函数和两个中断级调用列表 0-2
void main(void) {
IP=0x11; // 串行中断和外部中断 0
// 为高优先级
IE=0x97; // 使能串行中断,外部中断1
// 定时器 0中断和外部中断 0
init_system();
,..
display(); // 向显示板发送一个
// 消息
for (;;) {
PCON=0x81; // 进入空闲模式
}
}
void serial_intr(void) interrupt 4 using 2{
// 串行口中断有高优先级
// 使用寄存器组 2
if (_testbit_(RI)) {
recv_fsa();
}
if (_testbit_(TI)) {
xmit_fsa();
}
}
void recv_fsa(void) using 2 { // recv_fsa 必须使用和串行中断
// 同样的寄存器组因为串行中断
// 将调用它
,..
display(); // 向显示板写入一个
// 状态广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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}
void xmit_fsa(void) using 2 { // xmit_fsa 必须使用和串行中断
// 同样的寄存器组因为串行中断
// 将调用它
,..
}
void intr_0(void) interrupt 0 using 2 {
// 高优先级 -使用
// 寄存器组 2
handle_io();
,..
}
void handle_io(void) using 2 { // 被使用 RB2的中断程序调用
// 必须使用 RB2
,..
}
void timer_0(void) interrupt 1 using 1 {
// 低中断优先级 – 使用
// 寄存器组 1
,..
display(); // 向显示控制器写入一个
// 时间溢出消息
}
void intr_1(void) interrupt 2 using 1 {
// 低优先级中断 – 使用
// 寄存器组 1
,..
}
void display(void) {
...
}
display函数被 8051的各个执行级调用这意味着 display函数可被其它调用 display
函数的中断中断记住每个中断函数都有它自己的寄存器组因此不会保存当前寄存器组中的任何数据默认时编译器将使用寄存器组 0绝对寻址对 display函数进行编译这意味着编译器将不再产生 RO…R7类似的寄存器寻址方式而是代以绝对地址在这里将使用定时器 0的绝对地址 00…07
这时问题就产生了当中断服务程序调用 display函数的时候那些使用寄存器组 0的代码的数据会被破坏如果 display函数仅仅被一个中断服务程序调用那还好办只要广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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指定它和中断服务程序使用同样的寄存器组就可以了但在这个例子中它却被多个中断函数调用多个中断级调用 display函数的时候还会使连接器产生警告信息这些我们留到以后再处理目前重要的是如何让编译器处理寄存器组的冲突方法就是让编译器使用当前正在使用的寄存器组而不是寄存器组 0 通过对 display函数使用编译控制指令 NOAREGS
来实现这时编译器产生的代码将使用 R0…R7来对寄存器进行寻址而不是绝对地址
display功能函数本身不变在他前面加上一条 NOAREGS 编译指令使它对寄存器组的变化不敏感在它后面的编译指令 AREGS 允许文件中的其它函数按照 C51的默认值进行编译
#pragma NOAREGS
void display(void) {
...
}
#pragma AREGS
图 0-2 多层中断级调用的调用树现在还有另外一个功能假设 display使用几个局部变量来完成它的工作 C51将在压缩栈中为这些变量分配空间根据编译器优化的结果这些空间可能是存储器段或一个寄存器然而不管处于调用树的什么位置每次调用都是使用同一存储空间这是因为 8051
没有像 80x86或 680x0堆栈那样的功能堆栈一般情况下这不是什么问题但当递归调用或使用再入函数时将不可避免的出现局部变量冲突假设定时器 0中断执行时调用 display函数在函数的执行过程中发生了一个串行中断中断调用了 recv_fsa 函数而该函数又需要 display函数 display函数执行完之后局部变量的值也改变了因为寄存器组的切换那些使用寄存器的变量不会被破坏而那些没有使用寄存器的变量就被覆盖了当串行中断服务程序执行完毕之后控制权交回定时器中断服务程序这时正处于 display程序的调用过程中所有在默认存储段中的局部变量都已经改变了为了解决这个问题 Keil C51允许使用者把 display函数定义成再入函数编译器将为它产生一个模拟栈每次调用这个函数都会在模拟栈中为它的局部变量分配存储空间我们按下面的形式定义 display函数
#pragma NOAREGS
void display(void) reentrant {
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...
}
#pragma AREGS
如果定义了再入函数程序的存储空间和执行时间都会增加因此要谨慎使用除此之外还要为再入函数划分足够多的模拟栈空间模拟栈空间的大小通过估计同一时间内调用再入函数的次数来决定 C51可让你来决定所需模拟栈的大小栈的设计是从顶部如
XDATA的 0FFFFH 开始向你的变量发展被分配在程序存储区的底部当你编译和连接完你的程序后应该仔细观察 ’.M51’文件确保有足够的再入栈空间
4 控制连接覆盖过程可能出现这种情况因为 C51没有真正的堆栈不能实现从多个调用树中调用功能函数看下面的例子列表 0-3
void main(void) {
IP=0x00; // 所有中断有相同的优先级
init_system();
,..
display(0);
IE=0x8A; // 使能定时器 0中断和外部中断 0
for (;;) {
PCON=0x81; // 进入空闲模式
}
}
void timer_0(void) interrupt 1 using 1 {
// 低优先级中断 – 使用
// 寄存器组1
,..
display(1);
}
void intr_1(void) interrupt 2 using 1 {
// 低优先级中断 – 使用
// 寄存器组1
,..
display(2);
}
void display(unsigned char x) {
,..
}
因为函数 display除了被主函数调用外还被定时器 0中断和外部中断1调用产生了冲突连接器将给出警告
*** WARNING 15,MULTIPLE CALL TO SEGMENT
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SEGMENT,?PR?_DISPLAY?INTEXAM
CALLER1,?PR?TIMER_0?INTEXAM
CALLER2,?PR?INTR_1?INTEXAM
*** WARNING 15,MULTIPLE CALL TO SEGMENT
SEGMENT,?PR?_DISPLAY?INTEXAM
CALLER1,?PR?INTR_1?INTEXAM
CALLER2,?C_C51STARTUP
连接器警告你 display函数可能被中断服务程序中断而中断服务程序也调用 display
函数这就导致了局部变量冲突第一个警告说定时器 0中断和外部中断1都调用了 display
函数第二个警告说主函数和外部中断1之间也存在冲突仔细检查代码结构后可把
display函数定义成再入函数定时器 0和外部中断1具有同样的中断优先级这两者之间不会导致冲突可以不用考虑第一个警告主程序中调用 display函数时可被中断这也不要紧因为当主程序调用
display函数时中断还没被使能这两个警告都被证明是安全的这并不说明连接器出错了它已经作了自己的工作那就是当没有把多重调用的函数声明为再入函数时给出警告信息连接器不会为你作代码分析哪个中断会发生在什么时候这是工程师的工作当确认不必担心警告后该怎样做呢最简单的方法就是忽略不管但这会影响连接器连接模块和为可重定位目标分配地址虽然连接器还是会输出一个可执行文件但却没有充分利用存储空间因为连接器不能正确的进行覆盖分析了所以不应忽略警告有两种方法可以除去警告一种是告诉连接器不进行覆盖分析这会使连接出来的代码使用很多不必要的 DATA空间但很容易实现第二种是帮助连接器进行覆盖分析迫使他忽略由调用树产生的参考信息一旦你告诉它只保留一棵树的参考信息就不会在产生警告覆盖分析也能正常进行了显然第二种方法是比较好的但如果你时间不多且存储空间比较大的时候也可选择第一种方法我们用 L51这个连接命令进行代码的连接
L51 example.obj
要让 L51不进行覆盖分析只要在连接选项对话框中取消,enable variable overlaying”
就可以了第二种方法有点麻烦但是值得你需要去掉三个功能调用中两个产生的调用参考信息这需要使用命令行中的覆盖选项 display函数被 ’main’,’timer_0’,’intr_1’三者调用你必须去掉其中两个产生的参考信息一般来说留下调用次数最多的那一项在这里外部中断1很少发生定时器 0是系统时标经常产生中断因此留下定时器 0调用树中的参考项新的 L51命令如下命令行中的覆盖部分应该被输入连接设置对话框中的,Additonal”
框中
L51 example.obj overlay(main ~ _display,intr_1 ~ _display)
很多代码在第一次连接的时候都会产生多重调用警告信息采用上面提到的方法或声明再入函数可以消除这些警告信息你不可能一步消除所有的警告信息多试几次确保把它们都消除
5 使用 64K 或更多 RAM
如果你用 8051开发复杂的系统有可能不得不使用 64K字节的 RAM 而且还要进行 I/O
寻址操作这时 I/O器件地址和 RAM地址将重叠可使用端口1的引脚或通过锁存器的引脚使能或禁能 RAM 下面是一个例子广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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图 0-3 RAM和 I/O重叠要对 RAM操作时先把 P0.1置高然后再进行寻址当 8051复位时 P0.1应该为高使能 RAM 如果软件要通过总线对 I/O器件寻址只需要把 P1.0拉低禁能 RAM并使能地址解码器就可以对器件寻址了软件正常执行时 RAM被使能如果要对外部 I/O器件进行操作时调用一个特殊功能禁能外部 RAM 通过内部 RAM输入输出数据当操作完成后再使能 RAM 软件继续正常运行进行 I/O操作的功能函数见列表 0-4 这个功能通过内部 RAM传递参数不需要使能外部 RAM
列表 0-4
#include <reg51.h>
#include <absacc.h>
sbit SRAM_ON = P1^0;
/*****************************************************************
功能,output
描述,向指定 XDATA地址写入数据参数,地址 - unsigned int,要写入数据的地址
数据 - unsigned char,保存需要输出的数据返回,无负面影响,外部 RAM被禁能这时不能发生中断因此中断系统暂时被挂起
*****************************************************************/
void output(unsigned int address,unsigned char value) {
EA=0; // 禁止所有中断
SRAM_ON=0; // 禁能外部 RAM
XBYTE[address]=value; // 输出数据
SRAM_ON=1; // 使能 RAM
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EA=1; // 使能中断
}
/*****************************************************************
功能,input
描述,从 XDATA地址中读入数据参数,地址 - unsigned int.读取数据的地址返回,读取的数据,
负面影响,外部 RAM被禁能这时不能发生中断因此中断系统暂时被挂起
*****************************************************************/
unsigned char input(unsigned int address) {
unsigned char data value;
EA=0; // 禁止所有中断
SRAM_ON=0; // 禁能 RAM
value=XBYTE[address]; // 读入数据
SRAM_ON=1; // 使能 RAM
EA=1; // 允许中断
return value;
}
禁能和使能 RAM的这种概念可以被扩展使你的 RAM超过 64K 在大多数情况下 64K RAM
对 8051系统来说已经足够了但是如果碰到大量的操作或存储大量数据的情况时所需要的 RAM可能就不止 64K了可把 RAM的特殊地址线接到 P1口或 74HC373上用软件来选择所需的 RAM页面这个例子中第 0页大多时候被使能对其它页面的操作像上面的系统中对 I/0
器件的操作一样 RAM页面 0用来存储程序变量传递参数作为压缩栈等其它的 RAM页面用作存放系统事件表查询表和一些不经常使用的数据系统连接见图 0-4 和前面不同的是 P1.1和 P1.2用来作为 256K RAM的高两位地址线
图 0-4 页寻址 RAM
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连接在总线上的 I/O器件的寻址方法和前面所讲的一样再重申一遍系统默认的状态是 P1.0为高以使能 RAM P1.1和 P1.2为低选择 RAM页面 0 如果在地址选择线上面加了反向器那么上电复位时将自动选择页面 0 否则的话如果你 XDATA中有变量要在编译的时候初始化则需要在 startup.a51中加入代码清零 P1.1和 P1.2
向其它 RAM页面写入数据或从中读取数据是以块的方式使用一个内部 RAM缓冲区这就避免了页面间的频繁的切换缩短的操作的时间但是要占用一定的内部 RAM空间并且每次传输的最大数据量有一个限制 RAM页面寻址操作的代码见列表 0-5
列表 0-5
#include <reg51.h>
#include <absacc.h>
sbit SRAM_ON = P1^0;
unsigned char data xfer_buf[32];
/*****************************************************************
功能,page_out
描述,向指定 XDATA地址写入数据参数,地址 - unsigned int,数据写入地址
页面 - unsigned char,使用的 RAM页面
数量 - unsigned char,写入的字节数返回,无负面影响,外部 RAM禁能因此允许发生中断
中断系统被暂时挂起
*****************************************************************/
void page_out(unsigned int address,unsigned char page,
unsigned char num) {
unsigned char data i;
unsigned int data mem_ptr; // 通过移动指针来进行数据拷贝
mem_ptr=address;
num&=0x1F; // 最大字节数为 32
page&=0x03; // 页选面为 0..3
page<<=1;
page|=0x01; // 外部 RAM使能
EA=0; // 关闭所有中断
P1=page; // 选择新页面
for (i=0; i<num; i++) {
XBYTE[mem_ptr]=xfer_buf[i]; // 向指定地址写入数据
mem_ptr++;
}
P1=1; // 选择页面 0
EA=1; // 使能中断
}
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/*****************************************************************
功能,page_in
描述,从指定 RAM页面的地址处读取数据参数,地址 - unsigned int,读取数据的地址
页面 - unsigned char,使用的页面
数量 - unsigned char,读取数据的字节数返回,无负面影响,外部 RAM禁能因此允许发生中断
中断系统被暂时挂起
*****************************************************************/
void page_input(unsigned int address,unsigned char page,
unsigned char num) {
unsigned char data i;
unsigned int data mem_ptr; // 通过移动指针来进行数据拷贝
mem_ptr=address;
num&=0x1F; // 限制最大字节数为 32
page&=0x03; // 页面选择从 0..3
page<<=1;
page|=0x01; // 使能外部 RAM
EA=0; // 关闭所有中断
P1=page; // 页面选择
for (i=0; i<num; i++) {
xfer_buf[i]=XBYTE[mem_ptr]; // 读取下一个地址数据
mem_ptr++;
}
P1=1; // 选择页面 0
EA=1; // 使能中断
}
这里我采用了局部变量 ’mem_ptr’ for循环每次使地址加1 而汇编后产生的代码将把这个地址存储在 XDATA区中为了避免对 XDATA区进行寻址就在 DATA区声明局部变量来保存地址上面的页面功能在很多情况下都是可行的一些程序员可能希望有像 C51库函数那样提供一套存储区操作功能如 ’memcpy’ 如果通用指针能对 RAM页面进行寻址的话可编写出一套和函数库功能相似的函数 Keil C的通用指针包含 3个字节两个字节存放地址一个选择字节确定指针选择的存储空间根据存储空间的不同选择字节的范围从1到 5
这样字节的前几位没有被用到现在当寻址空间是 XDATA区时将用它们来表示指针所指的 RAM页面这个简单的改动将使新的库函数和以前的很像我们在这里给出 ’mempcy’
的代码其余的留给你们去编写 ’page_mempcy’的声明如下
void *page_memcpy(void *dest,void *source,int num);
由于要在页面间进行快速的切换所以用汇编来写并使用大存储模式列表 0-6
PR?PAGE_MEMCPY?PAGE_IO SEGMENT CODE
XD?PAGE_MEMCPY?PAGE_IO SEGMENT XDATA OVERLAYABLE
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PUBLIC _page_memcpy,?_page_memcpy?BYTE
RSEG?XD?PAGE_MEMCPY?PAGE_IO
_page_memcpy?BYTE:
dest,DS 3
src,DS 3
num,DS 2;*****************************************************************; 功能,_page_memcpy; 描述,从源指针所指的地址拷贝一定数量的字节到目的指针所指的地址处; 允许 xdata区指针通过使用指针区域选择字节的高位指定 RAM页面; 参数,目的 – 可选择 RAM页面的通用指针通过 R1..R3传递指明拷贝数据; 的目的地址; 源 - 可选择 RAM页面的通用指针指明被拷贝数据的开始地址; 数量 - unsigned integer,指明拷贝的字节数; 返回,目的地址; 负面影响,无;*****************************************************************
RSEG?PR?PAGE_MEMCPY?PAGE_IO
_page_memcpy,PUSH 07 ; 保存寄存器数据
PUSH 06
PUSH 02
PUSH 01
PUSH 00
PUSH ACC
PUSH B
MOV DPTR,#?_page_memcpy?BYTE+6
MOVX A,@DPTR ; 取拷贝字节数
MOV 06,A
INC DPTR
MOVX A,@DPTR
MOV 07,A
ORL A,06
JZ GTFO ; if (!num) { return }
MOV DPTR,#?_page_memcpy?BYTE
MOV A,03 ; 装入目的指针
MOVX @DPTR,A
INC DPTR
MOV A,02
MOVX @DPTR,A
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INC DPTR
MOV A,01
MOVX @DPTR,A
L1,LCALL GETSRC ; 取下一个源字节
LCALL PUTDEST ; 写入下一个字节
MOV A,07 ; num--
CLR C
SUBB A,#1
MOV 07,A
MOV A,06
SUBB A,#0
MOV 06,A
ORL A,07
JZ GTFO ; if (!num) { return }
JMP L1
GTFO,POP B ; 恢复所有寄存器
POP ACC
POP 00
POP 01
POP 02
POP 06
POP 07
RET;*****************************************************************; 功能,GETSRC; 描述,从源指针所指的地址读入数据,指针加1; 返回所读数据; 参数,无; 返回,把数据读入 A; 负面影响,无;*****************************************************************
GETSRC,MOV DPTR,#?_page_memcpy?BYTE+3
MOVX A,@DPTR ; 得到源地址页面选择字节
MOV B,A ; 保存
DEC A ; scale selector to 0..4
ANL A,#00FH ; 除去 RAM页面
MOV DPTR,#SEL_TABLE1
RL A
JMP @A+DPTR ; 存储器类型选择广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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SEL_TABLE1,AJMP SEL_IDATA1 ; idata
AJMP SEL_XDATA1 ; xdata
AJMP SEL_PDATA1 ; pdata
AJMP SEL_DATA1 ; data or bdata
AJMP SEL_CODE1 ; code
SEL_PDATA1,MOV 00,#00 ; 对于 pdata,地址头字节; 必定为 00
MOV DPTR,#?_page_memcpy?BYTE+5
JMP L2
SEL_XDATA1,MOV DPTR,#?_page_memcpy?BYTE+4
MOVX A,@DPTR ; 读入地址
MOV 00,A
INC DPTR
L2,MOVX A,@DPTR
MOV DPH,00 ; set DPTR to XDATA address
MOV DPL,A
MOV A,B ; 得到 RAM页面地址
ANL A,#0F0H
SWAP A
RL A
ORL A,#01H
MOV P1,A ; 选择 RAM页面
MOVX A,@DPTR ; 读入字节
MOV 01,A ; 保存
MOV P1,#01H ; 恢复 RAM page
INC DPTR
MOV 00,DPL
MOV A,DPH; 保存新的地址
MOV DPTR,#?_page_memcpy?BYTE+4
MOVX @DPTR,A
INC DPTR
MOV A,00
MOVX @DPTR,A
MOV A,01 ; 把返回字节存入 A中
RET
SEL_CODE1,MOV DPTR,#?_page_memcpy?BYTE+4
MOVX A,@DPTR ; 取得当前源地址
MOV 00,A
INC DPTR
MOVX A,@DPTR
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MOV DPH,00 ; 用当前地址设置 DPTR
MOV DPL,A
CLR A
MOVC A,@A+DPTR ; 读入字节
MOV 01,A
INC DPTR ; 指针加1
MOV 00,DPL
MOV A,DPH
MOV DPTR,#?_page_memcpy?BYTE+4
MOVX @DPTR,A ; 保存指针
INC DPTR
MOV A,00
MOVX @DPTR,A
MOV A,01 ; 返回字节
RET
SEL_IDATA1:
SEL_DATA1,MOV DPTR,#?_page_memcpy?BYTE+5
MOVX A,@DPTR ; 取一个字节地址
MOV 00,A
MOV A,@R0
INC R0 ; 指针加1
XCH A,00
MOVX @DPTR,A ; 保存指针
XCH A,00 ; 返回字节
RET;*****************************************************************; 功能,PUTDEST; 描述,将 A中的字节写入目的指针所指向的地址; 然后指针加1; 参数,无,; 返回,无,; 负面影响,无,;*****************************************************************
PUTDEST,MOV 02,A ; 保存输出数据
MOV DPTR,#?_page_memcpy?BYTE
MOVX A,@DPTR ; 取得目的指针类型字节
MOV B,A ; 保存类型字节
DEC A
ANL A,#00FH
MOV DPTR,#SEL_TABLE2
RL A
JMP @A+DPTR ; 类型选择广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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SEL_TABLE2,AJMP SEL_IDATA2 ; idata
AJMP SEL_XDATA2 ; xdata
AJMP SEL_PDATA2 ; pdata
AJMP SEL_DATA2 ; data or bdata
AJMP SEL_CODE2 ; code
SEL_PDATA2,MOV 00,#00 ; 对 pdata区地址高字节; 必定为 0
MOV DPTR,#?_page_memcpy?BYTE+2
JMP L4
SEL_XDATA2,MOV DPTR,#?_page_memcpy?BYTE+1
MOVX A,@DPTR ; 读入地址
MOV 00,A
INC DPTR
L4,MOVX A,@DPTR
MOV DPH,00 ; 设置 DPTR为外部地址
MOV DPL,A
MOV A,B ; 取得 RAM页面
ANL A,#0F0H
SWAP A
RL A
ORL A,#01H
MOV P1,A ; 选择 RAM页面
MOV A,02
MOVX @DPTR,A ; 输出数据
MOV 01,A ; 保存
MOV P1,#01H ; 恢复 RAM页面
INC DPTR ; 指针加1
MOV 00,DPL
MOV A,DPH; 保存新地址
MOV DPTR,#?_page_memcpy?BYTE+1
MOVX @DPTR,A
INC DPTR
MOV A,00
MOVX @DPTR,A
RET
SEL_CODE2,RET ; 不能写入 CODE区
SEL_IDATA2:
SEL_DATA2,MOV DPTR,#?_page_memcpy?BYTE+2
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MOVX A,@DPTR ; 取一个字节地址
MOV 00,A
MOV @R0,02
INC R0 ;指针加1
XCH A,00
MOVX @DPTR,A ;保存指针
RET
END
改变以上功能的存储模式,只需要修改地址寻址的代码就可以了以上面为例其它的存储区操作功能函数也可很容易编写出来
6 使用 64K以上的代码空间在十分复杂的 8051控制系统中,软件的规模随着功能的加强而不断的扩大可执行代码的长度也不断的增加当代码的长度超过 64K时问题就变得复杂了你将面临几个选择第一个选择就是把增强的功能去掉这可能会影响产品的市场第二个选择就是通过优化程序代码来腾出空间存放新增代码但这是比较困难的特别对那些已经优化过了的代码这个方法虽然可行但不是长久之计第三个选择就是重新设计系统起用新的可支持大代码空间的控制器这意味着重新更新你的软硬件和使用新的开发工具 ----非常糟糕的选择最后一个选择就是稍微改变一下硬件设计并增加系统中 EPROM的数量使之超过 64K 你可能会产生疑虑因为 8051最大的寻址范围才 64K呀不用担心 Keil提供的功能包可使 8051寻址的代码空间达到1 MB
使用 Keil的 BL51 可使用类似于前面 RAM页面寻址的方式来增加代码空间 EPROM被分页每页的大小和在页间进行跳转的方式取决于你的应用还有就是要有一个共用空间这个空间是处理器在任何时候都能够寻址的这个区域存储包括中断向量中断功能函数可能调用其它 EPROM页面的函数 C51库函数在页面间跳转的代码和被多个页面代码使用的常量有两种方法提供共用空间一是使用单独的 EPROM 二是在每页的底部都复制公共代码我是比较倾向于第二种方法因为这可以最大限度的使用页面空间广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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图 0-5 页寻址 EPROM
假设你有一个 20K的公共区域如果使用第二种方法则每页仍有 44K的可用代码区如果使用第一种方法则需要一个 32K的 EPROM 这样你每页的可用的代码区最大只有 32K
把 EPROM的地址线或使能端连接到 P1口或数据锁存器的引脚上方法和 RAM页面寻址一样如图 0-5所示这里没有使用 8个 64K字节的 EPROM 而是 512K字节的 EPROM 我们所作的一切就是换个大点的 EPROM并接上几根地址线就行了使用新增的程序代码存储器是很简单的像以往一样编写软件你只需要把相关的功能放在一个文件中这样当用连接器连接的时候就可以把他们放在同一个 CODE页面中这样在程序执行过程中可以尽量减少页面中的切换页面切换的操作越少处理其它任务的时间就越多除此之外还应该尽量减少常量或变量的使用他们被单独保存在一个文件中这样可以减少公共区的大小使得每页有更多的代码空间如何对你的功能函数进行分类呢最好的分析方法就是建立每个中断的调用树这样你就可以知道那些功能应该放在一起以减少不需要的页面跳转然后建立另外一个列表显示功能函数使用那些变量和常量被一组功能使用的常量被放在同一个文件中这个文件和这组功能函数又在同一个代码页面中这时你将不得不在公共区大小和页面跳转次数之间进行权衡当你的代码空间足够时可以进行功能组合优化否则应该减少常量和变量的分布结束功能和模块的分组之后你需要修改 L51_BANK.A51文件告诉它代码页的数量在页面间跳转的方式等这些修改见列表 0-7
列表 0-7
$NOCOND DEBUGPUBLICS;------------------------------------------------------------------------; This file is part of the BL51 Banked Linker/Locater package; Copyright (c) KEIL ELEKTRONIK and Keil Software GmbH 1989-1994; Version 1.2;------------------------------------------------------------------------;********************** Configuration Section ***************************
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change one - ensure that the proper number of code banks is set
B_NBANKS EQU 8 ; Define max,Number of Banks *; *
B_MODE EQU 0 ; 0 for Bank-Switching via 8051 Port *; ; 1 for Bank-Switching via XDATA Port *; *
IF?B_MODE = 0; *;-----------------------------------------------------------------------*; if?BANK?MODE is 0 define the following values *; For Bank-Switching via 8051 Port define Port Address / Bits *
B_PORT EQU P1 ; default is P1 *
change two - set the bank switching LSB
B_FIRSTBIT EQU 0 ; default is Bit 3 *;-----------------------------------------------------------------------*
ENDIF;
将修改后的 L51_BANK.A51文件编译后产生的目标文件和你的源代码目标文件连接所使用的命令不再是 L51 而是 BL51 BL51是 Keil提供的增强连接器可进行多代码页面和实时操作系统的处理
BL51支持 L51使用的命令还有一些命令可以指定如何在代码页面中安排模块和段这点在功能集成中十分重要运行 BL51时需要提供一些参数使 BL51能够对你的各个段正确定位你需要使用 BL51
的第一条指令是 ’BANKAREA’,’BANKAREA’告诉 BL51代码页面的物理地址在本例中为 0000H-
FFFFH ’COMMON’指令告诉连接器那些功能和模块放入公共区域并被装入到每个页面中 ’COMMON’指令在 BL51手册中定义你还能使用 ’BANKx’指令指定装入各个代码页面中的功能段和模块下面是本例中的 BL51连接指令
BL51 COMMON{C_ROOT.OBJ},&
BANK0{BANK0.OBJ},&
BANK1{BANK1.OBJ},&
BANK2{BANK2.OBJ},&
BANK3{BANK3A.OBJ,BANK3B.OBJ},&
BANK4{BANK4.OBJ},&
BANK5{?PR?MYFUNC?MISC,BANK5.OBJ},&
BANK6{TABLES.OBJ,BANK6.OBJ},&
BANK7{BANK7.OBJ,MISC.OBJ} &
BANKAREA(0000H,0FFFFH)
你可以在一个页面中放入多个模块也可指定模块中的某一段对公共区域也是这样最后一点是连接器会在每个页面中根据各段列出的顺序为它们分配地址如果你想一个功能段在代码段的低地址把它作为 BANKx指令的第一个参数广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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7 结论这章我们讨论了如何使用 Keil提供的开发包来提高你的程序给中断服务程序分配寄存器组控制连接器的覆盖可以提高代码的性能还可以对系统的 RAM和 ROM进行扩展希望读者能够充分的利用这些功能下一章我们将讨论设计方面的技术这些技术可以说是未来的趋势广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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第十章 8051的模糊控制
1 介绍软件开发就和社会一样都是向前发展的在嵌入式控制系统特殊控制系统中最新的发展趋势是模糊逻辑控制美国的工程师已经开始对模糊逻辑进行研究发现它在解决某些问题方面是一个非常好的工具但是现在有不少人鼓吹模糊逻辑能够解决任何系统问题要你们买他的开发包你应该清醒的认识到模糊逻辑虽然对不少系统来说是个非常好的解决方案但对很多系统来说帮助不大这章你将了解不需要去购买昂贵的模糊逻辑开发工具有一种简单的方法可在 8051上使用模糊控制在此之前你要先了解一下模糊控制
2 什么是模糊逻辑我们认识事物的一般逻辑是要么对要么错不可能两者都是举个例子 5比1 0
小是对的这种逻辑和很多情况如线形问题是相符合的而且也可用于曲线的情况它的优点就是很适用于计算机这种使用二进制数的机器但是在很多情况下这种逻辑并不适用在真实的世界中很多事物在某种程度上是真确的或是错误的一部份真并且一部份假在模糊逻辑中是基本概念模糊逻辑中是用一个数据点在某个指定范围内出现的程度来表示这个概念的 1表示一定在范围内 0表示一定不在范围内在 0和1之间有无限种程度如,25,5,75等表 0-1
假设如果室外温度为 90度那么对于这个温度用能用表 0-1列出的天气类型来描述在这里每种天气类型可以看成是一个范围数据点 90度属于这个范围的程度被列了出来对于一个数据点它属于某个范围的程度是有严格定义的这个例子用一张图表给出了它们之间的关系 cold,chilly,mild,warm,hot分别对应着一个函数
图 0-1 温度函数从图中可以看出 90度两个函数 warm,hot 有交点,因此它们的模糊度不为 0 而其它的函数没有交点所以模糊度为 0 90度和 warm函数的交点的纵坐标为 0.25 即它的模糊度同样在 hot范围内的模糊度为1,00
功能函数曲线可以为任何形状最为常见的为梯形其它形状都可以从梯形演变过来下面是一些常见的模糊功能函数图广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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图 0-2 一些模糊函数类型前两个曲线形状 singleton和 crisp 类似于布尔逻辑要么 u=0 要么 u=1 其余的函数曲线 u可以为任何值 u为模糊度改变 trapezoidal曲线的曲度可以使之成为
singleton crisp triangular型曲线这样就可以用一种模糊曲线表示四种模糊设置
trapezoidal triangular crisp和 singleton 另外两种函数比较难表示模糊分析最基本的要素就是模糊函数类型一个模糊系统由模糊函数和相应的操作组成例如一个基于温度的风扇调速模糊控制系统遵循这样的原则如果温度升高则风扇速度加快通过现在的温度得到一个热的模糊度然后将这个模糊度和标准值进行比较以决定是否是热的状态然后采取相应的行动一般来说一个模糊逻辑规则包括 ’if’部分和 ’then’部分 ’if’部分可包含多个条件,’then’
部分也可包含多个结果条件和结果都可用 AND OR NOT这样的逻辑操作联系起来当然还有其它的模糊操作但这三种是最常见的这三种操作的算术意义见表 0-2
一个逻辑系统由一系列逻辑规则组成而每个逻辑规则又可有多个条件和结果使用逻辑规则的数量由系统决定这一系列逻辑规则被称为规则基还可以为每个规则提供一个权在大多数模糊系统中每个规则的权都被置1
表明每个规则的重要性都是一样的但是有些系统中其中表 0-2
一些规则比其它的规则重要那么它的权可以取大一些例如把更加重要的规则的权值取为1 其它规则的权值小于1 这是因为模糊逻辑中处理的值一般都是从 0到1
规则基的大小取决于要解决问题的大小一般的模糊系统的规则基都比较小大约1 5
个规则越复杂的系统规则越多但是即使系统是大系统规则的数量都控制在 60以下因为规则越多系统作出决定所需要的时间就越长你不必把所有可能的规则都放到系统中去一个小的规则基一样可以控制系统的操作但规则越多系统就越稳定这使模糊逻辑系统能够容忍异常的输入信号
3 模糊系统的结构一个模糊逻辑系统需要三个操作阶段输入预处理模糊推断反模糊处理三者的关系见图 0-3
图 0-3 模糊系统结构预处理阶段进行数据采集这个阶段包括测量输入的数据得到模糊函数规定范围内广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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的值然后用模糊规则进行评估如果需要的话要对输入进行计算例如有一个用于汽车的模糊系统把加速度作为一个输入则需要每隔一定的时间对速度进行采样然后计算加速度模糊推断估计每个模糊规则并计算它对输出结果的影响用前面所提供的方法来得到模糊度由条件得到的 u值反映出结果是真的程度当规则的输出 u值大于 0时就称这个规则触发了每个规则的结果的输出是遵循模糊设置的评估阶段存储每个模糊输出在每个可能设置下的最大的 u值用上面的例子如果温度是热那么风扇转速是高设输入温度为 90
度则对应的 u值为1,00 因为 90度完全在热的范围内因此风扇转速是高的正确程度是1,00 如果当前风扇转速是高的模糊度是 0 那么现在就变成了1 但是风扇转速是高的模糊度是1并不意味着风扇转速就将置高这还要看其它模糊功能输出函数的结果反模糊处理阶段利用所得到的各种模糊输出值和数学方法计算最终的系统输出值有几个常用方法最简单的是最大值法最大值法规定用给定输出的 u的最大值决定与输出相关的操作例如给出输出转速的真实度
ulow = 0.00
umedium = 0.57
uhigh = 1.00
因此转速将被置高因为设置 high对应着最高值最大值法很容易实现但是当数据点落在多个区域中的话这种方法就没有体现模糊控制的优点反模糊输出的一般方法是重心法还是利用前面的条件可以作出下面的图
图 0-4 反模糊处理计算阴影部分的重心这个重心值就为反模糊处理的输出值这种方法虽然好但是计算非常复杂重心法一种简单的处理是把图形当成矩形处理有下面的公式这里 n是输出的设置数 Vi是定义的矩形的长度 Ui是每种设置的真实度由这个公式得到的结果和重心法得到的结果很相似而且容易实现
4 模糊控制使用的场合讲到这里有读者可能会问哪些场合适合使用模糊控制哪些场合不适合使用模糊控制一般准则是如果你的系统已经有了一个精确的能够使用传统逻辑有效处理的数学模型的时候就不要使用模糊控制了而对一些不能够准确描述的系统但是又能够凭经验控制这一般都是一些复杂的非线形系统这时可以请一些有经验的专家来指定系统的操作规则模糊控制系统能够根据这些规则得到正确的输出模糊控制的一个优点就是你能够根据用语言来表达系统的解决方案这使得解决方广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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案更加符合人的思考习惯除此之外模糊系统很容易通过修改规则和模糊函数来进行调整模糊控制的一个缺点是你必须证明你的方案对所有的输入都是有效的就像传统的逻辑方案一样
5 进行模糊控制有了一些关于模糊的基本概念之后我们来设计一个小的系统从中可以学到一些模糊控制系统的设计方法进行设计之前先用简单的语言来描述这个系统这意味着你要知道什么是输入量什么是输出量和它们的类型假如你设计一个系统控制一辆自动力汽车在某一点停下来为了实现这个目的需要知道汽车现在离这一点的距离和汽车现在的速度而输出将控制刹车的力度用上述语言描述系统之后我们确定了两个输入量汽车离停车点的距离和汽车现在的速度系统的输出量为刹车的程度下面的任务就是要定义输入和输出的模糊范围你先不要考虑具体的数值而是做一些基本的描述根据对系统的感性认识用语言来描述它这种认识可以来自专家或通过调查和研究举个例子可以找一个驾驶汽车有 20年之久的司机从他那里了解操作汽车的各种参数在这里我根据驾驶汽车一般的经验来进行设计首先考虑离停车点的距离当汽车和停车点的距离达到一定的程度之后才启动系统因为驾驶员不会在汽车离停车点还距离一公里的时候就去考虑放慢速度准备刹车的当汽车离停车点还有几百米的时候才会开始减速我们可以把汽车离停车点的距离语言符号为 DISTANCE 分为几类 FAR NEAR CLOSE VCLOSE(very close) 其中 VCLOSE设置中包括汽车已经到达停车点第二个输入量是汽车的速度语言符号是 VELOCITY 它也被分成几类 VSLOW FAST
MEDIUM SLOW VSLOW 其中 VSLOW设置中包括速度 0
输出量为刹车的力度用符号 BRAKE表示也被分为了几类 NONE LIGHT MEDIUM VHARD
它们的数学意义将在以后定义有了输入输出量之后就可以定义规则了有些模糊控制系统的设计者认为成员函数应该在规则定义之前定义不过这只是个人喜好问题我先定义规则的原因是这样可以更加全面的了解系统定义规则基最简单的办法是用输入量建立一个表格然后填入输出量这使系统更加具体但要注意表格只适用于输入量为 AND操作的情况如下表
表 0-3
一旦建立了上面的表格之后就把它看成真值表把结果填进去举个例子如果速度为 VFAST并且距离为 FAR 那么结果为 MEDIUM 下面为完成的表格
表 0-4
有些时候一些规则可被简化成一个规则假设规则如果 VELOCITY是 VSLOW并且广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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DISTANCE是 VCLOSE 那么 BRAKE是 LIGHT 改成如果 VELOCITY是 VSLOW并且 DISTANCE是
VCLOSE 那么 BRAKE是 NONE 表的最底层可简化为如果 VELOCITY是 VSLOW 那么 BRAKE是
NONE
系统规则被建立起来之后就开始建立每个模糊设置的成员函数你要知道每个输入的范围例如要建立 VELOCITY的模糊成员函数你要知道它的范围是从 0MPH到 25MPH 下面是 VELOCITY的成员函数
图 0-5 VELOCITY的成员函数成员函数的定义没有一定的规则根据实际系统的具体情况而定不一定要包含横坐标上面所有的点也不一定非要有数据点同时对应着两个函数下面是 DISTANCE和 BRAKE的成员函数
图 0-6 DISTANCE的成员函数
图 0-7 BRAKE的成员函数当所有这些完成之后就开始编写程序来实现这些模糊功能
6 模糊功能的实现用 8位控制器进行逻辑控制首先对规则和成员函数进行定义定义可以手工进行也可以使用买来的工具这里我们使用手工的方法在 8位机上实现逻辑控制要考虑如何在系统中表达这些逻辑规则最好把条件和结果都用 8位数据表示这样就不能使用规则的权和使用括号把一些操作放入条件中这里讨论的模糊逻辑不提供 AND和 OR操作以及超过 8位数据的输入量和输出量处理逻辑规则基被放入一个存在代码区的数组中数组中的每个元素为一个字节包含了逻辑规则的一个分支如果存储空间够的话也可以把数据放在一个结构中这能使你快速的得到分支的信息以字节存储分支的结构如下广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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表 0-5
如果第 7位为 0就认为这个分支为条件分支 2到 0位的值就是输入数据 6到 4位的值就是输入量的成员函数第 3位表示对这个条件得到的 u值是进行或操作还是与操作如果第 7位为1就认为这个分支为结果分支 2到 0位的值就是输出数据第 3位对结果分析没有影响知道了分支的内部结构之后就很容易建立规则了还是汽车的例子设输入 0为速度输入1为距离输出只有一个刹车力度设为输出 0 功能函数也从 0到 n 本例中 n的最大值为 5 因为速度输入有 5个成员函数在代码中为每个可能的分支定义常量例如 VELOCITY
IS VFAST 的常量名为 VEL_VFAST 列表 0-1为常量定义列表 0-1
// 定义速度输入常量
#define VEL_VSLOW 0x00
#define VEL_SLOW 0x10
#define VEL_MEDIUM 0x20
#define VEL_FAST 0x30
#define VEL_VFAST 0x40
// 定义距离输入常量
#define DIST_VCLOSE 0x01
#define DIST_CLOSE 0x11
#define DIST_NEAR 0x21
#define DIST_FAR 0x31
// 定义刹车输出常量
#define BRAKE_NONE 0x80
#define BRAKE_LIGHT 0x90
#define BRAKE_MEDIUM 0xA0
#define BRAKE_HARD 0xB0
#define BRAKE_VHARD 0xC0
有了上面的常量定义后规则的描述就很简单了对于汽车系统来说规则的形式为如果输入 x1为 y1且输入 x2为 y2 那么输出 x3为 y3 你也可以通过分配分支的位置使用像
AND和 OR这样的连接词例如要表达如果 velocity为 vfast或 velocity为 slow且距离为 far
那么刹车为 none 可用下面的方法
VEL_FAST,VEL_SLOW | 0x08,DIST_FAR,BRAKE_NONE
把建立的所有规则存入数组中在汽车的例子中所有可能的规则都存在一个规则基数组中列表 0-2
unsigned char code rules[RULE_TOT]={ // 模糊系统规则
// if..,and..,then...
VEL_VSLOW,DIST_VCLOSE,BRAKE_LIGHT,
VEL_VSLOW,DIST_CLOSE,BRAKE_NONE,
VEL_VSLOW,DIST_NEAR,BRAKE_NONE,
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VEL_VSLOW,DIST_FAR,BRAKE_NONE,
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VEL_SLOW,DIST_NEAR,BRAKE_NONE,
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VEL_VFAST,DIST_NEAR,BRAKE_HARD,
VEL_VFAST,DIST_FAR,BRAKE_MEDIUM
};
规则建立完毕下面开始定义模糊成员函数我们认为你的输入功能函数要么是梯形的要么可以从梯形转变过来而为了简化反模糊处理输出功能函数都为矩形当输入功能函数为梯形时用 4个字节就可以描述它我们把梯形看成一个切去头部的三角形软件通过存储折点和斜率来描述这个三角形图 0-8是一个例子
图 0-8
存储点1和点 3 斜率1和斜率 2 有了这 4个值软件就可以得到 u值 u值用一个无符号字节来表示 FFH为全真 OOH为全假用整型来计算 u值以防范围超过范围当超过范围时可以把数值截取在 00H到 FFH之内功能函数值被存储在一个 3维数组中见列表 0-3
列表 0-3
unsigned char code input_memf[INPUT_TOT][MF_TOT][4]={
// 输入功能函数以点斜式方式存储,第一维是输入号
// 第二维是成员函数标号第三维是点斜式数据
// 速度功能函数
{
{ 0x00,0x00,0x1E,0x09 },// VSLOW
{ 0x1E,0x0D,0x50,0x09 },// SLOW
{ 0x50,0x0D,0x96,0x0D },// MEDIUM
{ 0x8C,0x06,0xC8,0x09 },// FAST
{ 0xC8,0x0D,0xFF,0x00 } // VFAST
},
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// 距离功能函数
{
{ 0x00,0x00,0x2B,0x0A },// VCLOSE
{ 0x33,0x08,0x80,0x0A },// CLOSE
{ 0x6E,0x07,0xC7,0x08 },// NEAR
{ 0xC7,0x0A,0xFF,0x00 } // FAR
}
};
表中的值由你的功能函数决定当功能函数的取值范围确定以后把它们转换成新的范围从 0到 FF 4个点按照这个范围进行转换当你有了这 4个点的1 6进制值之后可用下面的程序把他们在转化成所需要的斜率程序的列表如下列表 0-4
#include <stdio.h>
void main(void) {
unsigned char val[4],output[4],ans,flag;
do {
printf("\n\nenter 4 hex points,");
scanf(" %x %x %x %x",&val[0],&val[1],&val[2],&val[3]);
output[0]=val[0];
output[2]=val[2];
if (val[1]-val[0]) {
output[1]=(0xFF+((val[1]-val[0])/2))/(val[1]-val[0]);
} else {
output[1]=0;
}
if (val[3]-val[2]) {
output[3]=(0xFF+((val[3]-val[2])/2))/(val[3]-val[2]);
} else {
output[3]=0x00;
}
printf("\nThe point-slope values are,%02X %02X %02X
%02X\n\n",output[0],output[1],output[2],output[3]);
do {
flag=1;
printf("run another set of numbers? ");
while (!kbhit());
ans=getch();
if (ans!='y' && ans!='Y' && ans!='n' && ans!='N') {
flag=0;
printf("\nhuh?\n");
}
} while (!flag);
} while (ans=='y' || ans=='Y');
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printf("\nlater,hosehead!\n");
}
这个小程序可以帮你建立系统的输入功能函数输入功能函数建立起来了后就该建立输出功能函数了把输出功能函数看成矩形并选择函数体的中点这样做可以简化反模糊处理的数学过程
图 0-9 输出功能函数这些输出值被存储在一张表中列表 0-5
unsigned char code output_memf[OUTPUT_TOT][MF_TOT]={
// 输出成员函数
// 第一维是输出号,第二维是成员函数标号
{ 15,67,165,220,255,0,0,0 } // braking force singletons:
// NONE,LIGHT,MEDIUM,HARD,
// VHARD
};
模糊控制函数通过遍历规则基数组进行估计分析条件时把当前规则中的 u值保存在变量 ’if_val’中条件检测结束后开始估计结果,模糊控制函数通过比较 ’if_val’和当前输出的参考 u值来得出结果如果当前保存在 ’if_val’中的数大于参考的输出值则就把 ’if_val’
中的值作为新的输出值一旦结果分析完毕开始一个新的规则查询时恢复 ’if_val’值模糊控制的源代码见列表 0-6 当前的正在进行分析的分支被保存在可位寻址区以便对里面的位进行快速寻址列表 0-6
/*****************************************************************
Function,fuzzy_engine
Description,实施规则基中的规则
Parameters,无
Returns,无,
Side Effects,无
*****************************************************************/
unsigned char bdata clause_val; // 保存当前的分支进行
// 快速访问
sbit operator = clause_val^3; // 这位表示所使用的模糊操作
sbit clause_type = clause_val^7; // 表示分支是否是条件分支
// 或者是结果分支
void fuzzy_engine(void) {
bit then; // 当正在分析结果时
// 置位
unsigned char if_val,// 保存当前规则中条广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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// 件分支中的值
clause,// 规则基中当前的分支
mu,// 保存当前分支中的值
inp_num,// 当前条件使用的输入
label; // 被条件使用的成员函数
then=0; // 设第一个分支是条件分支
if_val=MU_MAX; // max out mu for the first rule
for (clause=0; clause<RULE_TOT; clause++) { // 遍历每条规则
clause_val=rules[clause]; // 读入当前的分支
if (!clause_type) { // 当前的分支是不是条件分支
if (then) { // 是否正在分析结果,..
then=0;
if_val=MU_MAX; // 复位 mu
}
inp_num=clause_val & IO_NUM; // 得到当前输入号
label=(clause_val & LABEL_NUM) / 16; // 得到功能函数
mu=compute_memval(inp_num,label); // 得到条件分支的值
if (operator) { // 如果是 OR
// 操作,..
if (mu > if_val) { // 取最大值
if_val=mu;
}
} else { // 如果是 AND操作
if (mu < if_val) { // 取最小值
if_val=mu;
}
}
} else { // 当前分支是结果
then=1; // 置位标志位
// 如果当前规则的 mu比参考的值要大,保存这个值作为新的模糊输出
if (outputs[clause_val & IO_NUM]
[(clause_val & LABEL_NUM) / 16] < if_val) {
outputs[clause_val & IO_NUM]
[(clause_val & LABEL_NUM) / 16]=if_val;
}
}
}
defuzzify(); // 用 COG方法计算模糊输出
// 和反模糊输出
}
通过调用 ’compute_memval’函数来估计每个给定输入的分支的 u值把这段代码放在一个函数中是为了当功能函数改变时可以很方便的修该其代码列表 0-7
/*****************************************************************
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Function,compute_memval
Description,计算条件分支的 mu值,设功能函数是以点斜式方式存储的
Parameters,inp_num - unsigned char,使用的输入号
label - unsigned char,输入使用的功能函数
Returns,unsigned char,计算的 mu值
Side Effects,无
*****************************************************************/
unsigned char compute_memval(unsigned char inp_num,
unsigned char label) {
int data temp;
if (input[inp_num] < input_memf[inp_num][label][0]) {
// 如果输入不在曲线下
// u值为 0
return 0;
} else {
if (input[inp_num] < input_memf[inp_num][label][2]) {
temp=input[inp_num]; // 用点斜式计算 mu
temp-=input_memf[inp_num][label][0];
if (!input_memf[inp_num][label][1]) {
temp=MU_MAX;
} else {
temp*=input_memf[inp_num][label][1];
}
if (temp < 0x100) { // 如果结果不超过1
return temp; // 返回计算结果
} else {
return MU_MAX; // 确保 mu值在范围内
}
} else { // 输入落在第二条斜线上
temp=input[inp_num]; // 用点斜式方法
// 计算 mu
temp-=input_memf[inp_num][label][2];
temp*=input_memf[inp_num][label][3];
temp=MU_MAX-temp;
if (temp < 0) { // 确保结果不小于 0
return 0;
} else {
return temp; // mu为正 – 返回结果
}
}
}
return 0;
}
当遍历完所有规则后相应的输出被保存在 outputs数组中模糊控制函数调用广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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defuzzify功能把数组中的输出值转变成可被系统使用的 COG输出值计算的方式采用我们以前所讨论过的简化了的重心法这个过程占用了模糊控制中的大部分时间下面是该函数的代码列表 0-8
/*****************************************************************
Function,defuzzify
Description,计算模糊输出的重心并调用函数把它
转换成可被系统使用的输出量
Parameters,无,
Returns,无,
Side Effects,outputs[][] 数组被清零,
*****************************************************************/
void defuzzify(void) {
unsigned long numerator,denominator;
unsigned char i,j;
for (i=0; i<OUTPUT_TOT; i++) { // 对所有的输出,..
numerator=0; // 恢复总数值
denominator=0;
for (j=0; j<MF_TOT; j++) { // 计算总和值
numerator+=(outputs[i][j]*output_memf[i][j]);
denominator+=outputs[i][j];
outputs[i][j]=0; // 清零输出作为参考使用
}
if (denominator) { // 确保分母是 0的情况不发生
fuzzy_out[i]=numerator/denominator; // 确定 COG
} else {
fuzzy_out[i]=DEFAULT_VALUE; // 没有规则被触发
}
}
normalize(); // 把模糊输出作为正常输出
}
7 方案调整前面所描述的模糊控制系统使用的存储空间相对较少不进行优化地编译这些代码发现只使用了 3字节的内部 RAM 80字节的外部 RAM和1 290字节的代码空间其中 380字节用来存放数组对于它较强的功能来说这些存储空间显得很小我试着运行了这个系统得到了下面的结果我们看到程序执行的时间是很长的如果你的存储空间不大的话就不得不忍受这种速度而节省空间如果你认为这种速度太慢了那么就不得不牺牲一些存储空间以获得速度上的提高最快速的改善系统的方法就是改变模糊功能函数的实现方式以前采用的点斜式存储方式这种方式可以节省存储空间但广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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处理起来的时间较长如果你愿意放弃一些存储空间可以把输入范围内的 256个数据点存储下来避免进行数值计算在汽车系统中将占用 2304个字节的 EPROM空间除此之外还要限制输入和输出数组的表长度这样汽车模糊系统中就有一个输出数组两个输入数组和五个功能函数做了这个改变后系统的处理速度将更快得到 u值所需的时间也会缩短以前所用的 ’compute_memval’函数被下面一行代码所替代
mu=input_memf[inp_num][label][input[inp_num]];
做了以上改动后就可以得到如下效果系统的执行速度差不多提高了 4倍 7500
个指令周期的执行时间比 33000个指令周期的执行时间更容易被系统所接受新的系统使用了1个字节内部 RAM 8个字节外部 RAM和 3010
个字节的 EPROM 其中 2625个字节用来存放功能函数表还可以对系统进行改进因为在这个例子中不需要使用 OR操作这部分代码可以去掉一旦一个条件的 u值为 0 后面的条件和结果的处理就可以跳过去改进后的系统使用一个字节内部 RAM 8个字节外部 RAM和 3031个字节的 EPROM 其中 2625个字节用来保存表格系统的执行效果如下表列表 0-9是新的汽车模糊处理的源代码所有的代码都保存在一个文件中为它定义一个头文件以便和系统的其他部分进行接口列表 0-9
#define OUTPUT_TOT 1
#define MF_TOT 5
#define INPUT_TOT 2
#define MU_MAX 0xFF
#define IO_NUM 0x07
#define LABEL_NUM 0x70
#define DEFAULT_VALUE 0x80
unsigned char outputs[MF_TOT],// 模糊输出 mu值
fuzzy_out; // 模糊控制值
unsigned char input[INPUT_TOT] ={ // 模糊输入
0,0
};
unsigned char code input_memf[INPUT_TOT][MF_TOT][256]={
// 输入功能函数
{
{ // velocity,VSLOW
0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,
0xFF,0xFF,
0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,
0xFF,0xF6,
0xED,0xE4,0xDB,0xD2,0xC9,0xC0,0xB7,0xAE,0xA5,0x9C,0x93,0x8A,0x81,0x78,
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0x6F,0x66,
0x5D,0x54,0x4B,0x42,0x39,0x30,0x27,0x1E,0x15,0x0C,0x03,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00
},
{ // velocity,SLOW
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x0D,
0x1A,0x27,0x34,0x41,0x4E,0x5B,0x68,0x75,0x82,0x8F,0x9C,0xA9,0xB6,0xC3,
0xD0,0xDD,
0xEA,0xF7,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,
0xFF,0xFF,
0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,
0xFF,0xFF,
0xFF,0xF6,0xED,0xE4,0xDB,0xD2,0xC9,0xC0,0xB7,0xAE,0xA5,0x9C,0x93,0x8A,
0x81,0x78,
0x6F,0x66,0x5D,0x54,0x4B,0x42,0x39,0x30,0x27,0x1E,0x15,0x0C,0x03,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
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0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00
},
{ // velocity,MEDIUM
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x0D,0x1A,0x27,0x34,0x41,0x4E,0x5B,0x68,0x75,0x82,0x8F,0x9C,0xA9,
0xB6,0xC3,
0xD0,0xDD,0xEA,0xF7,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,
0xFF,0xFF,
0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,
0xFF,0xFF,
0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,
0xFF,0xFF,
0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xF2,0xE5,0xD8,0xCB,0xBE,0xB1,0xA4,
0x97,0x8A,
0x7D,0x70,0x63,0x56,0x49,0x3C,0x2F,0x22,0x15,0x08,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
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0x00,0x00,
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0xFA,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,
0xFF,0xFF,
0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,
0xFF,0xFF
}
}
};
unsigned char code output_memf[MF_TOT]={
15,67,165,220,255 // braking force singletons:
// NONE,LIGHT,MEDIUM,HARD,
// VHARD
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};
//***************************************************************
// 规则基定义如下每个分支可以是条件也可以是结果如果第 7位为 0
// 则为条件反之为结果 6到 4位确定规则对应的功能函数标号第 3位表
// 明条件的操作规则为 0说明是 AND操作为1说明是 OR操作 2到 0位确定
// 分支使用的输入或输出函数号
//****************************************************************
// define constants for the velocity input
#define VEL_VSLOW 0x00
#define VEL_SLOW 0x10
#define VEL_MEDIUM 0x20
#define VEL_FAST 0x30
#define VEL_VFAST 0x40
// define constants for the distance input
#define DIST_VCLOSE 0x01
#define DIST_CLOSE 0x11
#define DIST_NEAR 0x21
#define DIST_FAR 0x31
// define constants for the brake output
#define BRAKE_NONE 0x80
#define BRAKE_LIGHT 0x81
#define BRAKE_MEDIUM 0x82
#define BRAKE_HARD 0x83
#define BRAKE_VHARD 0x84
#define RULE_TOT 60
unsigned char code rules[RULE_TOT]={ // 模糊系统规则
// if..,and..,then...
VEL_VSLOW,DIST_VCLOSE,BRAKE_LIGHT,
VEL_VSLOW,DIST_CLOSE,BRAKE_NONE,
VEL_VSLOW,DIST_NEAR,BRAKE_NONE,
VEL_VSLOW,DIST_FAR,BRAKE_NONE,
VEL_SLOW,DIST_VCLOSE,BRAKE_MEDIUM,
VEL_SLOW,DIST_CLOSE,BRAKE_LIGHT,
VEL_SLOW,DIST_NEAR,BRAKE_NONE,
VEL_SLOW,DIST_FAR,BRAKE_NONE,
VEL_MEDIUM,DIST_VCLOSE,BRAKE_HARD,
VEL_MEDIUM,DIST_CLOSE,BRAKE_HARD,
VEL_MEDIUM,DIST_NEAR,BRAKE_MEDIUM,
VEL_MEDIUM,DIST_FAR,BRAKE_LIGHT,
VEL_FAST,DIST_VCLOSE,BRAKE_VHARD,
VEL_FAST,DIST_CLOSE,BRAKE_VHARD,
VEL_FAST,DIST_NEAR,BRAKE_HARD,
VEL_FAST,DIST_FAR,BRAKE_MEDIUM,
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VEL_VFAST,DIST_VCLOSE,BRAKE_VHARD,
VEL_VFAST,DIST_CLOSE,BRAKE_VHARD,
VEL_VFAST,DIST_NEAR,BRAKE_HARD,
VEL_VFAST,DIST_FAR,BRAKE_MEDIUM
};
/*****************************************************************
Function,defuzzify
Description,计算模糊输出的重心并把结果转化成系统控制量
Parameters,无
Returns,无,
Side Effects,outputs[] 数组被清零
*****************************************************************/
void defuzzify() {
unsigned long numerator,denominator;
unsigned char j;
numerator=0; // 和值清零
denominator=0;
for (j=0; j<MF_TOT; j++) { // 累加结果
numerator+=(outputs[j]*output_memf[j]);
denominator+=outputs[j];
outputs[j]=0; // 结果使用完毕后被清零
}
if (denominator) { // 确认分母不为 0
fuzzy_out=numerator/denominator; // 计算重心
} else {
fuzzy_out=DEFAULT_VALUE; // 没有规则被触发
// 输出为默认值
}
normalize(); // 将模糊输出转变为
// 控制量
}
/*****************************************************************
Function,fuzzy_engine
Description,处理逻辑规则基
Parameters,无,
Returns,无,
Side Effects,无,
*****************************************************************/
unsigned char bdata clause_val; // 对当前分支进行快速寻址
sbit operator = clause_val^3; // 定义寻址位
sbit clause_type = clause_val^7; // 该位表明分支是条件
// 还是结果广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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void fuzzy_engine() {
bit then; // 进行结果处理时置位
unsigned char if_val,// 保存当前规则中的 u值
clause,// 当前规则基中的分支
mu,// 当前分支中的 mu 值
inp_num,// 条件所使用的输入号
label; // 条件使用的成员函数
// 的标号
then=0; // 确认第一个分支是条件分支
if_val=MU_MAX; // 输出值初始化为最大值
for (clause=0; clause<RULE_TOT; clause++) { // 遍历所有规则
clause_val=rules[clause]; // 把当前分支读入
// bdata区
if (!clause_type) { // 如果当前分支是条件,..
if (then)
then=0;
if_val=MU_MAX;
}
inp_num=clause_val & IO_NUM; // 得到输入号
label=(clause_val & LABEL_NUM) / 16; // 所使用的功能函数
mu=input_memf[inp_num][label][input[inp_num]];// 得到该条件的值
if (!mu) { // 如果条件没有被触发
do { // 跳过这个条件
clause++;
} while (clause<RULE_TOT && !(rules[clause]&0x80));
// 跳过结果
while (clause+1<RULE_TOT && (rules[clause+1]&0x80)) {
clause++;
}
if_val=MU_MAX; // 为下一个规则设定
} else {
if (mu < if_val) { // 取最小值
if_val=mu;
}
}
} else { // 当前分支是结果分支
then=1; // 进行结果处理
// 标志位置1
// 如果当前规则的 mu值比参考值大,就保存这个值
// 作为新的模糊输出值
if (outputs[clause_val & 0x07] < if_val) {
outputs[clause_val & 0x07]=if_val;
}
}
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}
defuzzify(); // 计算模糊输出值和系统的
// 控制值
}
8 结论模糊控制是一种新的控制方法它并不能解决所有的问题但确实可以使一些问题解决起来更加方便当你需要设计一个逻辑控制工程的时候可以借助一些工具来设计功能函数和规则基有些工具还能在 PC上对你的模糊控制系统进行仿真和测试在有了一定的设计经验后这些工具使用起来是十分方便的记住不要去购买那些昂贵的进行模糊控制应用设计的软件广州周立功单片机发展有限公司 Tel 020 38730916 38730917 38730976 38730977 Fax:38730925
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总结这本书向你展示了用 8051进行工程设计时的许多问题希望你读完本书后对 8051的认识能有较大的提高如果你现在还没有够买 C编译器你应该马上去买一个采用 C语言可是你的系统设计更简单维护更方便这本书覆盖面较大从 C和汇编的代码优化到 8051的网络设计再到模糊控制希望你从本书中学到的知识对你今后的系统设计有所帮助

课件简介

课件名称：	单片机相关电子图书资料
课件分类：	计算机
课件类型：	电子图书
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