第3章

　　CHAPTER3

　　MSP430單片機(jī)C語(yǔ)言

　　程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

　　3.1單片機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

　　3.1.1程序流程圖

　　在程序設(shè)計(jì)中，最重要的不是編寫代碼而是算法設(shè)計(jì)，這與建筑和機(jī)械制造很相似。例如，當(dāng)要建設(shè)一棟高樓時(shí)，首先要做的是繪制高樓的結(jié)構(gòu)圖以及施工圖，然后是現(xiàn)場(chǎng)施工。程序設(shè)計(jì)也是如此，當(dāng)面對(duì)一個(gè)程序設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，首先想要做的是先畫出整個(gè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)的流程圖，然后再使用具體的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)。可見(jiàn)，程序流程圖的繪制在整個(gè)程序設(shè)計(jì)中起著重要作用。實(shí)際上，繪制流程圖的過(guò)程就是思考和形成算法的過(guò)程。由于其直觀性，繪制過(guò)程本身又促進(jìn)了思考。因此，程序流程圖是人們對(duì)解決問(wèn)題的方法、思路或算法的一種描述方法。當(dāng)人們看到一個(gè)優(yōu)秀的程序流程圖時(shí)，就能很快地把握住程序結(jié)構(gòu)和處理思路，有利于程序糾錯(cuò)和維護(hù)。

　　程序流程圖具有符號(hào)規(guī)范、畫法簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)清晰、邏輯性強(qiáng)、便于描述、容易理解等優(yōu)點(diǎn)。繪制流程圖所需要的基本符號(hào)如圖3.1所示，它們分別是起始框、終止框、執(zhí)行框和判別框。其中，起始框和終止框是程序流程圖必備的；執(zhí)行框中注有必要文字說(shuō)明以指示具體執(zhí)行了何種操作，該框所指的操作可大可小。在概要設(shè)計(jì)階段執(zhí)行框所描述的是一個(gè)大的功能模塊。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段則是指在實(shí)現(xiàn)某一特定功能時(shí)需要執(zhí)行的具體指令或語(yǔ)句。

　　圖3.1流程圖中基本符號(hào)

　　繪制程序框圖的規(guī)則：使用標(biāo)準(zhǔn)的框圖符號(hào)；框圖一般按從上到下、從左到右的方向畫；除判別框外，大多數(shù)程序框圖的符號(hào)只有一個(gè)進(jìn)入點(diǎn)和一個(gè)退出點(diǎn)，而判別框是具有超過(guò)一個(gè)退出點(diǎn)的唯一符號(hào)。在繪制流程圖時(shí)要注意結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)中三種基本結(jié)構(gòu)的流程圖標(biāo)準(zhǔn)畫法。盡量將復(fù)合條件轉(zhuǎn)為多個(gè)單一條件。流程線不要忘記畫箭頭，因?yàn)樗�是反映流程�?zhí)行的先后順序。如果不畫箭頭，就難以判斷執(zhí)行次序。

　　3.1.2單片機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

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

　　C語(yǔ)言是一種既具有高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，又具有部分匯編語(yǔ)言特點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。C語(yǔ)言也是一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，因?yàn)樗�提供了三種基本結(jié)構(gòu)語(yǔ)句，而且提供了定義“函數(shù)”的功能。函數(shù)可以完成子程序的所有功能，是完成程序功能的基本構(gòu)件。由于函數(shù)允許將一個(gè)程序中的多個(gè)任務(wù)被分別定義、編碼和單獨(dú)編譯，所以函數(shù)可以使程序模塊化。作為一種高級(jí)語(yǔ)言，C語(yǔ)言功能齊全、應(yīng)用范圍大，已是目前最為流行的高級(jí)語(yǔ)言之一。但是C語(yǔ)言代碼的執(zhí)行效率比匯編語(yǔ)言要低。

　　在程序設(shè)計(jì)歷史上匯編語(yǔ)言曾是非常流行的語(yǔ)言之一。一方面，隨著硬件技術(shù)的進(jìn)步，CPU性能不斷提高、儲(chǔ)存資源日益增大、成本逐漸降低；另一方面，隨著軟件規(guī)模的增長(zhǎng)以及對(duì)開(kāi)發(fā)進(jìn)度和效率的苛刻要求，高級(jí)語(yǔ)言逐漸取代了匯編語(yǔ)言。但即便如此，高級(jí)語(yǔ)言也不可能完全替代匯編語(yǔ)言的作用。以Linux內(nèi)核為例，盡管絕大部分內(nèi)核代碼是用C語(yǔ)言編寫的，但在某些關(guān)鍵地方仍然使用了匯編代碼。因?yàn)檫@部分代碼與硬件的關(guān)系非常密切，即使是C語(yǔ)言也會(huì)顯得力不從心，而匯編語(yǔ)言則能夠很好地?fù)P長(zhǎng)避短，最大限度地發(fā)揮硬件的性能。

　　一般對(duì)于小程序來(lái)說(shuō)，若是對(duì)硬件進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制可以用匯編語(yǔ)言，若更多涉及邏輯設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容，則需要使用C語(yǔ)言。對(duì)于稍大一些的程序來(lái)說(shuō)，C語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)就十分明顯了。就現(xiàn)代單片機(jī)程序設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，大多是以C語(yǔ)言為主，匯編語(yǔ)言為輔。即只有在那些對(duì)代碼大小和效率要求較高的場(chǎng)合才使用匯編語(yǔ)言。

　　3.1.3單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的一般步驟

　　圖3.2單片機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖

　　人們?cè)谇度胧较到y(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中摸索出了程序設(shè)計(jì)的一般步驟，具體如圖3.2所示。該步驟對(duì)于基于單片機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與程序開(kāi)發(fā)具有很好的借鑒作用。按此步驟進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)可使設(shè)計(jì)者少走彎路，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品可靠性。

　　1.需求分析、明確任務(wù)

　　該階段要盡可能搞清楚用戶的全部需求信息，即對(duì)要完成的任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)的了解與分析。然后將具體的實(shí)際問(wèn)題抽象轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以處理的問(wèn)題。

　　2.算法設(shè)計(jì)

　　在明確任務(wù)之后，就需要將其轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)算法。算法就是在計(jì)算機(jī)上解決問(wèn)題的方法與步驟。對(duì)于復(fù)雜的大型程序，算法設(shè)計(jì)又可分為概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。對(duì)于比較小的軟件兩個(gè)可以同時(shí)做。詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后算法設(shè)計(jì)也就基本完成了，接下來(lái)將設(shè)計(jì)好的算法轉(zhuǎn)化成使用具體程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫出的程序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上的求解。在設(shè)計(jì)算法時(shí)一般會(huì)采用或借鑒現(xiàn)有的一些計(jì)算方法和日常生活中解決問(wèn)題的邏輯思維推理方法等。

　　繪制程序流程圖是在算法設(shè)計(jì)之初就開(kāi)始的工作，在算法設(shè)計(jì)好之后，程序流程圖也就確定了。所以說(shuō)算法設(shè)計(jì)的過(guò)程，也是繪制程序流程的過(guò)程。通過(guò)畫流程圖可以首先從圖上檢驗(yàn)算法的正確性，減少出錯(cuò)的可能，使得動(dòng)手編寫程序時(shí)的思路更加清晰。

　　3.芯片選擇及合理分配單片機(jī)資源

　　等完成算法設(shè)計(jì)之后，就需要決定在何種硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)上述算法。在確定好主要芯片之后，就需要完成單片機(jī)系統(tǒng)的資源配置及分配，主要是單片機(jī)存儲(chǔ)空間和工作單元的合理分配和外圍設(shè)備的配置。在這個(gè)過(guò)程中，應(yīng)充分利用不同型號(hào)單片機(jī)的特殊優(yōu)點(diǎn)以方便資源配置和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。例如，合理、正確地對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)行分段和數(shù)據(jù)定義。由于MSP430單片機(jī)對(duì)16位數(shù)據(jù)處理效率最高，因此要充分利用這一特點(diǎn)。

　　4.代碼編寫

　　該步驟在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中是最為重要的一步。經(jīng)過(guò)1~3步的準(zhǔn)備，已完成了程序代碼編寫前的所有工作。編寫程序時(shí)要選擇好編寫語(yǔ)言，對(duì)于同一種算法，不同的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言會(huì)有不同的實(shí)現(xiàn)方法。編程能力的提高是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，一方面，要多讀現(xiàn)有的程序，以學(xué)習(xí)別人的編程經(jīng)驗(yàn)；另一方面，還必須多動(dòng)手，親自編寫程序，不要怕失敗，只有通過(guò)無(wú)數(shù)次失敗，才能從中積累自己的編程經(jīng)驗(yàn)。

　　5.程序調(diào)試

　　在源代碼編寫完畢之后，就要進(jìn)行調(diào)試。通過(guò)調(diào)試的程序只能說(shuō)明沒(méi)有語(yǔ)法錯(cuò)誤，但不能排除沒(méi)有邏輯錯(cuò)誤。所以能不能達(dá)到預(yù)期效果還必須用實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試才可以。一般來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)反復(fù)測(cè)試的過(guò)程。對(duì)此，程序編寫人員，尤其是初學(xué)者一定要有充分的心理準(zhǔn)備。只要有足夠的耐心，加上認(rèn)真、細(xì)致的工作態(tài)度，就一定能找出其中的邏輯錯(cuò)誤。事實(shí)上，即使是一個(gè)非常有經(jīng)驗(yàn)的程序員，也沒(méi)有百分之百的把握一次就成功。

　　6.性能評(píng)估

　　在程序調(diào)試完后，就需要將程序應(yīng)用到產(chǎn)品上進(jìn)行實(shí)際環(huán)境檢驗(yàn)，其中包括功能檢驗(yàn)、可靠性檢驗(yàn)、極端環(huán)境下檢驗(yàn)。凡經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)符合要求了，整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作就算結(jié)束了，接下來(lái)就是文檔整理與使用說(shuō)明書的編寫工作了。若不符合要求，則需要重新開(kāi)始，這是最壞的情況。一般而言，只要將任務(wù)需求分析做得足夠細(xì)，一般不會(huì)出現(xiàn)這種極端情況。

　　7.文檔整理與編寫

　　程序運(yùn)行無(wú)誤，實(shí)際試運(yùn)行正常，且經(jīng)過(guò)了各種環(huán)境測(cè)試，但這并不意味著產(chǎn)品開(kāi)發(fā)任務(wù)的結(jié)束。程序文檔的編寫也是程序設(shè)計(jì)的一個(gè)重要任務(wù)。其目的是為了便于修改和維護(hù)程序。程序文檔一般包括含有功能要求和指標(biāo)程序的設(shè)計(jì)任務(wù)書、程序流程圖、存儲(chǔ)單元分配清單、源程序清單、應(yīng)用系統(tǒng)資源分配、參量計(jì)算和設(shè)計(jì)、錯(cuò)誤信息的定義、實(shí)際功能及指標(biāo)測(cè)試結(jié)果說(shuō)明、程序使用和維護(hù)說(shuō)明書等。需要注意的是，部分程序文檔的編寫是與上述1~6步同時(shí)進(jìn)行的。

　　3.2MSP430單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)

　　目前支持MSP430單片機(jī)的C語(yǔ)言編譯器很多，國(guó)內(nèi)主要使用的是IAR公司的IAREmbeddedWorkbenchforMSP430(EW430)和TI公司開(kāi)發(fā)的CodeComposerStudio(CCS)。MSPGCC作為一種開(kāi)源編譯器也具有一定的使用者。這些C編譯器功能比較強(qiáng)大，可以編譯出高效、緊湊的機(jī)器代碼。

　　MSP430單片機(jī)的C語(yǔ)言程序(以后簡(jiǎn)稱C430)設(shè)計(jì)方法與標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言的基本上相同。但單片機(jī)的資源與PC相比，十分匱乏。為了更好地適應(yīng)MSP430單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)，C430對(duì)標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言進(jìn)行了擴(kuò)展。主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、關(guān)鍵字?jǐn)U展以及由此引起的函數(shù)擴(kuò)展等。需要說(shuō)明的是，不同的C430編譯器對(duì)C語(yǔ)言的擴(kuò)展不完全相同，例如，IAR公司的C編譯器與TI公司的C編譯器都對(duì)C語(yǔ)言的支持程度略有不同，大多數(shù)情況下，MSP430單片機(jī)的源程序可以在各個(gè)版本的C430編譯器上使用。

　　3.2.1數(shù)據(jù)類型與運(yùn)算符

　　1.標(biāo)識(shí)符與關(guān)鍵字

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

　　表3.1C語(yǔ)言中的32個(gè)關(guān)鍵詞

　　與數(shù)據(jù)類型相關(guān)的關(guān)鍵字(12個(gè))

　　short聲明短整型變量或函數(shù)struct聲明結(jié)構(gòu)體變量或函數(shù)

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

　　long聲明長(zhǎng)整型變量或函數(shù)enum聲明枚舉類型

　　float聲明浮點(diǎn)型變量或函數(shù)void聲明函數(shù)無(wú)返回值或無(wú)參數(shù)，聲明無(wú)類型指針

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

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

　　續(xù)表

　　與變量有關(guān)的關(guān)鍵字(6個(gè))

　　auto聲明自動(dòng)變量extern聲明變量是在其他文件正聲明

　　const聲明只讀變量register聲明寄存器變量

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

　　與程序控制有關(guān)的關(guān)鍵字(12個(gè))

　　if條件語(yǔ)句for一種循環(huán)語(yǔ)句

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

　　switch用于開(kāi)關(guān)語(yǔ)句while循環(huán)語(yǔ)句的循環(huán)條件

　　case開(kāi)關(guān)語(yǔ)句分支continue結(jié)束當(dāng)前循環(huán)，開(kāi)始下一輪循環(huán)

　　default開(kāi)關(guān)語(yǔ)句中的“其他”分支break跳出當(dāng)前循環(huán)

　　goto無(wú)條件跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句return子程序返回語(yǔ)句(可以帶參數(shù)，也可不帶參數(shù))

　　其他關(guān)鍵字(2個(gè))

　　sizeof計(jì)算數(shù)據(jù)類型長(zhǎng)度typedef用以給數(shù)據(jù)類型取別名