基于PICC編譯環(huán)境的PIC程序編寫

　　本文主要以HiTech PICC為基礎(chǔ)，介紹PIC的C語言的基本特點(diǎn)。

　　1 HiTech PICC語言的特點(diǎn)

　　PICC基本上符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)，但是不支持函數(shù)的遞歸調(diào)用，其主要原因是PIC單片機(jī)特殊的堆棧結(jié)構(gòu)。PIC單片機(jī)中的堆棧是硬件實(shí)現(xiàn)的，其深度已隨芯片固定，無法實(shí)現(xiàn)需要大量堆棧操作的遞歸算法;另外在PIC單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)軟件堆棧的效率也不是很高。為此，PICC編譯器采用一種“靜態(tài)覆蓋”技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)C語言函數(shù)中的局部變量分配固定的地址空間。經(jīng)這樣處理后產(chǎn)生出的機(jī)器代碼效率很高。當(dāng)代碼量超過4KB后，C語言編譯出的代碼長度與全部用匯編代碼實(shí)現(xiàn)的差別已經(jīng)不是很大(10%)，當(dāng)然前提是在整個(gè)C代碼編寫過程中需時(shí)時(shí)注意所編寫語句的效率。

　　2 PICC中的變量

　　PICC中的變量類型和標(biāo)準(zhǔn)C語言一樣，這里不再重復(fù)。為了使編譯器產(chǎn)生最高效的機(jī)器碼，PICC把單片機(jī)中數(shù)據(jù)寄存器的bank交由編程員自己管理，因此在定義用戶變量時(shí)必須自己決定這些變量具體放在哪一個(gè)bank中。如果沒有特別指明，所定義的變量將被定位在bank0。定義在其他bank內(nèi)的變量前面必須加上相應(yīng)的bank序號(hào)，例如：

　　bank1 unsigned char temp;//變量定位在bank1中

　　中檔系列PIC單片機(jī)數(shù)據(jù)寄存器的一個(gè)bank大小為128B，除前面若干字節(jié)的特殊功能寄存器區(qū)域，在C語言中某一bank內(nèi)定義的變量字節(jié)總數(shù)不能超過可用RAM字節(jié)數(shù)。如果超過bank容量，在最后連接時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)，大致信息如下：

　　Error[000]:Can’t find 0x12C words for psect rbss_1 in segmentBANK1

　　鏈接器提示，總共有0x12c(300)字節(jié)準(zhǔn)備放到bank1中，但bank1容量不夠。雖然變量所在的bank定位必須由編程員自己決定，但編寫源程序時(shí)在進(jìn)行變量存取操作前無需再特意編寫設(shè)定bank的指令。C編譯器會(huì)根據(jù)所操作的對(duì)象自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)bank設(shè)定的匯編指令。為避免頻繁的bank切換以提高代碼效率，盡量把實(shí)現(xiàn)同一任務(wù)的變量定位在同一個(gè)bank內(nèi);對(duì)不同bank內(nèi)的變量進(jìn)行讀寫操作時(shí)也盡量把位于相同bank內(nèi)的變量歸并在一起進(jìn)行連續(xù)操作。

　　bit型位變量只能是全局的或靜態(tài)的。PICC將把定位在同一bank內(nèi)的8個(gè)位變量合并成一個(gè)字節(jié)存放于一個(gè)固定地址。PICC對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間實(shí)行位編址，0x000單元第0位位地址是0x0000，以此類推，每個(gè)字節(jié)有8個(gè)位地址。如果一個(gè)位變量flag1被編址為0x123，那么實(shí)際的存儲(chǔ)空間位于：

　　字節(jié)地址=0x123/8 = 0x24

　　位偏移=0x123%8 = 3

　　即flag1位變量位于地址為0x24字節(jié)的第3位。在程序調(diào)試時(shí)如果要觀察flag1的變化，必須觀察地址為0x24的字節(jié)而不是0x123。PICC在編譯原代碼時(shí)只要有可能，對(duì)普通變量的操作也將以最簡(jiǎn)單的位操作指令來實(shí)現(xiàn)。假設(shè)一個(gè)字節(jié)變量tmp最后被定位在地址0x20,那么

　　tmp | =0x80=>bsf 0x20.7

　　另外，函數(shù)可以返回一個(gè)位變量，返回的位變量將存放于單片機(jī)的進(jìn)位位中返回。

　　3 PICC中的指針

　　3.1 指向RAM的指針

　　PICC在編譯C源程序時(shí)，將指向RAM的指針操作最終用FSR來實(shí)現(xiàn)間接尋址。FSR能夠直接連續(xù)尋址的范圍是256B，所以一個(gè)指針可以同時(shí)覆蓋2個(gè)bank的存儲(chǔ)區(qū)域(bank0/1或bank2/3，一個(gè)bank區(qū)域是128 B)。要覆蓋最大512B的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，在定義指針時(shí)必須明確指定該指針適用的尋址區(qū)域。例如：

　　unsigned char *pointer0; //定義覆蓋bank0/1的指針

　　bank2 char *pointer1;//定義覆蓋bank2/3的指針

　　既然定義的指針有明確的bank適用區(qū)域，在對(duì)指針變量賦值時(shí)就必須實(shí)現(xiàn)類型匹配，否則將產(chǎn)生錯(cuò)誤，例如：

　　unsigned char *pointer0; //定義指向bank0/1的指針

　　bank2 unsigned char buff;//定義bank2/3中的一個(gè)緩沖區(qū)

　　程序語句：

　　pointer() =buff;//錯(cuò)誤!試圖將bank2內(nèi)的變量地址賦給指向bank0/1的指針

　　若出現(xiàn)此類錯(cuò)誤的指針操作，PICC在最后鏈接時(shí)會(huì)告知類似于下面的信息：

　　Fixup overflow in expression (…)

　　3.2 指向ROM常數(shù)的指針

　　如果一組變量是已經(jīng)被定義在ROM區(qū)的常數(shù)，那么指向其的指針可以這樣定義：

　　const unsigned char company[]="software"

　　3.3 指向函數(shù)的指針

　　因?yàn)樵赑IC單片機(jī)這一特定的架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)函數(shù)指針調(diào)用的效率不高，因此，除非特殊算法的需要，建議大家盡量不要使用函數(shù)指針。

　　4 PICC中的子程序和函數(shù)

　　中檔系列的PIC單片機(jī)程序空間有分頁的概念，但用C語言編程時(shí)基本不用過多關(guān)心代碼的分頁問題。因?yàn)樗泻瘮?shù)或子程序調(diào)用時(shí)的頁面設(shè)定(如果代碼超過一個(gè)頁面)都由編譯器自動(dòng)生成的指令實(shí)現(xiàn)。

　　4.1 函數(shù)的代碼長度限制

　　PICC決定了C源程序中的一個(gè)函數(shù)經(jīng)編譯后生成的機(jī)器碼一定會(huì)放在同一個(gè)程序頁面內(nèi)。中檔系列PIC單片機(jī)的一個(gè)程序頁面的長度是2KB，用C語言編寫的任何一個(gè)函數(shù)最后生成的代碼不能超過2KB。如果為實(shí)現(xiàn)特定的功能確實(shí)要連續(xù)編寫很長的程序，這時(shí)就必須把這些連續(xù)的代碼拆分成若干函數(shù)，以保證每個(gè)函數(shù)最后編譯出的代碼不超過一個(gè)頁面空間。

　　4.2 調(diào)用層次的控制

　　PIC單片機(jī)采用硬件堆棧，所以編程時(shí)函數(shù)的調(diào)用層次會(huì)受到一定限制。一般PIC系列的中檔單片機(jī)硬件堆棧深度為8級(jí)。程序員必須自己控制子程序調(diào)用時(shí)的嵌套深度以符合這一限制要求。PICC在最后編譯鏈接成功后可以生成一個(gè)鏈接定位映射文件(*.map)，在此文件中有詳細(xì)的函數(shù)調(diào)用嵌套指示圖“call graph”，有些函數(shù)調(diào)用是編譯時(shí)自動(dòng)加入的庫函數(shù)，這些函數(shù)調(diào)用從C源程序中無法直接看出，但在嵌套指示圖上則一目了然。

　　5 C語言和匯編語言混合編程

　　單片機(jī)的一些特殊指令操作在標(biāo)準(zhǔn)的C語言語法中沒有直接對(duì)應(yīng)的描述，例如PIC單片機(jī)的清看門狗指令“clrwdt”和休眠指令“sleep”;單片機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是控制的實(shí)時(shí)性，為了實(shí)現(xiàn)這一要求，有時(shí)必須用匯編指令實(shí)現(xiàn)部分代碼以提高程序運(yùn)行的效率。在C程序中嵌入?yún)R編指令有2種方法。

　?、?如果只需要嵌入少量幾條匯編指令，PICC提供了一個(gè)類似于函數(shù)的語句：

　　asm("clrwdt");

　　這是在C源程序中直接嵌入?yún)R編指令的最直接最容易的方法。

　　② 如果需要編寫一段連續(xù)的匯編指令，PICC支持另外的一種語法描述：用“#asm”來開始匯編指令段，用“#endasm”結(jié)束。例如:

　　5.1 匯編指令尋址C語言定義的全局變量

　　所有C語言中定義的符號(hào)在編譯后將自動(dòng)在前面添加下劃線“_”。因此，若要在匯編指令中尋址C語言定義的各類變量，一定要在變量前加上“_”符號(hào),例如上例中的count是在C語言中定義的無符號(hào)全局變量，在匯編語言中只需在其前面加上“_”符號(hào)就可進(jìn)行訪問了。另外，對(duì)于C語言中定義的多字節(jié)全局變量，例如C語言中的如下定義：

　　int advalue;

　　在匯編語言里訪問時(shí)就得分字節(jié)訪問，例如：

　　asm(“movf_advalue+0.0”);//把a(bǔ)dvalue低字節(jié)中的數(shù)送到w里

　　asm(“rrf_advalue+1”)//把a(bǔ)dvalue高字節(jié)中的數(shù)左移一位

　　5.2 匯編指令尋址C函數(shù)的局部變量

　　前面已經(jīng)提到，PICC對(duì)自動(dòng)型局部變量(包括函數(shù)調(diào)用時(shí)的入口參數(shù))采用一種“靜態(tài)覆蓋”技術(shù)，對(duì)每一個(gè)變量確定一個(gè)固定地址(位于bank0)，嵌入的匯編指令對(duì)其尋址時(shí)只需采用數(shù)據(jù)寄存器的直接尋址方式即可，因此關(guān)鍵是要知道這些局部變量的尋址符號(hào)。建議讀者先編寫一小段C代碼，其中有最簡(jiǎn)單的局部變量操作指令，把此源代碼編譯成對(duì)應(yīng)的PICC匯編指令;查看C編譯器生成的匯編指令是如何尋址這些局部變量的，自己編寫的行內(nèi)匯編指令就采用同樣的尋址方式。

　　相對(duì)于匯編語言，用C語言編程的優(yōu)勢(shì)是毋庸置疑的：開發(fā)效率大大提高、人性化的語句指令及模塊化的程序易于日常管理和維護(hù)、程序在不同平臺(tái)間移植方便。所以既然使用C語言編程，就應(yīng)該盡量避免嵌入?yún)R編指令或編寫匯編指令模塊文件。例如：

　　變量的循環(huán)右移操作用C語言實(shí)現(xiàn)非常不方便，PIC單片機(jī)已有對(duì)應(yīng)的移位操作匯編指令，因此用嵌入?yún)R編的形式實(shí)現(xiàn)效率最高。對(duì)移位次數(shù)的控制，實(shí)際上變量count1的遞減判零也可以直接用匯編指令實(shí)現(xiàn)，這樣可節(jié)約代碼，但用標(biāo)準(zhǔn)C語言描述更直觀、更易于維護(hù)。

　　6 注意事項(xiàng)

　?、?既然所有的局部變量將占用bank0的存儲(chǔ)空間，因此用戶自己定位在bank0內(nèi)的變量字節(jié)數(shù)將受到一定的限制，在實(shí)際使用時(shí)需注意。

　?、?當(dāng)程序中把非位變量進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換成位變量時(shí)，要注意編譯器只對(duì)普通變量的最低位做判別：若最低位是0，則轉(zhuǎn)換成位變量0;若最低位是1，則轉(zhuǎn)換成位變量1。

　　③ 由于PIC系列單片機(jī)的內(nèi)部資源十分有限，所以在允許的條件下應(yīng)盡量使用無符號(hào)字符型變量，以節(jié)約空間。

　　④ PICC對(duì)絕對(duì)定位的變量不保留地址空間，例如：

　　unsigned char advalue @ 0x20;//advalue定位在地址0x20，相當(dāng)于匯編語言中的偽指令

　　advalue EQU 20H

　　所以請(qǐng)讀者慎用。

　?、?盡量使用全局變量進(jìn)行參數(shù)傳遞，使用全局變量最大的好處是尋址直觀，只需在C語言定義的變量名前增加一個(gè)下劃線符即可在匯編語句中尋址;使用全局變量進(jìn)行參數(shù)傳遞的效率也比形參高。

　?、?對(duì)于多字節(jié)變量(如int型、float型變量等)PICC遵循Little endian標(biāo)準(zhǔn)，即低字節(jié)放在存儲(chǔ)空間的低地址，高字節(jié)放在高地址，編程時(shí)需注意。

　　7 結(jié)語

　　一般C語言產(chǎn)生的代碼是比較繁瑣的，所以要寫出高質(zhì)量、實(shí)用的C語言程序，就必須對(duì)單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)和硬件資源作詳盡的了解。用C語言開發(fā)PIC系列單片機(jī)系統(tǒng)軟件具有編寫代碼效率高、軟件調(diào)試直觀、維護(hù)升級(jí)方便、代碼的重復(fù)利用率高、便于跨平臺(tái)的代碼移植等優(yōu)點(diǎn)，因此C語言編程在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用必將越來越廣泛。