單片機系統(tǒng)設(shè)計與C51編程實踐

正確估計單片機的能力，知道單片機能做什么，最大程度的挖掘單片機的潛力對一個單片機系統(tǒng)設(shè)計者來說是至關(guān)重要的。我們應(yīng)該有這樣一個認識，即單片機的處理能力是非常強大的。早期的PC機，其CPU（8086）處理能力和8051 相當(dāng)，卻能處理相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)。單片機的能力的關(guān)鍵就在軟件設(shè)計者編寫的軟件上。只有充分地了解到單片機的能力，才不會做出“冗余”的系統(tǒng)設(shè)計。而采用許多的外圍芯片來實現(xiàn)單片機能實現(xiàn)的功能。這樣做,即增加了系統(tǒng)成本，也可能會降低了系統(tǒng)的可靠性。

1.2 系統(tǒng)可靠性至關(guān)重要

【規(guī)則2】使用看門狗。

看門狗電路通常是一塊在有規(guī)律的時間間隔中進行更新的硬件。更新一般由單片機來完成，如果在一定間隔內(nèi)沒能更新看門狗，那看門狗將產(chǎn)生復(fù)位信號，重新復(fù)位單片機。更新看門狗的具體形式多是給看門狗芯片相關(guān)引腳提供一個電平上升沿或讀寫它的某個寄存器。使用看門狗電路將在單片機發(fā)生故障進行死機狀態(tài)時，重新復(fù)位單片機。當(dāng)前有多種看門狗的芯片，如MAXIM 公司的MAX802，MAX813 等。而且，有好多種單片機中本身就集成有看門狗。一個外部的看門狗是最好的，因為它不依賴于單片機。如果可能的話，看門狗更新程序不應(yīng)該放在中斷或是子程序中，原則上應(yīng)該放在主程序中。我曾經(jīng)見過一個工程師，他所調(diào)試的程序在運行時偶而會引起看門狗的復(fù)位動作，于是他干脆在每10ms 就中斷一次的時鐘中斷程序中清看門狗。我相信他也知道使看門狗失去作用，可他卻沒有不是去查明引起這個現(xiàn)象的真正原因。因此，我想提醒大家：不論什么理由，絕對不要忽略系統(tǒng)故障的真正原因。高質(zhì)量的產(chǎn)品來自于高素質(zhì)的工程師，高質(zhì)量的產(chǎn)品造就高素質(zhì)的工程師。

【規(guī)則3】確定系統(tǒng)的復(fù)位信號可靠。

這是一個很容易忽略的問題。當(dāng)你在設(shè)計單片機系統(tǒng)時，你腦中有這個概念嗎？什么樣的復(fù)位信號才是可靠的嗎？你用示波器查看過你設(shè)計的產(chǎn)品的復(fù)位信號嗎？不穩(wěn)定的復(fù)位信號可能會產(chǎn)生什么樣的后果？你有沒有發(fā)現(xiàn)過你所設(shè)計的單片機系統(tǒng)，每次重新上電啟動后，數(shù)據(jù)變得亂七八糟，并且每一次現(xiàn)象并不相同，找不出規(guī)律，或者有時候干脆不運行，或者有時候進入一種死機狀態(tài)，有時候又一點事都沒有正常運行？在這種情況下，你應(yīng)該查一下你的系統(tǒng)的復(fù)位信號。一般在單片機的數(shù)據(jù)手冊（Datasheet）中都會提到該單片機需要的復(fù)位信號的要求。一般復(fù)位信號的寬度應(yīng)為。復(fù)位電平的寬度和幅度都應(yīng)滿足芯片的要求，并且要求保持穩(wěn)定。還有特別重要的一點就是復(fù)位電平應(yīng)與電源上電在同一時刻發(fā)生，即芯片一上電，復(fù)位信號就已產(chǎn)生。不然，由于沒有經(jīng)過復(fù)位，單片機中的寄存器的值為隨機值，上電時就會按PC 寄存器中的隨機內(nèi)容開始運行程序，這樣很容易進行誤操作或進入死機狀態(tài)。

【規(guī)則4】確定系統(tǒng)的初始化有效。

系統(tǒng)程序開始應(yīng)延時一段時間。這是很多單片機程序設(shè)計中的常用方法，為什么呢？因為系統(tǒng)中的芯片以及器件從上電開始到正常工作的狀態(tài)往往有一段時間，程序開始時延時一段時間，是讓系統(tǒng)中所有器件到達正常工作狀態(tài)。究竟延時多少才算合適？這取決于系統(tǒng)的各芯片中到達正常工作狀態(tài)的時間，通常以最慢的為準。一般來說，延時20-100毫秒已經(jīng)足夠。對于系統(tǒng)中使用嵌入式MODEM 等“慢熱”型的器件來說，則應(yīng)更長。當(dāng)然，這都需要在系統(tǒng)實際運行中進行調(diào)整。

【規(guī)則5】上電時對系統(tǒng)進行檢測。

上電時對系統(tǒng)中進行檢測是單片機程序中的一個良好設(shè)計。在硬件設(shè)計時也應(yīng)該細細考慮將各個使用到的芯片、接口設(shè)計成容易使用軟件進行測試的模式。很多有經(jīng)驗的單片機設(shè)計者都會在系統(tǒng)上電時（特別是第一次上電時）進行全面的檢測，或者更進一步，將系統(tǒng)的運行狀態(tài)中分為測試模式和正常運行模式，通過加入測試模式對系統(tǒng)進行詳細的檢測，使得系統(tǒng)的批量檢測更為方便容易。另外要注意的是，一個簡單明了的故障顯示界面也是頗要費得心思的。比如：系統(tǒng)的外部RAM（數(shù)據(jù)存儲器）是單片機系統(tǒng)中常用的器件。外部RAM 如果存在問題，程序通常都會成為一匹脫韁的野馬。因此，程序在啟動時（至少在第一次上電啟動時）一定要對外部RAM 進行檢測。檢測內(nèi)容包括：1）檢測RAM 中的單元。這主要通過寫入和讀出的數(shù)據(jù)保持一致。2）檢測單片機與RAM 之間的地址數(shù)據(jù)總線?？偩€即沒有互相短路，也沒有連接到“地”上。另外，很多芯片，都提供了測試的方法。如串行通信芯片UART，都帶環(huán)路測試的功能。

【規(guī)則6】按EMC 測試要求設(shè)計硬件。

EMC 測試要求已經(jīng)成為產(chǎn)品的必需。有很多的文章關(guān)于這方面的。

1.3 軟件編程和調(diào)試

【規(guī)則7】盡可能使用Small 模式編譯

對比起Large模式和Compact 模式，Small 模式能生成更為緊湊的代碼。在Small 模式下，C51 編譯器將沒有使用關(guān)鍵詞，如idata、pdata、xdata特殊聲明的變量通通放在data單元中。在編程中，對于在的數(shù)據(jù)區(qū)，可以指定放在外部存儲器中。

【規(guī)則8】在仿真前做好充分的準備

單片機硬件仿真器給單片機開發(fā)者帶來了極大的方便，同時也很容易造成人的依賴性。很多時候，沒有仿真器卻能促使工程師寫出更高質(zhì)量的程序。也許在硬件仿真調(diào)試之前，下面準備工作將會對你有用：

1）程序編完后，對代碼仔細逐行檢查。檢查代碼的錯誤，建立自己的代碼檢查表，對經(jīng)常易錯的地方進行檢查。檢查代碼是否符合編程規(guī)范。 2）對各個子程序進行測試。測試的方法：用程序測試程序，編制一個調(diào)用該子程序的代碼，建立要測試子程序的入口條件，再看看它是否按預(yù)期輸出結(jié)果。

3）如果代碼有修改，再次對代碼進行檢查。

4）有可能的話，進行軟件仿真——Keil C 的軟件仿真功能十分強大。軟件仿真可以防止因硬件的錯誤，如器件損壞、線路斷路或短路，而引起調(diào)試的錯誤。

5）開始硬件仿真。

【規(guī)則9】使用庫函數(shù)

重用代碼，尤其是是標準庫的代碼，而不是手工編寫你自己的代碼。這樣更快、更容易也更安全。KeilC 中提供了多個庫函數(shù)，這些庫函數(shù)的用法在KeilC 的幫助文件中有詳細的描述。

【規(guī)則10】使用const。

這一點在很多經(jīng)典的關(guān)于C 和C++的書籍中是必談的要點。在《Exceptional　C++》一書中，對這點有很精彩的描述，現(xiàn)摘錄如下：“沒有正確的安全意識的槍手在世界上是不可能活的很長的。const 觀念不正確的程序員也是一樣和沒有時間戴緊帽子的正確，沒有時間檢查帶電電線的電工一樣不會活的很長。”

在C 語言中，const 修飾符表示告訴編譯器此函數(shù)將不會改變被修飾的變量的指向的任何值（除了強制類型轉(zhuǎn)換）。當(dāng)把指針作為參數(shù)傳遞時，總是合適地使用const，不僅可以防止你無意中錯誤的賦值，而且還可以防止在作為參數(shù)將指針傳遞給函數(shù)時可能會修改了本不想改變的指針所指向的對象的值。如： const int num = 7;

num = 9; file://有/可能得到編譯器的警告。

const char *ptr，則表示該指針所指向的內(nèi)容不會被改變，如果在程序中被發(fā)生對其賦值的操作，編譯時將出錯誤提示。如：

const char *ptr = “hello”;

*ptr = ‘H’; file://錯/誤，所指內(nèi)容不可改變也可將const 放在星號后面來聲明指針本身不可改變。如:

char* const ptr;

ptr++; file://錯/誤，指針本身不可改變

也可同時禁止改變指針和它所引用的內(nèi)容，其形式如下： const char* const ptr;

【規(guī)則11】使用static

static是一個能夠減少命名沖突的有用工具。將只在一個模塊文件中的變量和函數(shù)使用static 修飾，將不會和其他模塊可能具有相同名稱的函數(shù)和變量在模塊連接時不會產(chǎn)生名稱沖突。一般來說，只要不是提供給其它模塊使用的函數(shù)，和非全局變量，均應(yīng)使用static修飾。將子程序中的變量使用static 修飾時，表示這個變量在程序開始時分配內(nèi)存，在程序結(jié)束時釋放，它們在程序執(zhí)行期間保持它們的值。如：

void func1(void)

{

static int time = 0;

time++

}

void func2(void)

{

static int time = 0;

time++;

}

兩個子程序中的time 變量使用static 修飾，所以它們是靜態(tài)變量，每調(diào)用一次time將進行加1，并保持這個值。它們的功能與下面程序相似：

int time1 = 0;

int time2 = 0;

void func1(void)

{

time1++

}

void func2(void)

{

time2++;

}

我們可以看出，使用static修飾后，模塊中的全局變量減少，使得程序的更為簡單。

【規(guī)則12】不要忽視編譯器的警告。

編譯器的給出的警告都是有的放矢，在沒有查清引起警告的真正原因之前，不要忽視它。 【規(guī)則13】注意溢出問題，寫安全的代碼。

1.4 KeilC 編程

【規(guī)則14】深入了解你所用的工具。仔細查看KeilC 附帶的幫助文件，你能找到你期待已久的東西。KeilC 是當(dāng)前最好用的單片機開發(fā)軟件。要充分利用該軟件的功能，就必須對它深入的進行了解。

【規(guī)則15】不要使用語言的冷僻特性，并且記住，耍小聰明會貽害無窮。最重要的是編寫你理解的代碼，理解你編寫的代碼，你就可能會做得很好。

2 推薦書目

要成為一個優(yōu)秀的單片機系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計工程師，興趣、熱情、責(zé)任心至關(guān)重要。

2.1 單片機技術(shù)學(xué)習(xí)

《微機原理及應(yīng)用(從16 位到32 位) 》戴梅萼等著清華大學(xué)出版社。學(xué)校教材，也是當(dāng)年我學(xué)習(xí)單片機的啟蒙書。

2.2 C51 編程學(xué)習(xí)

《單片機高級語言C51 Windows 環(huán)境編程與應(yīng)用》作者:徐愛鈞彭秀

華電子工業(yè)出版社。這本書幾乎覆蓋了C51 編程的方方面面，最新版本對當(dāng)前使用最廣的keilC 也有很詳細的講述。對于剛學(xué)C51 編程的同志，本書是上上之選，強力推薦。比起現(xiàn)今書市上的所謂什么“C51 編程圣經(jīng)”之類的書強得多。

2.3 C 語言編程必讀

《C 陷阱與缺陷》Andrew Koenig著

《C 專家編程》Peter Van Der Linden 著

C 語言開發(fā)技術(shù)經(jīng)典之作，C 程序員必讀之書，數(shù)十年來經(jīng)久不衰。如果你想對C 語言全面的掌握，真正了解C 語言的精髓，這兩本書是必讀之作。由人民郵電出版社出版的中文譯本也還不錯。

2.4 程序設(shè)計技術(shù)方面

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》, 嚴蔚敏, 清華大學(xué)出版社。清華大學(xué)出版社的教材質(zhì)量穩(wěn)定，中規(guī)中矩，價格相對來說也便宜一點。

《程序設(shè)計實踐》Brian W. Kernighan, Rob Pike著；《代碼大全》（網(wǎng)上有下載）。這兩本是能讓你看后，感覺有大突破的那種書籍，千萬別吝惜銀子。

3 后記

從事單片機開發(fā)工作已經(jīng)有差不多三年時間了，自己感覺積累了一些經(jīng)驗和體會。這篇文章就算是一個總結(jié)吧。本來想寫的更為詳細一些，加入C51中指針及uvision 軟件仿真的一些使用體會，以及自己的一些開發(fā)實踐，但一想，keilc中的說明書已經(jīng)夠詳細了，而我的開發(fā)產(chǎn)品所有權(quán)又不屬于我本人，因此，并沒有深入下去。由于本人水平有限，這次也是抱著與各位交流學(xué)習(xí)的目的，非常歡迎各位與我聯(lián)系交流，共同探討。