单片机教程4.C语言基础以及流水灯的实现

　　1.1 二进制、十进制和十六进制

　　看似很简单的东西，但是从同学们学习视频的情况来看，很多同学不能彻底明白。这里先简单介绍一些注意事项，然后还是从实验中讲解会比较深刻。

　　1、十进制就不多说了，逢十进位，一个位有十个值：0～9，我们的生活中到处都是它的身影。二进制就是逢二进位，它的一个位只有两个值：0和1，但它却是实现计算机系统的最基本的理论基础，计算机（包括单片机）芯片是基于成万上亿个的开关管组合而成的，他们每一个都只能有开和关两种状态，再难找出第三个状态了（不要辩解半开半关这个状态，它是不稳定态，是极力避免的），所以他们只能对应于二进制的1和0两个值，而没有2、3、4……，理解二进制对于理解计算机的本质很有帮助。书写二进制数据时需加前缀0b，每一位的值只能是0或1。十六进制就是把4个二进制位组合为一位来表示，于是它的每一位有0b0000～0b1111共16个值，用0～9再加上A～F（或a～f）表示，那么它自然就是逢十六进位了，它本质上同二进制是一样的，是二进制的一种缩写形式，也是我们程序编写中常用的形式。书写十六进制数据时需加前缀0x，下表是三种进制之间的对应关系。

表4-1 进制转换

　　2、对于二进制来说，8位二进制我们称之为一个字节，二进制的表达范围值是从0b00000000～0b11111111，而我们程序中用十六进制表示的时候就是从0x00到0xFF，这里教大家一个二进制转换十进制和十六进制的方法，二进制4位一组，遵循8,4,2,1的规律比如 1010，那么从最高位开始算，数字大小是8*1+4*0+2*1+1*0 = 10，那么十进制就是10，十六进制就是0xA。尤其二进制转十六进制的时候，十六进制一位刚好是和二进制的4位相互对应的，这些大家不需要强行记忆，用几次就熟练了。

　　3、对于进制来说，只是数据的表现形式，而数据的大小不会因为进制表现形式不同而不同，比如二进制的0b1、十进制的1、十六进制的0x01，他们本质上数值大小相等的同一个数据。我们在进行C语言编程的时候，我们只写十进制和十六进制，那么不带0x的就是十进制，带了0x符号的就是十六进制。

　　1.2 C语言变量类型和范围

　　什么是变量？变量自然和常量是相对的。常量比如是1、2、3......等固定的数字，而变量，和我们小学学的x是一个概念，我们可以让它是1，也可以让它是2，我们想让它是几是我们程序说了算的。

　　那么我们小学学的数学里边，有这么几类，正数、负数、整数和小数。在C语言里，名字和我们数学里学的不一样外，还对数据大小进行了限制。这个地方有一点复杂的是，在C51里边的数据范围和其他编程环境还不完全一样，因此我们下边的这个图，仅仅代表的是C51，其他编程环境可能不一样，大家知道有这回事就可以了。

　　C语言的数据基本类型分为整型、字符型以及浮点型，如图4-1

图4-1 C语言数据类型

　　图4-1中，三种基本类型，每个基本类型又包含了两个类型。其中字符型和整型，除了有一定的数据大小范围之外，只能表达整数。而unsigned型的又只能表达正数，要表达负数必须用signed型，表达小数，必须用浮点型。

　　这里有一个编程宗旨，就是能用小不用大。就是说定义能用1个字题的，就不定义成int，一方面节省RAM空间可以让其他变量或者中间运算过程使用，另外一方面，占空间小程序运算速度也快一些。

　　1.3 for循环语句

　　for语句是我们今后编程的一个常用的语句，这个语句必须得学会其用法，他不仅仅可以用来做延时，还可以用来做一些循环运算。for语句的一般形式如下：

　　for(表达式1; 表达式2; 表达式3)

　　(需要执行的语句);

　　其执行过程是：表达式1首先执行且只执行一次；然后执行表达式2，通常都是一个用于判定条件的表达式，如果表达式2条件成立，就执行(需要执行的语句)；然后再执行表达式3；再判断表达式2，再执行表达式3.....一直到表达式2不成立时，跳出循环往下执行。举个例子：

    for(i = 0; i<2; i++)  

        j++;

　　这里有一个符号++，这个符号表示加1的意思。假如j最开始初值是0，首先执行表达式1的i=0，然后判断i小于2这个条件成立，就执行一次j++，j的值就是1了，然后经过表达式3后，i的值也变成1了，再判断条件2，还是符合，j再加一次，j变成2了，表达式3后i也变成2了，再判断条件2，发现2<2这个条件不成立了，所以就不会再执行j++这个语句了。所以执行完毕后，j的值就是2。   

　　for语句除了这种标准用法，还有几种特殊用法，我们上节课的闪烁小灯对for语句的用法for(i=0; i<30000; i++) ;我们没有加(需要执行的语句)，没有加的话，就是什么都不操作。但是什么都不操作的话，我们这个for语句循环判断了30000次，程序执行是会用掉时间的，所以就起到了延时的作用。比如我们把30000改成20000，会发现灯的闪烁速度加快了，因为我们延时时间短了，当然，我们该成40000后会发现，闪烁慢了。但是有一点特别注意，C语言的延时时间是不能通过程序看出来的，也不会成比例，比如假如我们这个for循环里边的表达式2使用30000的时候延时3秒的话，那么延时40000的时候，可能不会是4秒，那如何看实际延时时间呢，一会我再教大家。

　　还有一种写法for( ; ; )，这样写后，这个for循环就变成了死循环了，就不停的执行(需要执行的语句)，和我们前边讲的while(1)的意思是一样的。那while这个语法是如何用的呢？

　　1.4 while循环语句

　　在我们单片机C语言编程的时候，每个程序我们都会固定的加一句while(1)，这条语句就可以起到死循环的作用。对于while语句来说，他的一般形式是：

     While (表达式)

     {

        循环体语句；

     } 

　　在C语言里，通常表达式符合条件，我们叫做真，不符合条件，叫做假。比如前边i<30000，当i等于0的时候，那这个条件成立，就是真，如果i大于30000的时候，条件不成立，叫做假。

　　while(表达式)这个括号里的表达式，为真的时候，就会执行循环体语句，当为假的时候，就不执行。在这里先不举例，后边遇到时再详细说明。

　　还有另外一种情况，就是我们C语言里边，除了表达式外，还有常数，习惯上，我们非0的常数都认为是真，只有0认为是假，所以我们程序中加了while(1)，这个数字1，可以改成2,3,4......等等都可以，都是一个死循环，不停的执行循环体的语句，但是如果把这个数字改成0，那么就不会执行循环体的语句了。

　　1.5 函数的简单介绍

　　函数定义的一般形式如下：

    函数值类型  函数名 (形式参数列表)

    {

        函数体

    }

　　1、函数值类型，就是函数返回值的类型。在我们后边程序使用中，会有很多函数中有return x这个东西，这个返回值也就是函数本身的类型。还有一种情况，就是这个函数只执行操作，不需要返回任何值，那么这个时候它的类型就是空类型void，这个void按道理来说是可以省略的，但是一旦省略，Keil软件会报一个警告，所以我们通常也不省。

　　2、函数名。可以是任何合法的标示符，但是不能与其他函数或者变量重名，也不能是关键字。什么是关键字，后边我们慢慢接触，比如char这类，都是关键字，是我们程序中具备特殊功能的标志符，这种东西不可以命名函数。

　　3、形式参数列表，我们也叫做形参，这个是函数调用的时候，相互传递数据用的。有的函数，我们不需要传递参数，那么可以用void来替代，void同样可以省略，但是那个括号是不能省略的。

　　4、函数体。函数体包含了声明语句部分和执行语句部分。声明语句部分主要用于声明函数内部所使用的变量，执行语句部分主要是一些函数需要执行的语句。特别注意，所有的声明语句部分必须放在执行语句之前，否则编译的时候会报错。

　　5、一个工程文件必须有且仅能有一个main函数，程序执行的时候，都是从main函数开始的。

　　6、关于形参和实参的概念，我们后边再总结，如果遇到程序里有，大家再跟着抄一段时间。先用，后讲解，这样更有利于理解。

　　我们再来回顾一下我们上节课闪烁LED程序部分

void  main()               //void即函数类型          

{

    unsigned int i = 0;   //定义一个无符号整数i，变量范围是0~65535

                            //并且赋一个初值0

    ENLED = 0;             //先定义变量i，后写执行部分

    ADDR0 = 0;

    ADDR1 = 1;

    ADDR2 = 1;

    ADDR3 = 1;             //74HC138开启三极管   

    while(1)               //程序死循环  

    {

           LED = 0;                //点亮小灯

           for(i=0;i<30000;i++);  //for延时操作

           LED = 1;                //熄灭小灯

           for(i=0;i<30000;i++);  //for延时操作

    }

}

　　1.6 Keil软件延时

　　 C语言常用的延时办法，有以下4种

图4-2 C语言延时

　　图4-2是我们编程语言常用的4种延时方法，其中两种非精确延时，两种精确一些的延时。for语句和while语句都可以通过改变i的范围值来改变延时时间，但是C语言的时间都是不能通过程序看出来的。

　　精确延时有两个方法，一个方法是用定时器来延时，这个方法我们后边课程要详细介绍，定时器是单片机的一个重点。另外一个就是用库函数_nop_();，一个NOP的时间是一个机器周期的时间，这个后边也要介绍。

　　非精确延时，只是在我们做一些简单的比如小灯闪烁，流水灯等简单实验中使用，而实际做实际开发程序中其实这种非精确延时用的极少，这里我们只是做演示功能使用。

　　好了，介绍完了，我们就要实战了。上节课的LED小灯闪烁的程序，我们用的延时方式是for(i=0;i<30000;i++);大家如果把这里的i改成100，下载进入单片机，会发现小灯一直亮，而不是闪烁状态，现在大家都把这个程序改一下，都改成100，然后下载观察一下现象再继续。

　　观察完了，毫无疑问，实际现象和我提到的理论是相符合的，这是为什么呢？这里介绍一个常识。我们人的肉眼对闪烁的光线有一个最低分辨能力，通常情况下当闪烁的频率高于50Hz时，我们看到的信号就是常亮的。即，延时的时间低于20ms的时候，我们的肉眼是分辨不出来小灯是在闪烁的，可能最多看到的是小灯亮暗稍微变化了一下。要想清楚的看到小灯闪烁，延时的值必须大一点，大到什么程度呢，不同的亮度的灯不完全一样，大家可以自己做实验。

　　那么如何观察延时有多长时间呢？大家鼠标点Keil的Project-->Options for Target ‘Target1’，或点Target1右侧图标，进入设置选项，如图4-3所示

图4-3 Options for Target

  首先我们打开Target这个选项卡，找到里边的Xtal(MHz)这个位置，这是填写我们进行模拟时间的晶振选项，从我们原理图以及板子上都可以看到，我们单片机所配的晶振是11.0592MHz，所以这个地方我们要填上11.0592。然后找到Debug这个选项，选择左侧的Use Simulator，然后点击最下边的OK就可以了，如图4-4所示。

图4-4 Debug配置信息

  点击Debug菜单里的Start/Stop Debug Session，或者鼠标点做左侧的这个Debug图标，会进入一个新的页面，如图4-5所示。

 
图4-5 Debug窗口显示

　　最左侧那一栏是单片机的一些寄存器和系统信息，最上边那一栏是Keil将C语言转换成汇编的代码，下边就是我们C语言的程序，还有各种窗口都可以打开，在view菜单可以打开或者关闭我们的各种窗口。这节课我们只关心我们需要的窗口，其他窗口用到再说。那么有时候我们觉得这种分布不是特别的好，所以我们想改变一下窗口分布怎么办呢？比如Disassembly(汇编)窗口，我们先用鼠标拖动它，然后中间会出现一个方向符号，再用鼠标点那个方向符号，他就给我们分布了，如图4-6所示。

图4-6 Keil窗口移动(一)

　　我们点击最右边的那个箭头，然后窗口变化成如4-7图所示。或者我们如果用不到汇编的程序，也可以直接关掉。

图4-7所示 Keil窗口移动(二)

　　细心的同学会看到在C语言的程序里有个黄色的箭头，这个箭头代表的就是这个程序当前运行的位置，在这个Debug里边，我们可以看到我们的程序运行的过程。在左上角有这三个图标，第一个是复位，点击一下之后，程序就会跑到最开始的位置运行，第二个图标是全速运行图标，点击一下程序就会全速运行跑起来，第三个图标是停止图标，当程序全速运行跑起来后，我们可以通过点击第三个图标来让程序停止，观察程序运行到哪里了。点击一下复位后，我们会发现C语言程序左侧有的灰色或者绿色，有的地方还是保持原来的白色，我们可以在我们灰色的位置双击鼠标设置断点，就是比如程序一共20行，在第十行设置断点后，点全速运行，程序就会运行到第十行停止，方便我们观察运行到这个地方的情况。

　　同学们会发现，有的位置可以设置断点，有的地方不可以设置断点，这是为什么呢？Keil软件本身具备优化我们程序的功能，如果大家想在所有的位置设置断点，可以把优化选项设置到0位置，就是程序不进行优化。如图4-8所示。

图4-8 优化选项设置

　　这节课我们重点是看看C语言代码的运行时间，在最左侧的register那个框内，有一个sec选项，这个选项就是单片机运行时间的统计选项，大家点一下复位按钮，会发现这个sec变成了0，然后我们在LED = 0; 这一句加一个断点，在LED = 1;这个位置加一个断点，我们点击全速运行按钮，会直接停留在LED = 0；我们会看到我们的时间变化成0.000197秒，如图4-9所示。

图4-9 断点设置

　　 我们再点一下全速运行，会发现sec变成了0.07530650秒，那么这样一个for循环的时间大概有75ms左右，我们也可以通过改变30000这个数字来改变这个间隔时间。当然了，大家要注意i的变量范围，你如果写成了大于65535的值以后，程序就会一直运行不下去了，因为i无论如何变化，都不会大于这个值，如果要大于这个值正常运行，必须改变i定义的类型了。后边如果我们要求看一段程序运行多长时间，都可以通过这种方式来看。

　　1.7 流水灯程序

　　我们前边学了点亮LED小灯，然后又学了LED小灯闪烁，下边我们要进一步了解一下如何让8个小灯依次一个一个点亮，流动起来。

图4-10 LED小灯电路图

　　 通过前面的课程，我们可以了解到控制引脚P0.0通过了74HC245控制DB0，P0.1控制DB1......P0.7控制DB7。我们还学到一个字节是8位，我们如果写一个P0，就代表了P0.0到P0.7的共8个位。比如我们写P0 = 0xFE；转换成二进制就是0b11111110，所以点亮LED小灯的程序，实际上我们可以改成另外一种写法，如下所示。

#include <reg52.h>

sbit  ADDR0 = P1^0;

sbit  ADDR1 = P1^1;

sbit  ADDR2 = P1^2;

sbit  ADDR3 = P1^3;

sbit  ENLED = P1^4;

void  main()                

{

    ENLED = 0;

    ADDR0 = 0;

    ADDR1 = 1;

    ADDR2 = 1;

    ADDR3 = 1;            //74HC138开启三极管    

    P0 = 0xFE;

    while(1);             //程序停止在这里 

}

　　通过上边这个程序我们可以看出来，可以通过P0来控制所有的8个LED小灯的亮和灭。我们下边要进行依次亮和灭，怎么办呢？从这里就可以得到方法了，如果想让单片机流水灯流动起来，依次要实现的结果是：0xFE,0xFD,0xFB,0xF7,0xEF,0xDF,0xBF,0x7F。

　　在我们的C语言当中，有一个移位操作，其中<<代表的是左移，>>代表的是右移。比如a = 0x01 << 1就是a 的结果等于0x01左移一位。大家注意，移位都是指二进制移位，那么移位完了，本来在第0位的1移动到了第一位上，移动完了低位是补0的。所以a的值最终是等于0x02。

　　还要学习另外一个运算符~，这个符号是按位取反的意思，同样，按位取反也是针对二进制而言。比如a = ~(0x01)，0x01的二进制是0b00000001，按位取反是0b11111110，那么a的值就是0xFE了。

　　学会了这两个符号后，那么我们就可以把流水灯的程序写出来，先把程序贴上。

#include <reg52.h>

sbit  ADDR0 = P1^0;

sbit  ADDR1 = P1^1;

sbit  ADDR2 = P1^2;

sbit  ADDR3 = P1^3;

sbit  ENLED = P1^4;

void  main()

{

    unsigned char j = 0;

    unsigned int  i = 0;

    ENLED = 0;

    ADDR0 = 0;

    ADDR1 = 1;

    ADDR2 = 1;

    ADDR3 = 1;              //74HC138开启三极管Q16           

    while(1)                //程序死循环  

    {

        P0 = ~(0x01 << j++);     //P0等于1左移j位，并且j++

        for(i=0; i<20000; i++);  //延时

        if(j == 8)                //如果j等于8，重新给j赋值0

        {

            j = 0;

        }

     }

}

　　这里我只讲两种情况，当j等于0的时候，1左移0位还是1，那么写成二进制后就是0b00000001，对这个数字按位取反就是0b11111110，亮的是最右边的小灯。当j等于7的时候，1左移7位就是0b10000000，按位取反0b01111111，亮的是最左边的小灯。中间　　过程大家自己分析一下。

　　流水灯结束后，关于小灯的讲解，我们暂时告一段落，后边还有小灯的高级用法，我们到时候再详细讲解。

　　1.8 作业

　　1、熟练掌握二进制、十进制和十六进制的转换方法。

　　2、掌握C语言变量类型和范围，for、while等基本语句的用法。

　　3、了解函数的基本结构，能够独立进入程序Debug，多多动手操作，熟练Keil软件环境的一些基本操作。

　　4、将流水灯左移理解透彻后，独立完成流水灯右移操作以及流水灯先左移后右移等简单的花样操作。