單片機(jī)方案開發(fā)商深圳英銳恩分享基于PICC編譯環(huán)境編寫PIC單片機(jī)程序。

摘  要：Microchip 公司生產(chǎn)的PIC系列單片機(jī)具有實(shí)用、低價(jià)、簡(jiǎn)單易學(xué)、低功耗、高速度、體積小、功能強(qiáng)等特點(diǎn)，體現(xiàn)了單片機(jī)發(fā)展的一種新趨勢(shì)，而PICC具有許多特殊的性質(zhì)，并且進(jìn)行了C語(yǔ)言的擴(kuò)展，從而可以更輕松地完成編程任務(wù)。本文簡(jiǎn)單介紹了PIC系列單片機(jī)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展情況，以HiTech Software公司的HiT ech PICC編譯器為例介紹了PICC和標(biāo)準(zhǔn)C的異同及HiTech PICC語(yǔ)言的特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了PICC中的變量、指針、函數(shù)以及C與匯編混合編程的一些相關(guān)知識(shí)，并列舉了許多例子以便讀者理解。此外還著重介紹了用PICC開發(fā)PIC 系列單片機(jī)時(shí)應(yīng)注意的一些問(wèn)題。

    關(guān)鍵詞：PIC；PICC編譯器；C與匯編混合編程；HiTech；單片機(jī)

    目前，Microchip 公司生產(chǎn)的PIC系列單片機(jī)以其低成本、低功耗、高性能、開發(fā)速 度快且一次性用戶可編程等優(yōu)點(diǎn)迅速占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，成為國(guó)內(nèi)銷售量最大的單片機(jī)，但國(guó) 內(nèi)介紹他的C語(yǔ)言開發(fā)工具的書籍和文章卻比較少，而且用的人也不多，在用其開發(fā)的過(guò)程 中給廣大程序員帶來(lái)了許多困難和不便。

    Microchip 公司自己沒有針對(duì)中低檔系列PIC單片機(jī)的C 語(yǔ)言編譯器，但很多專業(yè)的 第三方 公司有眾多支持PIC 單片機(jī)的C 語(yǔ)言編譯器提供，常見的有Hitech，CCS，IAR，Bytecraft 等公司。Hitech 公司的PICC 編譯器穩(wěn)定可靠，編譯生成的代碼效率高，在用PIC 單片 機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的工程師群體中得到廣泛認(rèn)可。因此，本文主要以Hi-Tech PICC為基 礎(chǔ)，介紹PIC的C語(yǔ)言的基本特點(diǎn)。

    1  HiTech PICC和 ANSI C 的異同及HiTech PICC語(yǔ)言的特點(diǎn)

    除了PICC不支持函數(shù)的遞歸調(diào)用外，PICC 基本上符合ANSI 標(biāo)準(zhǔn)，其主要原因是因?yàn)镻IC 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，其深度已隨芯片而固定，無(wú)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(yǔ)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(guò)4 kB后，C 語(yǔ)言編譯 出的代碼長(zhǎng)度和全部用匯編代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)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(guò)程中需時(shí)時(shí)注意所編寫語(yǔ)句的效率。

    2  PICC中的變量

    PICC中的變量類型和標(biāo)準(zhǔn)C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 問(wèn)題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128 B，刨去前面若干字節(jié)的特殊功能寄 存器區(qū)域，在C語(yǔ)言中某一bank內(nèi)定義的變量字節(jié)總數(shù)不能超過(guò)可用RAM字節(jié)數(shù)。如果超過(guò)ba nk 容量，在最后連接時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)，大致信息如下：
   
    連接器提示總共有0x12C（300）個(gè)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，但在編寫源程序時(shí)進(jìn)行變量存取操作前無(wú)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 單元的第0 位 是位地址0x0000，以此后推，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0x12 3，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(lái)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
    
    另外，函數(shù)可以返回一個(gè)位變量，實(shí)際上此返回的位變量將存放于單片機(jī)的進(jìn)位位中帶出返回。

    3  PICC中的指針

    3.1  指向RAM的指針

 PICC在編譯C原程序時(shí)將指向RAM的指針操作最終用FSR來(lái)實(shí)現(xiàn)間接尋址。FSR能夠直接連續(xù)尋址的范圍是256 B，所以一個(gè)指針可以同時(shí)覆蓋兩個(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512 B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?biāo)m用的尋址區(qū)域。例如：
   
    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：
     
    若出現(xiàn)此類錯(cuò)誤的指針操作，PICC 在最后連接時(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)，那么指向他的指針可以這樣定義： 
    
    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。
4PICC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(yè)的概念，但用C語(yǔ)言編程時(shí)基本不用太多關(guān)心代碼的分頁(yè)問(wèn)題。因?yàn)樗泻瘮?shù)或子程序調(diào)用時(shí)的頁(yè)面設(shè)定（如果代碼超過(guò)一個(gè)頁(yè)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(zhǎng)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(yè)面內(nèi)。 中檔系列的PIC單片機(jī)其一個(gè)程序頁(yè)面的長(zhǎng)度是2 kB，用C語(yǔ)言編寫的任何一個(gè)函數(shù)最后生成的代碼不能超過(guò)2 kB。如果為實(shí)現(xiàn)特定的功能確實(shí)要連續(xù)編寫很長(zhǎng)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(guò)一個(gè)頁(yè)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)。編程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 在最后編譯連接成功后可以生成一個(gè)連接定位映射文件（*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)用是編譯代碼時(shí)自動(dòng)加入的庫(kù)函數(shù)，這些函數(shù)調(diào)用從C源程序中無(wú)法直接看出，但在嵌套指示圖上則一目了然。
5C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)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(yǔ)言語(yǔ)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：

    1) 如果只需要嵌入少量幾條的匯編指令，PICC 提供了一個(gè)類似于函數(shù)的語(yǔ)句：

    asm("clrwdt");

    這是在C原程序中直接嵌入?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 支持另外一種語(yǔ)法描述：用“#asm”開始匯 編指令段，用“#endasm”結(jié)束。例如:  
    
    5.1  匯編指令尋址C語(yǔ)言定義的全局變量

    所有C中定義的符號(hào)在編譯后將自動(dòng)在前面添加一下劃線符“_”，因此，若要在匯編指令 中尋址C 語(yǔ)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中定義的無(wú)符號(hào)全局變量，在匯編語(yǔ)言中只需在其前面加上“_”符號(hào)就可對(duì)他進(jìn)行訪問(wèn)了。另外，對(duì)于C中定義的多字節(jié)全局變量，例如在C中有如下定義：  
     
    那么在匯編里訪問(wèn)他時(shí)就得分字節(jié)訪問(wèn)，例如：
  
    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），因此嵌入的匯編指令對(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, 所以關(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C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。

    相比于匯編語(yǔ)言，用C語(yǔ)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(yǔ)句指令加上模塊化的程序易于日常管理和維護(hù)、程序在不同平臺(tái)間的移植方便。所以既然用了C語(yǔ)言編程，就盡量避免使用嵌入?yún)R編指令或整個(gè)地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(yǔ)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。同時(shí)對(duì)移位次數(shù)的控制，實(shí)質(zhì)上說(shuō)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)的C語(yǔ)言描述更直觀，更易于維護(hù)。

    6  注意事項(xiàng)

    1）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。

2）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；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(wú)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：
   
    所以請(qǐng)讀者慎用。

    5）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(yǔ) 言定義的變量名前增加一個(gè)下劃線符即可在匯編語(yǔ)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。

    6）對(duì)于多字節(jié)變量（如int型、float型變量等）PICC 遵循Littleendian 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(yǔ)

    一般C語(yǔ)言產(chǎn)生的代碼是比較繁瑣的，所以要想寫出高質(zhì)量實(shí)用的C語(yǔ)言程序，就必須對(duì)單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)和硬件資源作詳盡地了解，但用C 語(yǔ)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(yǔ)言編程在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。