Keil C51對外設操作的編程——舊文重讀

《單片機與嵌入式系統應用》有兩期文章先後探討了Keil C51對外設操作的編程，今天又讀了一遍，覺得很有啓發，誠如第二篇文章作者所說：“在設計中遇到問題時．一定不要被表面現象矇蔽,不要急於解決，應該認真分析,找出問題的原因．這樣才能從根本上徹底解決問題”。
先發表的文章（摘自《單片機與嵌入式系統應用》2005年10期）
C語言是當前舉世公認的高效簡潔而又非常貼近硬件的編程語言之一。將C語言向單片機MCS-51上的移植始於2O世紀8O年代的中後期，經過近1O年的發展，C語言克服了產生代碼過長、運行速度較慢的缺點，並且由於C語言在開發速度、軟件質量、結構化、可維護性等方面有着彙編語言無法比擬的優勢，從而得到日益廣泛的應用。KeilC51是德國Keil公司開發的單片機C語言編譯系統.該軟件功能完備，是目前國內技術開發人員使用最爲廣泛的語言之一。
在實際工作中發現，用C語言編寫的對同一端口進行連續讀取的程序，經Keil C51編譯後執行結果往往會出錯，現以8051單片機讀取12位A/D MAX197爲例，如圖1所示。

圖1中，P1.1口用於讀取轉換完成時A/D發出的中斷信號，P1.0對讀取高4位或低8位進行選擇。現假定A/D 的地址爲8000H，啓動CH0端口工作字爲40H。爲得到相應的高、低位轉換數據，用C語言編程如下。

unsigned char xdata MAX197 _at_ 0x8000;
sbit MAXINT= P1^1;
sbit MAXHBEN= P1^0;
……
void main()
{unsigned char up4，down8;//設置接收數據的2個變量
……
MAX197= 0X40;//啓動A/D CH0口進行轉換
while(MAXINT) //等待轉換完成
{};
P1.0=0; //讀取低8位
down8=MAX197;
P1.0=1; //讀取高4位
up4=MAX197;
}

上述的程序並沒有如所希望的那樣分別得到高、低位數據，實際上在down8和up4中得到的都是低8位的數據。下面是上段C語言經編譯後的部分代碼。

41: //取低8位
  42: MAXHBEN=0;
C:0x000C C290 CLR MAXHBEN(0x90.0)
  43: down8=MAX197;
C:0x000E 908000 MOV DPTR,#MAX197(0x8000)
C:0x0011 E0 MOVX A,@DPTR
C:0x0012 F509 MOV 0x09，A
  44: //取高4位
  45: MAXHBEN=1
C:0x0014 D290 SETB MAXHBEN(0x90.0)
  46: up4=MAX197;
  47:
  48: 
C:0x0016 F5O8 MOV 0x08,A //0x08爲up4
  49: }

通過分析上面的程序會發現，C編譯出來的程序並沒有在P1.0置爲高電位後再去讀一次端口，而只是直接將上次讀來的結果直接送給高4位變量。如果先讀高位後讀低位，結果會得到兩個高4位數據。爲證實這一點，將4條連續重複讀取一個外部端口的C語言語句放在一起，編譯後發現只有第一條語句被編譯執行。也就是說，Keil C51對於連續重複讀取同一個端口地址，在編譯時進行了“特殊”處理，這一點是十分值得注意的。那麼對於確實需要對同一端口進行連續讀取的情況應該如何處理呢?下面介紹兩種方法以供參考。

第一種方法:加延時。
延時不宜太長，特別是在對轉換速度要求較高時。首先寫一個延時函數:

void delay()
{unsigned char i;
for (i=0，i<=1;i++);
}

然後將延時程序放在上面兩次讀取的中間位置。

P1.0=0; //讀取低8位
down8=MAX197:
delay();
P1.0=1; //讀取高4位
up4=MAX197;

編譯後的結果如下:

49: //取低8位
 50: MAXHBEN=0:
C:0x000C C29O CLR MAXHBEN(0x90.0)
 51: down8=MAX197;
C:0x000E 908000 MOV DPTR，#MAX197(0x8000)
C:0x0011 E0 MOVX A,@DPTR
C:0x0012 F509 MOV 0x09,A
 52: delay();
 53: //取高4位
C:0x0014 120029 LCALL delay(C:0029)
 54: MAXHBEN = 1;
C:0x0017 D290 SETB MAXHBEN(0x90.0)
 55:up4=MAX197;
 56:
 57:
C:0x0019 E0 MOVX A,@DPTR
C:0x001A F508 MOV 0x08,A
 58: }

可以看出，在將P1.0置高後，又對端口進行了一次讀寫，程序正常並得到了高4位。

第二種方法:另設指針。

void main()
{unsigned char up4，down8; //設置接收數據的2個變量
unsinged char xdata *pt1;
pt1=0x8000;
……
MAX197=0X40; //啓動A/D CH0口進行轉換
while(MAXINT) //等待轉換完成
{};
P1.0=0; //讀取低8位
down8= MAX197:
P1.0=1; //讀取高4位
up4=*pt1:

……
編譯的結果如下:

 42: //取低8位
 43: MAXHBEN=0;
C:0x0010 C290 CLR MAXHBEN(0x90.0)
 44: down8=MAX197;
C:0x0012 908000 MOV DPTR,#MAX197(0x8000)
C:0x0015 E0 M0VX A,@DPTR
C:0x0016 F509 MOV 0x09,A
 45: MAXHBEN=1:
 46: //取高4位
 47:
C:0x0018 D290 SETB MAXHBEN(0x90.0)
48: up4=*pt1:
49:
50:
C:0x001A 8F82 MOV DPL(0x82),R7
C:0x001C 8E83 MOV DPH (0x83),R6
C:0x001E E0 MOVX A,@DPTR
C:0x001F F508 MOV 0x08,A

上述兩種方法都很好地解決了Keil C51中不能處理對一個端口進行連續讀寫的問題，但如果對轉換速度要求特別高，建議最好使用第二種方法。

第二篇文章（摘自《單片機與嵌入式系統應用》2006年2期）
閱讀了《單片機與嵌入式系統應用》2005年第10期雜誌《經驗交流》欄目的一篇文章《Keil C51對同一端口的連續讀取方法》(原文)後,筆者認爲該文並未就此問題進行深入準確的分析文章中提到的兩種解決方法並不直接和簡單。筆者認爲這並非是Keil C51中不能處理對一個端口進行連續讀寫的問題,而是對Kei1 C51的使用不夠熟悉和設計不夠細緻的問題,因此特撰寫本文。
本文中對原文提到的問題,提出了三種不同於原文的解決方法。每種方法都比原文中提到的方法更直接和簡單,設計也更規範。(無意批評,請原文作者見諒)
1 問題回顧和分析
原文中提到：在實際工作中遇到對同一端口反覆連續讀取,Keil C51編譯並未達到預期的結果。原文作者對C編譯出來的彙編程序進行分析發現,對同一端口的第二次讀取語句並未被編譯。但可惜原文作者並未分析沒有被編譯的原因,而是匆忙地採用一些不太規範的方法試驗出了兩種解決辦法。
對此問題,翻閱Keil C51的手冊很容易發現：KeilC51的編譯器有一個優化設置,不同的優化設置,會產生不同的編譯結果。一般情況缺省編譯優化設置被設定爲8級優化,實際最高可設定爲9級優化：
1. Dead code elimination。
2.Data overlaying。
3.Peephole optimization。
4.Register variables。
5.Common subexpression elimination。
6.Loop rotation。
7.Extended Index Access Optimizing。
8.Reuse Common Entry Code。
9.Common Block Subroutines。
而以上的問題,正是由於Keil C51編譯優化產生的。因爲在原文程序中將外設地址直接按如下定義：

unsigned char xdata MAX197 _at_ 0x8000

採用_at_將變量MAX197定義到外部擴展RAM 指定地址0x8000。因此,Keil C51優化編譯理所當然認爲重複讀第二次是沒有用的,直接用第一次讀取的結果就可以了,因此編譯器跳過了第二條讀取語句。至此,問題就一目瞭然了。

2 解決方法
由以上分析很容易就能提出很好的解決辦法。
2．1 最簡單最直接的辦法
程序一點都不用修改,將Keil C51的編譯優化選擇設置爲0(不優化)就可以了。選擇project窗口的Target,然後打開“Options for Target”設置對話框,選擇“C51”選項卡,將“Code Optimiztaion”中的“Level”選擇爲“0:Costant folding”。再次編譯後,大家會發現編譯結果爲：

CLR MAXHBEN
MOV DPTR,#MAX197
MOVX A,@DPTR
MOV R7,A
MOV down8,R7
SETB MAXHBEN
MOV DPTR,#MAX197
MOVX A,@DPTR
MOV R7,A
MOV up4,R7

兩次讀取操作都被編譯出來了。
2．2 最好的方法
告訴Keil C51,這個地址不是一般的擴展RAM,而是連接的設備,具有“揮發”特性,每次讀取都是有意義的。可以修改變量定義,增加“volatile”關鍵字說明其特徵：

unsigned char volatile xdata MAX197 _at_ 0x8000；

也可以在程序中包含系統頭文件；“#include”,然後在程序中修改變量,定義爲直接地址：

#define MAX197 XBYTE[0x8000]

這樣,Keil C51的設置仍然可以保留高級優化,且編譯結果中,同樣兩次讀取並不會被優化跳過。

2 3 硬件解決方法
原文中將MAX197的數據直接連接到數據總線,而對地址總線並未使用,採用一根端口線選擇操作高低字節。很簡單的修改方法就是使用一根地址線選擇操作高低字節即可。比如：將P2．0(A8)連接到原來P1．0連接的HBEN腳(MAX197的5腳)．在程序中分別定義高低字節的操作地址：

unsigned char volatile xdata MAX197_L _at_ 0x8000;
unsigned char volatile xdata MAX197_H _at_ 0x8100;
將原來的程序：
MAXHBEN =0;
down8=MAX197;//讀取低8位
MAXHBEN =1;
up4=MAX197;//讀取高4位
改爲以下兩句即可
down8= MAX197_L;//讀取低8位
up4=MAX197_H;//讀取高4位

3 小結
Keil C51經過長期考驗和改進以及大量開發人員的實際使用,已經克服了絕大多數的問題,並且其編譯效率也非常高。對於一般的使用．很難再發現什麼問題。筆者曾經粗略研究過一下Keil C51優化編洋的結果．非常佩服Keil C51設計者的智慧,一些C程序編譯產生的彙編代碼．甚至比一般程序員直接用匯編編寫的代碼還要優秀和簡練通過研讀Kell C51編譯產生的彙編代碼．對提高彙編語言編寫程序的水平都是很有幫助的。
由本文中的問題可以看出：在設計中遇到問題時．一定不要被表面現象矇蔽,不要急於解決，應該認真分析,找出問題的原因．這樣才能從根本上徹底解決問題。

附表:Keil C51中的優化級別及優化作用
級別說明
0 常數合併：編譯器預先計算結果，儘可能用常數代替表達式。包括運行地址計算。
優化簡單訪問：編譯器優化訪問8051系統的內部數據和位地址。
跳轉優化：編譯器總是擴展跳轉到最終目標，多級跳轉指令被刪除。
1 死代碼刪除：沒用的代碼段被刪除。
拒絕跳轉：嚴密的檢查條件跳轉，以確定是否可以倒置測試邏輯來改進或刪除。
2 數據覆蓋：適合靜態覆蓋的數據和位段被確定，並內部標識。BL51連接/定位器可以通過全局數據流分析，選擇可被覆蓋的段。
3 窺孔優化：清除多餘的MOV指令。這包括不必要的從存儲區加載和常數加載操作。當存儲空間或執行時間可節省時，用簡單操作代替複雜操作。
4 寄存器變量：如有可能，自動變量和函數參數分配到寄存器上。爲這些變量保留的存儲區就省略了。
優化擴展訪問：IDATA、XDATA、PDATA和CODE的變量直接包含在操作中。在多數時間沒必要使用中間寄存器。
局部公共子表達式刪除：如果用一個表達式重複進行相同的計算，則保存第一次計算結果，後面有可能就用這結果。多餘的計算就被刪除。
Case/Switch優化：包含SWITCH和CASE的代碼優化爲跳轉表或跳轉隊列。

5 全局公共子表達式刪除：一個函數內相同的子表達式有可能就只計算一次。中間結果保存在寄存器中，在一個新的計算中使用。
簡單循環優化：用一個常數填充存儲區的循環程序被修改和優化。
6 循環優化：如果結果程序代碼更快和有效則程序對循環進行優化。
7 擴展索引訪問優化：適當時對寄存器變量用DPTR。對指針和數組訪問進行執行速度和代碼大小優化。
8 公共尾部合併：當一個函數有多個調用，一些設置代碼可以複用，因此減少程序大小。
9 公共塊子程序：檢測循環指令序列，並轉換成子程序。Cx51甚至重排代碼以得到更大的循環序列。

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