Keil C51对外设操作的编程——旧文重读

《单片机与嵌入式系统应用》有两期文章先后探讨了Keil C51对外设操作的编程，今天又读了一遍，觉得很有启发，诚如第二篇文章作者所说：“在设计中遇到问题时．一定不要被表面现象蒙蔽,不要急于解决，应该认真分析,找出问题的原因．这样才能从根本上彻底解决问题”。

先发表的文章（摘自《单片机与嵌入式系统应用》2005年10期）

C语言是当前举世公认的高效简洁而又非常贴近硬件的编程语言之一。将C语言向单片机MCS-51上的移植始于2O世纪8O年代的中后期，经过近1O年的发展，C语言克服了产生代码过长、运行速度较慢的缺点，并且由于C语言在开发速度、软件质量、结构化、可维护性等方面有着汇编语言无法比拟的优势，从而得到日益广泛的应用。KeilC51是德国Keil公司开发的单片机C语言编译系统.该软件功能完备，是目前国内技术开发人员使用最为广泛的语言之一。

在实际工作中发现，用C语言编写的对同一端口进行连续读取的程序，经Keil C51编译后执行结果往往会出错，现以8051单片机读取12位A/D MAX197为例，如图1所示。

图1中，P1.1口用于读取转换完成时A/D发出的中断信号，P1.0对读取高4位或低8位进行选择。现假定A/D 的地址为8000H，启动CH0端口工作字为40H。为得到相应的高、低位转换数据，用C语言编程如下。

unsigned char xdata MAX197 _at_ 0x8000;
sbit MAXINT= P1^1;
sbit MAXHBEN= P1^0;
……
void main()
{unsigned char up4，down8;//设置接收数据的2个变量
……
MAX197= 0X40;//启动A/D CH0口进行转换
while(MAXINT) //等待转换完成
{};
P1.0=0; //读取低8位
down8=MAX197;
P1.0=1; //读取高4位
up4=MAX197;
}

上述的程序并没有如所希望的那样分别得到高、低位数据，实际上在down8和up4中得到的都是低8位的数据。下面是上段C语言经编译后的部分代码。

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为up4
49: }

通过分析上面的程序会发现，C编译出来的程序并没有在P1.0置为高电位后再去读一次端口，而只是直接将上次读来的结果直接送给高4位变量。如果先读高位后读低位，结果会得到两个高4位数据。为证实这一点，将4条连续重复读取一个外部端口的C语言语句放在一起，编译后发现只有第一条语句被编译执行。也就是说，Keil C51对于连续重复读取同一个端口地址，在编译时进行了“特殊”处理，这一点是十分值得注意的。那么对于确实需要对同一端口进行连续读取的情况应该如何处理呢?下面介绍两种方法以供参考。

第一种方法:加延时。

延时不宜太长，特别是在对转换速度要求较高时。首先写一个延时函数:

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

然后将延时程序放在上面两次读取的中间位置。

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

编译后的结果如下:

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，在将P1.0置高后，又对端口进行了一次读写，程序正常并得到了高4位。

第二种方法:另设指针。

void main()
{unsigned char up4，down8; //设置接收数据的2个变量
unsinged char xdata *pt1;
pt1=0x8000;
……
MAX197=0X40; //启动A/D CH0口进行转换
while(MAXINT) //等待转换完成
{};
P1.0=0; //读取低8位
down8= MAX197:
P1.0=1; //读取高4位
up4=*pt1:

……

编译的结果如下:

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

上述两种方法都很好地解决了Keil C51中不能处理对一个端口进行连续读写的问题，但如果对转换速度要求特别高，建议最好使用第二种方法。

第二篇文章（摘自《单片机与嵌入式系统应用》2006年2期）

阅读了《单片机与嵌入式系统应用》2005年第10期杂志《经验交流》栏目的一篇文章《Keil C51对同一端口的连续读取方法》(原文)后,笔者认为该文并未就此问题进行深入准确的分析 文章中提到的两种解决方法并不直接和简单。笔者认为这并非是Keil C51中不能处理对一个端口进行连续读写的问题,而是对Kei1 C51的使用不够熟悉和设计不够细致的问题,因此特撰写本文。

本文中对原文提到的问题,提出了三种不同于原文的解决方法。每种方法都比原文中提到的方法更直接和简单,设计也更规范。(无意批评,请原文作者见谅)

1 问题回顾和分析

原文中提到：在实际工作中遇到对同一端口反复连续读取,Keil C51编译并未达到预期的结果。原文作者对C编译出来的汇编程序进行分析发现,对同一端口的第二次读取语句并未被编译。但可惜原文作者并未分析没有被编译的原因,而是匆忙地采用一些不太规范的方法试验出了两种解决办法。

对此问题,翻阅Keil C51的手册很容易发现：KeilC51的编译器有一个优化设置,不同的优化设置,会产生不同的编译结果。一般情况缺省编译优化设置被设定为8级优化,实际最高可设定为9级优化：

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。

而以上的问题,正是由于Keil C51编译优化产生的。因为在原文程序中将外设地址直接按如下定义：

unsigned char xdata MAX197 _at_ 0x8000

采用_at_将变量MAX197定义到外部扩展RAM 指定地址0x8000。因此,Keil C51优化编译理所当然认为重复读第二次是没有用的,直接用第一次读取的结果就可以了,因此编译器跳过了第二条读取语句。至此,问题就一目了然了。

2 解决方法

由以上分析很容易就能提出很好的解决办法。

2．1 最简单最直接的办法

程序一点都不用修改,将Keil C51的编译优化选择设置为0(不优化)就可以了。选择project窗口的Target,然后打开“Options for Target”设置对话框,选择“C51”选项卡,将“Code Optimiztaion”中的“Level”选择为“0:Costant folding”。再次编译后,大家会发现编译结果为：

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

两次读取操作都被编译出来了。

2．2 最好的方法

告诉Keil C51,这个地址不是一般的扩展RAM,而是连接的设备,具有“挥发”特性,每次读取都是有意义的。可以修改变量定义,增加“volatile”关键字说明其特征：

unsigned char volatile xdata MAX197 _at_ 0x8000；

也可以在程序中包含系统头文件；“#include”,然后在程序中修改变量,定义为直接地址：

#define MAX197 XBYTE[0x8000]

这样,Keil C51的设置仍然可以保留高级优化,且编译结果中,同样两次读取并不会被优化跳过。

2 3 硬件解决方法

原文中将MAX197的数据直接连接到数据总线,而对地址总线并未使用,采用一根端口线选择操作高低字节。很简单的修改方法就是使用一根地址线选择操作高低字节即可。比如：将P2．0(A8)连接到原来P1．0连接的HBEN脚(MAX197的5脚)．在程序中分别定义高低字节的操作地址：

unsigned char volatile xdata MAX197_L _at_ 0x8000;
unsigned char volatile xdata MAX197_H _at_ 0x8100;
将原来的程序：
MAXHBEN =0;
down8=MAX197;//读取低8位
MAXHBEN =1;
up4=MAX197;//读取高4位
改为以下两句即可
down8= MAX197_L;//读取低8位
up4=MAX197_H;//读取高4位

3 小结

Keil C51经过长期考验和改进以及大量开发人员的实际使用,已经克服了绝大多数的问题,并且其编译效率也非常高。对于一般的使用．很难再发现什么问题。笔者曾经粗略研究过一下Keil C51优化编洋的结果．非常佩服Keil C51设计者的智慧,一些C程序编译产生的汇编代码．甚至比一般程序员直接用汇编编写的代码还要优秀和简练 通过研读Kell C51编译产生的汇编代码．对提高汇编语言编写程序的水平都是很有帮助的。

由本文中的问题可以看出：在设计中遇到问题时．一定不要被表面现象蒙蔽,不要急于解决，应该认真分析,找出问题的原因．这样才能从根本上彻底解决问题。

附表:Keil C51中的优化级别及优化作用

级别 说明

0 常数合并：编译器预先计算结果，尽可能用常数代替表达式。包括运行地址计算。

优化简单访问：编译器优化访问8051系统的内部数据和位地址。

跳转优化：编译器总是扩展跳转到最终目标，多级跳转指令被删除。

1 死代码删除：没用的代码段被删除。

拒绝跳转：严密的检查条件跳转，以确定是否可以倒置测试逻辑来改进或删除。

2 数据覆盖：适合静态覆盖的数据和位段被确定，并内部标识。BL51连接/定位器可以通过全局数据流分析，选择可被覆盖的段。

3 窥孔优化：清除多余的MOV指令。这包括不必要的从存储区加载和常数加载操作。当存储空间或执行时间可节省时，用简单操作代替复杂操作。

4 寄存器变量：如有可能，自动变量和函数参数分配到寄存器上。为这些变量保留的存储区就省略了。

优化扩展访问：IDATA、XDATA、PDATA和CODE的变量直接包含在操作中。在多数时间没必要使用中间寄存器。

局部公共子表达式删除：如果用一个表达式重复进行相同的计算，则保存第一次计算结果，后面有可能就用这结果。多余的计算就被删除。

Case/Switch优化：包含SWITCH和CASE的代码优化为跳转表或跳转队列。

5 全局公共子表达式删除：一个函数内相同的子表达式有可能就只计算一次。中间结果保存在寄存器中，在一个新的计算中使用。

简单循环优化：用一个常数填充存储区的循环程序被修改和优化。

6 循环优化：如果结果程序代码更快和有效则程序对循环进行优化。

7 扩展索引访问优化：适当时对寄存器变量用DPTR。对指针和数组访问进行执行速度和代码大小优化。

8 公共尾部合并：当一个函数有多个调用，一些设置代码可以复用，因此减少程序大小。

9 公共块子程序：检测循环指令序列，并转换成子程序。Cx51甚至重排代码以得到更大的循环序列。