4.1 C51的程序结构
4.2 C51的数据结构
4.3 C51与汇编的混合编程
4.4 C51仿真开发方法
4.5 通用I/O口的简单应用
4.6 通用I/O口的进阶应用
4.1.1 C51语言概述
C51语言是51单片机的一种高级编程语言，与低级语言的汇编语言相比，一方面具有结构化语言特点和机器级控制能力，代码紧凑执行效率可与汇编语言媲美。另一方面，由于接近自然语言，程序的可读性强，易于调试维护，编程工作量小，产品开发周期短。可见 C51具有很大的单片机程序开发优势，现已成为51单片机的主流编程语言。
标准C语言自问世以来，以诸多优点而获得了广泛应用，已成功移植到了大中小型各类计算机中，其中C51语言就是标准C语言用于51单片机的子集。
除了少数扩展功能外，大多数C语言的功能，如分支选择、循环控制、运算及表达式等执行语句，数组、结构体、预处理命令等基本语句在C51中都能通行延用，这对于具有C语言编程基础的读者掌握单片机程序设计，无疑是极为有利的。
由于C51毕竟是针对8051系列CPU扩展而成的，因而与标准C语言针对的机型在不少方面是有差异的，主要表现为以下几个方面。
①数据类型方面
51单片机中的特殊功能寄存器SFR、可位寻址存储空间、工作寄存器Rn等都是51单片机的特有资源，C51具有对其进行访问和操作的特殊规则；
②存储类型方面
51单片机采用哈佛结构存储器空间，程序和数据分别存储在不同的存储空间中，因而C51有表征不同存储空间变量类型的能力，这也是C51区别于标准C语言的最大之处；
③函数属性方面
由于51系统是8位机资源有限，不允许太多的复杂运算，因而标准C的库函数中只有少量可用于C51。而且由于中断函数对机器的硬件系统相关性很高，因而C51的中断函数也是有其特殊规则的；
④输入输出方面
C51的输入输出是通过访问机器端口的映射地址实现的，而标准C语言则是通过如printf和scanf等输入输出库函数实现的，两者做法相差较大。
4.1.2 C51的程序结构
C51程序的基本单位是函数。一个C51源程序至少包含一个主函数main()，也可以是一个主函数和若干个其他函数。主函数是程序的入口；主函数中的所有语句执行完毕后程序就结束。
实例：实现P1.0引脚处LED灯闪烁控制功能
C51的程序结构
预处理命令——在编译之前进行的处理。 预处理包含三方面的内容: 宏定义、文件包含、条件编译，以符号“#”开头；
函数声明——把函数的名字、函数类型以及形参类型、个数和顺序通知编译系统；
变量定义——遵循“先定义后使用”的原则，以分号结尾。
4.2 C51的数据结构
1.C51的变量
在C语言编程中，数值可以改变的量称为变量。
例如：
在51单片机多存储空间中如何确定变量与地址的关系？
C51变量定义的四要素:
【存储种类】 数据类型 【存储类型】 变量名
存储种类用于说明变量的作用范围：
1、auto（自动型）——变量的作用范围在定义它的函数体或语句块内。执行结束后，变量所占内存即被释放。
2、extern（外部型） ——在一个源文件中被定义为外部型的变量，在其它源文件中需要通过extern说明方可使用。
3、static（静态型） ——利用static可使变量定义所在的函数或语句块执行结束后，其分配的内存单元继续保留。
4、register（寄存器型） ——目前已不推荐使用。
缺省存储种类为auto (自动)型变量
【存储种类】 数据类型 【存储类型】 变量名
数据类型用于表示数据存放格式
除上述常规格式外，51单片机还有三种新的存储格式：
C51扩充的3种数据类型：bit、sfr或sfr16、sbit
bit 型
关键词bit用于定义一个位变量，语法规则：
bit bit_name [= 0或1];
例如：bit door = 0 ;
//定义一个叫door的位变量且初值为0
与标准C的数据类型声明的语法规则是一致的，
如： int int_name [ = 常数];
sfr或sfr16型
关键词sfr或sfr16用于定义SFR字节地址变量，语法规则：
sfr sfr_name = 字节地址常数;
sfr16 sfr_name = 字节地址常数;
例如, sfr P0 = 0x80; //定义P0口地址80H
sfr PCON = 0x87; //定义PCON地址87H
sfr16 DPTR=0x82; //定义DPTR的低地址82H
注意：C语言中十六进制整数是数值前加0x或0X前缀
sbit型
关键词sbit用于定义SFR位地址变量
位地址表达形式：绝对位地址、相对位地址
sbit型可用三种定义形式：
1）将SFR的绝对位地址定义为位变量名
sbit bit_name = 位地址常数;
例如， sbit CY = 0xD7;
2）将SFR的相对位地址定义为位变量名
sbit bit_name = sfr字节地址 ^ 位位置;
例如， sbit CY = 0xD0^7;
3）将SFR的相对位位置定义位变量名
sbit bit_name = sfr_name ^ 位位置;
例如， sbit CY = PSW^7;
C51编译器在头文件“REG51.H”中定义了全部sfr/sfr16和sbit变量。
用一条预处理命令#include <REG51.H>把这个头文件包含到C51程序中，无需重新定义即可直接使用它们的名称。
编程举例：
#include<REG51.h> //51单片机头文件
void delay(); //延时函数
sbit p1_0 = P1^0; //输出端口定义
main() //主函数
{
while (1) //无限循环体
{
p1_0 = 0; //P1.0 = 0，led亮
delay(); //延时
p1_0 = 1;
delay();
}
}
void delay() //延时函数
{
unsigned char i;//字符型变量i定义
for ( i = 200; i > 0; i--); //循环延时
}【存储种类】 数据类型 【存储类型】 变量名
存储类型体现了变量的存放区域。51系列单片机共有6个存储类型（分布在3个逻辑存储空间中）。
不同存储类型的特点
三种编译模式分别对应于三种缺省存储类型：
约定：若无特殊声明，一般均为“SMALL编译模式”
【存储种类】 数据类型 【存储类型】 变量名
变量名可以由字母、数字和下划线三种字符组成，且第一个字符必须为字母或下划线，变量名长度随编译系统而定。
变量名具有字母大小写的敏感性，如SUM和sum代表不同的变量。
强调：头文件中定义的变量都是大写的，若程序采取小写变量则需要重新定义。
变量名不得使用标准C语言和C51语言的关键字。
数据结构定义举例
//定义system_status为无符号字符型自动变量，该变量位于data区中且初值为0。
unsigned char bdata status_byte;
//定义status_byte为无符号字符型自动变量，该变量位于bdata区
unsigned int code unit_id[2]={0x1234, 0x89ab};
//定义unit_id[2]为无符号整型自动变量，该变量位于code区中，是长度为2的数组，且初值为0x1234和0x89ab。
static char m, n;
//定义m和n为2个位于data区中的有符号字符型静态变量。
2. C51的指针
C语言指针的一般定义形式为：
数据类型 *指针变量名 [= &被指向变量名]；
其中，指针变量指向一个由“数据类型”说明的变量。被指向变量和指针变量都位于C编译器默认的内存区中。
例如： int a =’A’;
int *p1= &a;
这表示p1是一个指向int型变量的指针变量，此时p1的值为int型变量a的地址，而a和p1两个变量都位于C编译器默认的内存区中。
对于C51，除了数据类型外，指针定义中还应能说明:
1）指针变量自身位于哪个存储区中？
2）被指向变量位于哪个存储区中？
C51指针的一般定义形式：
数据类型 [存储类型1] * [存储类型2] 变量名 [=&被指向变量名]；
数据类型——被指向变量的类型，如int型或char型
存储类型1——被指向变量所在的存储区，缺省时由地址赋值关系决定
存储类型2——指针变量所在的存储区，缺省时为编译器默认的存储区
例1 若采用SMALL编译模式，试解释下述定义的含义。
char xdata a = ‘A’;
char *ptr = &a;
数据类型 [存储类型1] * [存储类型2] 变量名 [=&被指向变量名]；
解：ptr是一个指向char型变量的指针，它本身位于SMALL编译模式默认的data存储区里，此时它指向位于xdata存储区里的char型变量a的地址。
解：以char *ptr形式定义的指针变量，既可指向位于xdata存储区的char型变量a的地址，也可指向位于idata存储区的char型变量b的地址（由赋值操作关系决定）。
例3：试解释以下指针定义的含义
char xdata a = ‘A’;
char xdata *ptr = &a;
【解】ptr是位于data存储区且固定指向xdata存储区的char型变量的指针变量，此时ptr的值为变量a的地址（不能像例2那样再将idata存储区的char型变量b的地址赋予ptr）。
例4：试解释以下指针定义的含义
char xdata a = ‘A’;
char xdata *idata ptr = &a;
【解】ptr是固定指向xdata存储区的char型变量的指针变量， 它自身存放在idata存储区中，此时ptr指向位于xdata存储区中的char型变量a的地址。
4.3 C51与汇编的混合编程
汇编语言特点：
优点：执行速度快、效率高、实时性强、与硬件结合紧密。
缺点：编程难度大、可读性差，不便于移植、开发时间长
C语言特点
优点：编程容易、可移植性强、支持多种数据类型，能直接对硬件进行操作，效率高。
缺点：实时处理弱于汇编语言，无法准确定时。
混合编程特点：
程序框架或主体部分用C语言编写，对那些使用频率高、要求执行效率高、延时精确的部分用汇编语言编写，这样既可保证整个程序的可读性，又可保证单片机应用系统的性能。
4.4 C51仿真开发方法
4.4.1 C51程序编译
与汇编语言程序相似的是，C51语言编写的源程序也不能直接被单片机识别，必须转换成固件程序（firmware），又称为目标代码程序后才能被执行。
C51程序的编辑、编译和仿真运行也需要借助Proteus中的Source Code标签页才能。
实例1 循环流水灯
在第3章实例13电路基础上改用C51编程，实现其流水灯循环功能
【解】本实例的C51编程思路与汇编语言基本相同，只要编写循环右移和循环左移的自定义函数即可，但为简化编程工作量也可以直接使用C51系统的库函数。
可以看出，_cror_函数具有将低位移出值补到高位的功能。该函数有两个无符号字符型的形参，前者用来存放被移位的数据，后者用来存放移位次数，函数返回值是无符号字符型。由此可知，利用P2 =_cror_(P2,1)语句便可得到循环右移一位的结果。同理，利用P2 =_crol_(P2,1)语句可得到循环左移一位的结果。
还要指出的是，调用_cror_库函数需要在源程序开头处添加一条预处理命令“#include <intrins.h>”。
实例1源程序
//实例1 循环流水灯
#include<reg51.h> //包含reg51的头文件
#include<intrins.h> //包含移位库函数的头文件
void delay(void) //定义延时函数
{
unsigned char i,j;
for(i = 1;i <= 50;i++)
for(j = 1;j<=150;j++);
}
void main()
{
unsigned char i;
P2 = 0xfe; //P2初值，对应于D1亮其余灭
delay(); //延时
while(1) //无限循环
{
for(i = 1;i<=7;i++) //由上而下流动
{
P2 = _crol_(P2,1);//调用左循环移位库函数将P2左循环1位
delay();
}
for(i = 1;i<=7;i++)
{
P2 = _cror_(P2,1);//调用右循环移位库函数将P2右循环1位
delay();
}
}
}C51源程序的规范写法：
缩进是通过键盘的Tab键实现的，缩进可以使程序更有层次感。缩进原则是：如果地位相等，则不需要缩进；如果属于某一个代码的内部代码就需要缩进。
对齐主要是针对大括号{}而言的，{和}分别都要独占一行。互为一对的{和}要位于同一列，并且与引用它们的语句左对齐。另外，{}之内的代码要向内缩进一个Tab，且同一地位的要左对齐，地位不同的继续缩进。
重视注释语言的作用，根据软件工程的思想，注释要占整个文档的20%以上。所以注释要写得很详细，而且格式要写得很规范。格式虽然不会影响程序的功能，但会影响可读性，出错了查错也会很方便。
4.5 通用I/O口的简单应用
并行I/O口是51单片机基本结构中的重要组成部分，共有P0、P1、P2和P3四个8位端口。
单片机与外设的连接有两种方式，一是采用通用I/O口方式（以下简称为I/O口方式），二是采用片外总线方式。
前者的接口原理比较简单，应用容易实现，但受I/O口线数量限制只能用于少量外设的场合。
后者的接口原理相对复杂，通常需要外围器件配合才能连接外设，但可以节省I/O口线，便于外设扩展。
本节和下节介绍通用I/O口方式及C51编程应用，总线方式应用将在第8章中介绍。
4.1.1 基本输入/输出设备与应用
基本输出设备：发光二极管（Light Emitting Diode）
基本输入设备：按钮(Button)或开关（Switch）
P0口的两种输入接口电路有差别
有上拉电阻时，可以检测到1和0两种状态，其中按键未按下为1，按下为0；
无上拉电阻时，只能检测到是否为0状态，其中按键未按下为不确定状态，按下为0。
P1～P3口：
实例2 独立按键识别
【要求】采用独立按键方式实现下述功能：开机时LED全熄，然后根据按键动作使相应灯亮，并将亮灯状态保持到按压其它键时为止。
【解题分析】
由于P0口高4位引脚空置，电平为不确定值。为在读取P0口时能得到一个仅与按键状态有关的读入值，需要将高4位强制为0，为此可对读取的P0口值进行与操作，即key = P0 & 0x0f，使P0高4位始终为0。
为避免将按键释放后读到的P0值写入P2口，可以利用语句if (key!= 0x0f ) P2=key，仅在低4位读入值不为0x0f时才向P2输出P0状态值，这样就能保持先前的亮灯状态，直至有新的按键压下时才刷新显示。
实例2源程序
//实例2 独立按键识别
#include<REG51.H>
void main()
{
char key = 0;
while(1)
{
key = P0 & 0x0f;
if(key!= 0x0f) P2 = key;
}
}实例3 键控流水灯
【要求】在实例2电路图的基础上，实现以下功能：
K1为“启动键”，首次按压K1可产生“自下向上” 的流水灯运动;
K2 为“停止键”，按压K2可终止流水灯的运动（全部灭灯）；
K3和K4为“方向键”,分别产生 “自上向下”和 “自下向上” 运动。
思路分析：
①通过读取键值引导程序进行分支控制。需要设立两个可根据键值修改的标志变量，然后再根据标志变量的组合关系控制流水灯的流向与启停。
②流水灯的控制：提前将4种亮灯花样数据作为数组元素存入数组led中，然后再利用下标法依次调用。
花样数据： {0xfe,0xfd,0xfb,0xf7}
获取按键状态
修改方向和启停标志值
D1～D4循环方向控制
实例3源程序
4.1.2 数码管原理与静态显示应用
LED显示元件——人机交互输出设备，其作用是指示中间运行结果与运行状态，具有显示亮度高，响应速度快的特点。
七段式LED数码管（Proteus：7-Segment Display）
字符的显示码或字模与数码管的类型有关
实例5 LED数码管显示
图示为一个8位数码管显示电路，其中80C51单片机P0口的引脚与共阴极数码管的段码引脚相连。要求编程实现循环显示0～9字符，时间间隔为500循环步的功能。
分析：
数码管的显示字符与显示字模之间没有特别的规律可循。通常的做法是：将显示字模按显示字符代表的数值大小顺序存入一字符数组中，例如字符0～9的共阴极显示字模的数组
led_mod[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}
使用时，只需用待显示值作为下标变量调用该数组，即可取得相应的字模。本例中只要提取出0～9的显示字模并送P0口输出，便可实现题意要求的功能。
实例5源程序
实例6 计数显示器
下图为2位计数显示器的电路原理图
要求：数码管的显示初值为0，单击按键后，按增量1进行累加，累加值实时显示在数码管上。当累加值达到99后清零重新开始计数，如此无限循环。
解题分析：
只要设置一个按键闭合次数变量count，并将其值送到P0和P2口即可实现题意要求。
两个关键问题需要关注：
①按键的处理问题
按键通常为机械式弹性开关。当机械触点断开、闭合时，由于触点的弹性作用，按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动造成电压的波动。
显然按键抖动会造成难以判断按键闭合状态的问题
按键消抖最简单的方法是软件消抖法，即当检测到有键按下时，先用软件延时10ms，然后再次检测按键的状态。若仍是闭合状态电平，则可认为是真正有键按下。反之则应作为误判处理。同理，按键释放时的检测也需做类似的处理。
虽然电路仿真时不可能有按键抖动问题，但在程序设计时还是应该按实际电路的消抖考虑。
为避免按键在压下期间被连续统计，确保一次点击仅能被统计一次，计数值应该在按键先被压下然后又被释放之后才能更新。
②计数值的拆分显示原理
为使计数器变量count中的两位十进制数能分别显示在两只数码管上，需要将计数值先进行拆分再送交显示。
拆分原理：
将count用取模运算（count%10）拆出个位值，用整除运算（count/10）拆出十位值。
P2 = table[count%10];
P0 = table[count/10];
实例6源程序
4.6 通用I/O口的进阶应用
4.6.1 数码管动态显示原理与应用
两种显示接口：静态显示接口和动态显示接口
动态显示编程原理：
快速（如10ms）切换段码值和位码值，使每一时刻只有一只数码管被驱动。利用视力暂留特性，可获得连续显示效果。
优点：占用IO口资源较少（节省空间）
缺点：需要CPU不断进行干预（占用机时）
实例7 数码管动态显示
图为采用共阴极LED数码管的电路原理图，要求采用动态显示原理显示字符“L2”。
图中双联LED数码管是Proteus提供的控件模型，相当于段码位在内部做了并联，而位码位独立接出的两只数码管。
分析：
Proteus中的双联LED数码管相当于两个并联的数码管。
L2的显示方法
将位码0x02和0x01先后送入P3口，可依次使能左、右两个数码管。此时若将0x38和0x5b两个段码（显示字模）依次送到P2口，便可产生“L2”的动态显示效果。
实例7 源程序
4.2.2 行列式键盘原理与应用
独立式键盘的电路简单，易于编程，但占用的I/O口线较多，当需要较多按键时可能产生IO口资源紧张问题。
行列式键盘——将I/O口分为行线和列线，按键跨接在行线和列线上，列线通过上拉电阻接正电源。
行列式键盘编程原理（以P2口接4×4键盘为例）
第二步 按键闭合状态判断
键值——按键闭合时从引脚读出的数值。
按键闭合前后，所在行线端口电平反转；
读P2后，若发现其低4位为f，说明无键压下；反之则相反。
如果 (P2 & 0x0f) = 0x0f →无键压下
如果 (P2 & 0x0f) ≠ 0x0f →有键压下
第三步 查找闭合键键号
实例8行列式键盘
4×4行列式键盘如下图所示
功能要求：开机黑屏→按下任意按键后，数码管上显示该键的键号（0～F）→若没有新键按下，维持前次按键结果。
实例8源程序
实例9 1位密码锁
【功能要求】：在4X4行列式键盘基础上实现1位密码锁的如下功能：
• 用 16 个按键分别代表字符 0 ～ 9 和 A ～ F ，开锁密码为字符 7 ； • 系统上电后 LED 灭（代表上锁），数码管显示闪烁“ 8 ”，约 1 秒后改为“ - ”（即待机状态）； • 单击按键表示输入一位密码，若密码输入正确，则显示“ P ”， LED 亮（代表开锁），持续约 3 秒钟后自动进入待机状态（表示过期自动上锁）； • 否则显示“ E ”， LED 保持灭（表示开锁错误），持续约 3 秒钟后自动进入待机状态。 • 如此反复无限循环。试根据上述要求完成一个基于 51 单片机的软硬件系统设计。解题分析：
根据任务要求，硬件系统中可以用一位共阴极LED数码管作为显示器件，采用静态连接方式；16个按键采用4×4矩阵键盘连接方式；一位共阴极发光二极管作为密码锁开锁开关。
源程序设计思路：
• 按键闭合检测可以采用实例 7 的 getkey () 函数； • LED 操作和数码管显示 可由 自定义有参函数 action(char stat,char num ) 完成，其中形参 stat 代表 8 、 P 和 E 的显示码， num 代表开锁和上锁的操作码。 • 函数 action() 还要承担字符闪烁控制和待机字符显示的任务。
小结
1. C51变量的一般定义形式为：
〔存储种类〕 数据类型 〔存储类型〕 变量名;
l 存储种类包括auto、extern、static和register 4个说明符，缺省时为auto型。
l 常用数据类型为char和int，C51扩充类型为bit、sfr、sfr16和sbit。
l 存储类型包括data、bdata、idata、pdata、xdata和code 6个具体类型，缺省类型由编译模式指定。
l 变量名可由字母、数字和下画线3种字符组成，首字符应为字母或下画线。
2．C51指针的一般定义形式为：
数据类型 〔存储类型1〕 * 〔存储类型2〕 指针变量名;
l 数据类型是被指向变量的数据类型。
l 存储类型1是被指向变量的存储类型，缺省时需根据该变量的定义确定。
l 存储类型2是指针变量的存储类型，缺省时根据C51编译模式确定。
l 变量名可由字母、数字和下画线3种字符组成，首字符应为字母或下画线。
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