第4章 C語言基礎(chǔ)以及流水燈的實(shí)現(xiàn)

C語言，沒接觸過計算機(jī)編程語言的人會把它看的很神秘，感覺非常的難，而在我看來，C語言的邏輯和運(yùn)算，就是小學(xué)水平，所以大家不要怕它，我盡可能的從小學(xué)數(shù)學(xué)邏輯方式帶著大家學(xué)習(xí)C語言。

1.1 二進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制

看似很簡單的東西，但是從同學(xué)們學(xué)習(xí)視頻的情況來看，很多同學(xué)不能徹底明白。這里先簡單介紹一些注意事項，然后還是從實(shí)驗中講解會比較深刻。

1、十進(jìn)制就不多說了，逢十進(jìn)位，一個位有十個值：0～9，我們的生活中到處都是它的身影。二進(jìn)制就是逢二進(jìn)位，它的一個位只有兩個值：0和1，但它卻是實(shí)現(xiàn)計算機(jī)系統(tǒng)的最基本的理論基礎(chǔ)，計算機(jī)（包括單片機(jī)）芯片是基于成萬上億個的開關(guān)管組合而成的，他們每一個都只能有開和關(guān)兩種狀態(tài)，再難找出第三個狀態(tài)了（不要辯解半開半關(guān)這個狀態(tài)，它是不穩(wěn)定態(tài)，是極力避免的），所以他們只能對應(yīng)于二進(jìn)制的1和0兩個值，而沒有2、3、4……，理解二進(jìn)制對于理解計算機(jī)的本質(zhì)很有幫助。書寫二進(jìn)制數(shù)據(jù)時需加前綴0b，每一位的值只能是0或1。十六進(jìn)制就是把4個二進(jìn)制位組合為一位來表示，于是它的每一位有0b0000～0b1111共16個值，用0～9再加上A～F（或a～f）表示，那么它自然就是逢十六進(jìn)位了，它本質(zhì)上同二進(jìn)制是一樣的，是二進(jìn)制的一種縮寫形式，也是我們程序編寫中常用的形式。書寫十六進(jìn)制數(shù)據(jù)時需加前綴0x，下表是三種進(jìn)制之間的對應(yīng)關(guān)系。

表4-1 進(jìn)制轉(zhuǎn)換

2、對于二進(jìn)制來說，8位二進(jìn)制我們稱之為一個字節(jié)，二進(jìn)制的表達(dá)范圍值是從0b00000000～0b11111111，而我們程序中用十六進(jìn)制表示的時候就是從0x00到0xFF，這里教大家一個二進(jìn)制轉(zhuǎn)換十進(jìn)制和十六進(jìn)制的方法，二進(jìn)制4位一組，遵循8,4,2,1的規(guī)律比如 1010，那么從最高位開始算，數(shù)字大小是8*1+4*0+2*1+1*0 = 10，那么十進(jìn)制就是10，十六進(jìn)制就是0xA。尤其二進(jìn)制轉(zhuǎn)十六進(jìn)制的時候，十六進(jìn)制一位剛好是和二進(jìn)制的4位相互對應(yīng)的，這些大家不需要強(qiáng)行記憶，用幾次就熟練了。

3、對于進(jìn)制來說，只是數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式，而數(shù)據(jù)的大小不會因為進(jìn)制表現(xiàn)形式不同而不同，比如二進(jìn)制的0b1、十進(jìn)制的1、十六進(jìn)制的0x01，他們本質(zhì)上數(shù)值大小相等的同一個數(shù)據(jù)。我們在進(jìn)行C語言編程的時候，我們只寫十進(jìn)制和十六進(jìn)制，那么不帶0x的就是十進(jìn)制，帶了0x符號的就是十六進(jìn)制。

1.2 C語言變量類型和范圍

什么是變量？變量自然和常量是相對的。常量比如是1、2、3......等固定的數(shù)字，而變量，和我們小學(xué)學(xué)的x是一個概念，我們可以讓它是1，也可以讓它是2，我們想讓它是幾是我們程序說了算的。

那么我們小學(xué)學(xué)的數(shù)學(xué)里邊，有這么幾類，正數(shù)、負(fù)數(shù)、整數(shù)和小數(shù)。在C語言里，名字和我們數(shù)學(xué)里學(xué)的不一樣外，還對數(shù)據(jù)大小進(jìn)行了限制。這個地方有一點(diǎn)復(fù)雜的是，在C51里邊的數(shù)據(jù)范圍和其他編程環(huán)境還不完全一樣，因此我們下邊的這個圖，僅僅代表的是C51，其他編程環(huán)境可能不一樣，大家知道有這回事就可以了。C語言的關(guān)鍵字較多語法有些嚴(yán)謹(jǐn)我們不必死記硬背只需理解了，用的時候再打開http://www.torrancerestoration.com/mcuteach/150.html 查閱即可.

C語言的數(shù)據(jù)基本類型分為整型、字符型以及浮點(diǎn)型，如圖4-1

圖4-1 C語言數(shù)據(jù)類型

圖4-1中，三種基本類型，每個基本類型又包含了兩個類型。其中字符型和整型，除了有一定的數(shù)據(jù)大小范圍之外，只能表達(dá)整數(shù)。而unsigned型的又只能表達(dá)正數(shù)，要表達(dá)負(fù)數(shù)必須用signed型，編寫程序的時候，signed可以省略。表達(dá)小數(shù)，必須用浮點(diǎn)型。

比如上節(jié)課最后給的閃爍小燈的程序，我們用的是unsigned int i = 0;這個地方i的范圍就是0~65535，我們for語句的寫法，如果那個30000改成70000的話，for(i=0;i<70000;i++);大家會發(fā)現(xiàn)小燈會一直亮，而不是閃爍了，那理解這個問題，當(dāng)然我們要來了解for語句的用法了。 

這里有一個編程宗旨，就是能用小不用大。就是說定義能用1個字題的，就不定義成int，一方面節(jié)省RAM空間可以讓其他變量或者中間運(yùn)算過程使用，另外一方面，占空間小程序運(yùn)算速度也快一些。

1.3 for循環(huán)語句

for語句是我們今后編程的一個常用的語句，這個語句必須得學(xué)會其用法，他不僅僅可以用來做延時，還可以用來做一些循環(huán)運(yùn)算。for語句的一般形式如下：

        for(表達(dá)式1; 表達(dá)式2; 表達(dá)式3)

        (需要執(zhí)行的語句);

其執(zhí)行過程是：表達(dá)式1首先執(zhí)行且只執(zhí)行一次；然后執(zhí)行表達(dá)式2，通常都是一個用于判定條件的表達(dá)式，如果表達(dá)式2條件成立，就執(zhí)行(需要執(zhí)行的語句)；然后再執(zhí)行表達(dá)式3；再判斷表達(dá)式2，再執(zhí)行表達(dá)式3.....一直到表達(dá)式2不成立時，跳出循環(huán)往下執(zhí)行。舉個例子：

    for(i = 0; i<2; i++)  

        j++;

這里有一個符號++，這個符號表示加1的意思。假如j最開始初值是0，首先執(zhí)行表達(dá)式1的i=0，然后判斷i小于2這個條件成立，就執(zhí)行一次j++，j的值就是1了，然后經(jīng)過表達(dá)式3后，i的值也變成1了，再判斷條件2，還是符合，j再加一次，j變成2了，表達(dá)式3后i也變成2了，再判斷條件2，發(fā)現(xiàn)2<2這個條件不成立了，所以就不會再執(zhí)行j++這個語句了。所以執(zhí)行完畢后，j的值就是2。   

for語句除了這種標(biāo)準(zhǔn)用法，還有幾種特殊用法，我們上節(jié)課的閃爍小燈對for語句的用法for(i=0; i<30000; i++) ;我們沒有加(需要執(zhí)行的語句)，沒有加的話，就是什么都不操作。但是什么都不操作的話，我們這個for語句循環(huán)判斷了30000次，程序執(zhí)行是會用掉時間的，所以就起到了延時的作用。比如我們把30000改成20000，會發(fā)現(xiàn)燈的閃爍速度加快了，因為我們延時時間短了，當(dāng)然，我們該成40000后會發(fā)現(xiàn)，閃爍慢了。但是有一點(diǎn)特別注意，C語言的延時時間是不能通過程序看出來的，也不會成比例，比如假如我們這個for循環(huán)里邊的表達(dá)式2使用30000的時候延時3秒的話，那么延時40000的時候，可能不會是4秒，那如何看實(shí)際延時時間呢，一會我再教大家。

還有一種寫法for( ; ; )，這樣寫后，這個for循環(huán)就變成了死循環(huán)了，就不停的執(zhí)行(需要執(zhí)行的語句)，和我們前邊講的while(1)的意思是一樣的。那while這個語法是如何用的呢？

1.4 while循環(huán)語句

在我們單片機(jī)C語言編程的時候，每個程序我們都會固定的加一句while(1)，這條語句就可以起到死循環(huán)的作用。對于while語句來說，他的一般形式是：

     While (表達(dá)式)

     {

        循環(huán)體語句；

     } 

在C語言里，通常表達(dá)式符合條件，我們叫做真，不符合條件，叫做假。比如前邊i<30000，當(dāng)i等于0的時候，那這個條件成立，就是真，如果i大于30000的時候，條件不成立，叫做假。

while(表達(dá)式)這個括號里的表達(dá)式，為真的時候，就會執(zhí)行循環(huán)體語句，當(dāng)為假的時候，就不執(zhí)行。在這里先不舉例，后邊遇到時再詳細(xì)說明。

還有另外一種情況，就是我們C語言里邊，除了表達(dá)式外，還有常數(shù)，習(xí)慣上，我們非0的常數(shù)都認(rèn)為是真，只有0認(rèn)為是假，所以我們程序中加了while(1)，這個數(shù)字1，可以改成2,3,4......等等都可以，都是一個死循環(huán)，不停的執(zhí)行循環(huán)體的語句，但是如果把這個數(shù)字改成0，那么就不會執(zhí)行循環(huán)體的語句了。

1.5 函數(shù)的簡單介紹

函數(shù)定義的一般形式如下：

    函數(shù)值類型  函數(shù)名 (形式參數(shù)列表)

    {

        函數(shù)體

    }

1、函數(shù)值類型，就是函數(shù)返回值的類型。在我們后邊程序使用中，會有很多函數(shù)中有return x這個東西，這個返回值也就是函數(shù)本身的類型。還有一種情況，就是這個函數(shù)只執(zhí)行操作，不需要返回任何值，那么這個時候它的類型就是空類型void，這個void按道理來說是可以省略的，但是一旦省略，Keil軟件會報一個警告，所以我們通常也不省。

2、函數(shù)名。可以是任何合法的標(biāo)示符，但是不能與其他函數(shù)或者變量重名，也不能是關(guān)鍵字。什么是關(guān)鍵字，后邊我們慢慢接觸，比如char這類，都是關(guān)鍵字，是我們程序中具備特殊功能的標(biāo)志符，這種東西不可以命名函數(shù)。

3、形式參數(shù)列表，我們也叫做形參，這個是函數(shù)調(diào)用的時候，相互傳遞數(shù)據(jù)用的。有的函數(shù)，我們不需要傳遞參數(shù)，那么可以用void來替代，void同樣可以省略，但是那個括號是不能省略的。

4、函數(shù)體。函數(shù)體包含了聲明語句部分和執(zhí)行語句部分。聲明語句部分主要用于聲明函數(shù)內(nèi)部所使用的變量，執(zhí)行語句部分主要是一些函數(shù)需要執(zhí)行的語句。特別注意，所有的聲明語句部分必須放在執(zhí)行語句之前，否則編譯的時候會報錯。

5、一個工程文件必須有且僅能有一個main函數(shù)，程序執(zhí)行的時候，都是從main函數(shù)開始的。

6、關(guān)于形參和實(shí)參的概念，我們后邊再總結(jié)，如果遇到程序里有，大家再跟著抄一段時間。先用，后講解，這樣更有利于理解。

我們再來回顧一下我們上節(jié)課閃爍LED程序部分

void  main()               //void即函數(shù)類型          

{

    unsigned int i = 0;   //定義一個無符號整數(shù)i，變量范圍是0~65535

                            //并且賦一個初值0

    ENLED = 0;             //先定義變量i，后寫執(zhí)行部分

    ADDR0 = 0;

    ADDR1 = 1;

    ADDR2 = 1;

    ADDR3 = 1;             //74HC138開啟三極管   

    while(1)               //程序死循環(huán)  

    {

           LED = 0;                //點(diǎn)亮小燈

           for(i=0;i<30000;i++);  //for延時操作

           LED = 1;                //熄滅小燈

           for(i=0;i<30000;i++);  //for延時操作

    }

}

1.6 Keil軟件延時

    C語言常用的延時辦法，有以下4種

圖4-2 C語言延時

圖4-2是我們編程語言常用的4種延時方法，其中兩種非精確延時，兩種精確一些的延時。for語句和while語句都可以通過改變i的范圍值來改變延時時間，但是C語言的時間都是不能通過程序看出來的。

精確延時有兩個方法，一個方法是用定時器來延時，這個方法我們后邊課程要詳細(xì)介紹，定時器是單片機(jī)的一個重點(diǎn)。另外一個就是用庫函數(shù)_nop_();，一個NOP的時間是一個機(jī)器周期的時間，這個后邊也要介紹。

非精確延時，只是在我們做一些簡單的比如小燈閃爍，流水燈等簡單實(shí)驗中使用，而實(shí)際做實(shí)際開發(fā)程序中其實(shí)這種非精確延時用的極少，這里我們只是做演示功能使用。

好了，介紹完了，我們就要實(shí)戰(zhàn)了。上節(jié)課的LED小燈閃爍的程序，我們用的延時方式是for(i=0;i<30000;i++);大家如果把這里的i改成100，下載進(jìn)入單片機(jī)，會發(fā)現(xiàn)小燈一直亮，而不是閃爍狀態(tài)，現(xiàn)在大家都把這個程序改一下，都改成100，然后下載觀察一下現(xiàn)象再繼續(xù)。

觀察完了，毫無疑問，實(shí)際現(xiàn)象和我提到的理論是相符合的，這是為什么呢？這里介紹一個常識。我們?nèi)说娜庋?/span>對閃爍的光線有一個最低分辨能力，通常情況下當(dāng)閃爍的頻率高于50Hz時，我們看到的信號就是常亮的。即，延時的時間低于20ms的時候，我們的肉眼是分辨不出來小燈是在閃爍的，可能最多看到的是小燈亮暗稍微變化了一下。要想清楚的看到小燈閃爍，延時的值必須大一點(diǎn)，大到什么程度呢，不同的亮度的燈不完全一樣，大家可以自己做實(shí)驗。

那么如何觀察延時有多長時間呢？大家鼠標(biāo)點(diǎn)Keil的Project-->Options for Target ‘Target1’，或點(diǎn)Target1右側(cè)圖標(biāo)，進(jìn)入設(shè)置選項，如圖4-3所示

圖4-3 Options for Target

首先我們打開Target這個選項卡，找到里邊的Xtal(MHz)這個位置，這是填寫我們進(jìn)行模擬時間的晶振選項，從我們原理圖以及板子上都可以看到，我們單片機(jī)所配的晶振是11.0592MHz，所以這個地方我們要填上11.0592。然后找到Debug這個選項，選擇左側(cè)的Use Simulator，然后點(diǎn)擊最下邊的OK就可以了，如圖4-4所示。

圖4-4 Debug配置信息

點(diǎn)擊Debug菜單里的Start/Stop Debug Session，或者鼠標(biāo)點(diǎn)做左側(cè)的這個Debug圖標(biāo)，會進(jìn)入一個新的頁面，如圖4-5所示。

圖4-5 Debug窗口顯示

最左側(cè)那一欄是單片機(jī)的一些寄存器和系統(tǒng)信息，最上邊那一欄是Keil將C語言轉(zhuǎn)換成匯編的代碼，下邊就是我們C語言的程序，還有各種窗口都可以打開，在view菜單可以打開或者關(guān)閉我們的各種窗口。這節(jié)課我們只關(guān)心我們需要的窗口，其他窗口用到再說。那么有時候我們覺得這種分布不是特別的好，所以我們想改變一下窗口分布怎么辦呢？比如Disassembly(匯編)窗口，我們先用鼠標(biāo)拖動它，然后中間會出現(xiàn)一個方向符號，再用鼠標(biāo)點(diǎn)那個方向符號，他就給我們分布了，如圖4-6所示。

圖4-6 Keil窗口移動(一)

我們點(diǎn)擊最右邊的那個箭頭，然后窗口變化成如4-7圖所示�；蛘呶覀�?nèi)绻貌坏絽R編的程序，也可以直接關(guān)掉。

圖4-7所示 Keil窗口移動(二)

細(xì)心的同學(xué)會看到在C語言的程序里有個黃色的箭頭，這個箭頭代表的就是這個程序當(dāng)前運(yùn)行的位置，在這個Debug里邊，我們可以看到我們的程序運(yùn)行的過程。在左上角有這三個圖標(biāo)，第一個是復(fù)位，點(diǎn)擊一下之后，程序就會跑到最開始的位置運(yùn)行，第二個圖標(biāo)是全速運(yùn)行圖標(biāo)，點(diǎn)擊一下程序就會全速運(yùn)行跑起來，第三個圖標(biāo)是停止圖標(biāo)，當(dāng)程序全速運(yùn)行跑起來后，我們可以通過點(diǎn)擊第三個圖標(biāo)來讓程序停止，觀察程序運(yùn)行到哪里了。點(diǎn)擊一下復(fù)位后，我們會發(fā)現(xiàn)C語言程序左側(cè)有的灰色或者綠色，有的地方還是保持原來的白色，我們可以在我們灰色的位置雙擊鼠標(biāo)設(shè)置斷點(diǎn)，就是比如程序一共20行，在第十行設(shè)置斷點(diǎn)后，點(diǎn)全速運(yùn)行，程序就會運(yùn)行到第十行停止，方便我們觀察運(yùn)行到這個地方的情況。

同學(xué)們會發(fā)現(xiàn)，有的位置可以設(shè)置斷點(diǎn)，有的地方不可以設(shè)置斷點(diǎn)，這是為什么呢？Keil軟件本身具備優(yōu)化我們程序的功能，如果大家想在所有的位置設(shè)置斷點(diǎn)，可以把優(yōu)化選項設(shè)置到0位置，就是程序不進(jìn)行優(yōu)化。如圖4-8所示。

圖4-8 優(yōu)化選項設(shè)置

這節(jié)課我們重點(diǎn)是看看C語言代碼的運(yùn)行時間，在最左側(cè)的register那個框內(nèi)，有一個sec選項，這個選項就是單片機(jī)運(yùn)行時間的統(tǒng)計選項，大家點(diǎn)一下復(fù)位按鈕，會發(fā)現(xiàn)這個sec變成了0，然后我們在LED = 0; 這一句加一個斷點(diǎn)，在LED = 1;這個位置加一個斷點(diǎn)，我們點(diǎn)擊全速運(yùn)行按鈕，會直接停留在LED = 0；我們會看到我們的時間變化成0.000197秒，如圖4-9所示。

圖4-9 斷點(diǎn)設(shè)置

    我們再點(diǎn)一下全速運(yùn)行，會發(fā)現(xiàn)sec變成了0.07530650秒，那么這樣一個for循環(huán)的時間大概有75ms左右，我們也可以通過改變30000這個數(shù)字來改變這個間隔時間。當(dāng)然了，大家要注意i的變量范圍，你如果寫成了大于65535的值以后，程序就會一直運(yùn)行不下去了，因為i無論如何變化，都不會大于這個值，如果要大于這個值正常運(yùn)行，必須改變i定義的類型了。后邊如果我們要求看一段程序運(yùn)行多長時間，都可以通過這種方式來看。

1.7 流水燈程序

我們前邊學(xué)了點(diǎn)亮LED小燈，然后又學(xué)了LED小燈閃爍，下邊我們要進(jìn)一步了解一下如何讓8個小燈依次一個一個點(diǎn)亮，流動起來。

圖4-10 LED小燈電路圖

通過前面的課程，我們可以了解到控制引腳P0.0通過了74HC245控制DB0，P0.1控制DB1......P0.7控制DB7。我們還學(xué)到一個字節(jié)是8位，我們?nèi)绻麑懸粋€P0，就代表了P0.0到P0.7的共8個位。比如我們寫P0 = 0xFE；轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制就是0b11111110，所以點(diǎn)亮LED小燈的程序，實(shí)際上我們可以改成另外一種寫法，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開啟三極管    

    P0 = 0xFE;

    while(1);             //程序停止在這里 

}

通過上邊這個程序我們可以看出來，可以通過P0來控制所有的8個LED小燈的亮和滅。我們下邊要進(jìn)行依次亮和滅，怎么辦呢？從這里就可以得到方法了，如果想讓單片機(jī)流水燈流動起來，依次要實(shí)現(xiàn)的結(jié)果是：0xFE,0xFD,0xFB,0xF7,0xEF,0xDF,0xBF,0x7F。

在我們的C語言當(dāng)中，有一個移位操作，其中<<代表的是左移，>>代表的是右移。比如a = 0x01 << 1就是a 的結(jié)果等于0x01左移一位。大家注意，移位都是指二進(jìn)制移位，那么移位完了，本來在第0位的1移動到了第一位上，移動完了低位是補(bǔ)0的。所以a的值最終是等于0x02。

還要學(xué)習(xí)另外一個運(yùn)算符~，這個符號是按位取反的意思，同樣，按位取反也是針對二進(jìn)制而言。比如a = ~(0x01)，0x01的二進(jìn)制是0b00000001，按位取反是0b11111110，那么a的值就是0xFE了。

學(xué)會了這兩個符號后，那么我們就可以把流水燈的程序?qū)懗鰜�，先把程序貼上。

#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開啟三極管Q16           

    while(1)                //程序死循環(huán)  

    {

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

        for(i=0; i<20000; i++);  //延時

        if(j == 8)                //如果j等于8，重新給j賦值0

        {

            j = 0;

        }

     }

}

這里我只講兩種情況，當(dāng)j等于0的時候，1左移0位還是1，那么寫成二進(jìn)制后就是0b00000001，對這個數(shù)字按位取反就是0b11111110，亮的是最右邊的小燈。當(dāng)j等于7的時候，1左移7位就是0b10000000，按位取反0b01111111，亮的是最左邊的小燈。中間過程大家自己分析一下。

流水燈結(jié)束后，關(guān)于小燈的講解，我們暫時告一段落，后邊還有小燈的高級用法，我們到時候再詳細(xì)講解。

1.8 作業(yè)

1、熟練掌握二進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換方法。

2、掌握C語言變量類型和范圍，for、while等基本語句的用法。

3、了解函數(shù)的基本結(jié)構(gòu)，能夠獨(dú)立進(jìn)入程序Debug，多多動手操作，熟練Keil軟件環(huán)境的一些基本操作。

4、將流水燈左移理解透徹后，獨(dú)立完成流水燈右移操作以及流水燈先左移后右移等簡單的花樣操作。