从单片机初学者迈向单片机工程师

加德满都

学习单片机也已经有几年了，藉此机会和大家聊一下我学习过程中的一些经历和想法吧。也感谢一线工人提供了这个机会。

    几年前，和众多初学者一样，我接触到了单片机，立刻被其神奇的功能所吸引，从此不能自拔。很多个日夜就这样陪伴着它度过了。期间也遇到过非常多的问题，也一度被这些问题所困惑……等到回过头来，看到自己曾经走过的路，唏嘘不已。经常混迹于论坛里，也看到了很多初学者发的求助帖子，看到他们走在自己曾走过的弯路上，忽然想到了自己的那段日子，心里竟然莫名的冲动，凡此总总，我总是尽自己所能去回帖。很多时候，都想写一点什么东西出来，希望对广大的初学者有一点点帮助。但总是不知从何处写起。今天借一线工人的台，唱一唱我的戏。“卖弄”也好，“吹嘘”也罢，我只是想认真的写写我这一路走来历经的总总，把其中值得注意，以及经验的地方写出来，权当是我对自己的一个总结吧。而作为看官的你，如果看到了我的错误，还请一定指正，这样对我以及其它读者都有帮助，而至于你如果从中能够收获到些许，那便是我最大的欣慰了。姑妄言之，姑妄听之。一路学习过来的过程中，帮助最大之一无疑来自于网络了。很多时候，通过网络，我们都可以获取到所需要的学习资料。但是，随着我们学习的深入，我们会慢慢发现，网络提供的东西是有限度的，好像大部分的资料都差不多，或者说是适合大部分的初学者所需，而当我们想更进一步提高时，却发现能够获取到的资料越来越少，相信各位也会有同感，铺天盖地的单片机资料中大部分不是流水灯就是LED，液晶，而且也只是仅仅作功能性的演示。于是有些人选择了放弃，或者是转移到其他兴趣上面去了，而只有少部分人选择了继续摸索下去，结合市面上的书籍，然后在网络上锲而不舍的搜集资料，再从牛人的只言片语中去体会，不断动手实践，慢慢的，也摸索出来了自己的一条路子。当然这个过程必然是艰辛的，而他学会了之后也不会在网络上轻易分享自己的学习成果。如此恶性循环下去，也就不难理解为什么初级的学习资料满天飞，而深入一点的学习资料却很少的原因了。相较于其他领域，单片机技术的封锁更加容易。尽管已经问世了很多年了，有价值的资料还是相当的欠缺，大部分的资料都是止于入门阶段或者是简单的演示实验。但是在实际工程应用中却是另外一回事。有能力的高手无暇或者是不愿公开自己的学习经验。

很多时候，我也很困惑，看到国外爱好者毫不保留的在网络上发布自己的作品，我忽然感觉到一丝丝的悲哀。也许，我们真的该转变一下思路了，帮助别人，其实也是在帮助自己。啰啰嗦嗦的说了这么多，相信大家能够明白说的是什么意思。在接下来的一段日子里，我将会结合电子工程师之家举办的主题周活动写一点自己的想法。尽可能从实用的角度去讲述。希望能够帮助更多的初学者更上一层楼。而关于这个主题周的最大主题我想了这样的一个名字“从单片机初学者迈向单片机工程师”。名字挺大挺响亮，给我的压力也挺大的，但我会努力，争取使这样的一系列文章能够带给大家一点帮助，而不是看后大跌眼镜。这样的一系列文章主要的对象是初学者，以及想从初学者更进一步提高的读者。而至于老手，以及那些牛XX的人，希望能够给我们这些初学者更多的一些指点哈~@_@

我们首先来看第一章节

从这一章开始，我们开始迈入单片机的世界。在我们开始这一章具体的学习之前，有必要给大家先说明一下。在以后的系列文章中，我们将以51内核的单片机为载体，C语言为编程语言，开发环境为KEIL uv3。至于为什么选用C语言开发，好处不言而喻，开发速度快，效率高，代码可复用率高，结构清晰，尤其是在大型的程序中，而且随着编译器的不断升级，其编译后的代码大小与汇编语言的差距越来越小。而关于C语言和汇编之争，就像那个啥，每隔一段时间总会有人挑起这个话题，如果你感兴趣，可以到网上搜索相关的帖子自行阅读。不是说汇编不重要，在很多对时序要求非常高的场合，需要利用汇编语言和C语言混合编程才能够满足系统的需求。在我们学习掌握C语言的同时，也还需要利用闲余的时间去学习了解汇编语言。

1.从点亮LED(发光二极管)开始
在市面上众多的单片机学习资料中，最基础的实验无疑于点亮LED了，即控制单片机的I/O的电平的变化。
如同如下实例代码一般

void main(void)
{
    LedInit() ;
    While(1)  
    {
        LED = ON ;
        DelayMs(500) ;
        LED = OFF ;
        DelayMs(500) ;
}
}

    程序很简单，从它的结构可以看出，LED先点亮500MS，然后熄灭500MS，如此循环下去，形成的效果就是LED以1HZ的频率进行闪烁。下面让我们分析上面的程序有没有什么问题。
看来看出，好像很正常的啊，能有什么问题呢？这个时候我们应该换一个思路去想了。试想，整个程序除了控制LED = ON ； LED = OFF； 这两条语句外，其余的时间，全消耗在了DelayMs(500)这两个函数上。而在实际应用系统中是没有哪个系统只闪烁一只LED就其它什么事情都不做了的。因此，在这里我们要想办法，把CPU解放出来，让它不要白白浪费500MS的延时等待时间。宁可让它一遍又一遍的扫描看有哪些任务需要执行，也不要让它停留在某个地方空转消耗CPU时间。

从上面我们可以总结出
(1)    无论什么时候我们都要以实际应用的角度去考虑程序的编写。
(2)    无论什么时候都不要让CPU白白浪费等待，尤其是延时(超过1MS)这样的地方。

下面让我们从另外一个角度来考虑如何点亮一颗LED。
先看看我们的硬件结构是什么样子的。


    我手上的单片机板子是电子工程师之家的开发的学习板。就以它的实际硬件连接图来分析吧。如下图所示

  一般的LED的正常发光电流为10~20MA而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。在上图中我们可知，当Q1~Q8引脚上面的电平为低电平时，LED发光。通过LED的电流约为（VCC - Vd）/ RA2 。其中Vd为LED导通后的压降，约为1.7V左右。这个导通压降根据LED颜色的不同，以及工作电流的大小的不同，会有一定的差别。下面一些参数是网上有人测出来的，供大家参考。
红色的压降为1.82-1.88V，电流5-8mA，
绿色的压降为1.75-1.82V，电流3-5mA，
橙色的压降为1.7-1.8V，电流3-5mA
兰色的压降为3.1-3.3V，电流8-10mA，
白色的压降为3-3.2V，电流10-15mA，
(供电电压5V，LED直径为5mm)

74HC573真值表如下：
  通过这个真值表我们可以看出。当OutputEnable引脚接低电平的时候，并且LatchEnable引脚为高电平的时候，Q端电平与D端电平相同。结合我们的LED硬件连接图可以知道LED_CS端为高电平时候，P0口电平的变化即Q端的电平的变化，进而引起LED的亮灭变化。由于单片机的驱动能力有限，在此，74HC573的主要作用就是起一个输出驱动的作用。需要注意的是，通过74HC573的最大电流是有限制的，否则可能会烧坏74HC573这个芯片。

   
  
上面这个图是从74HC573的DATASHEET中截取出来的，从上可以看出，每个引脚允许通过的最大电流为35mA 整个芯片允许通过的最大电流为75mA。在我们设计相应的驱动电路时候，这些参数是相当重要的，而且是最容易被初学者所忽略的地方。同时在设计的时候，要留出一定量的余量出来，不能说单个引脚允许通过的电流为35mA，你就设计为35mA，这个时候你应该把设计的上限值定在20mA左右才能保证能够稳定的工作。
（设计相应驱动电路时候，应该仔细阅读芯片的数据手册，了解每个引脚的驱动能力，以及整个芯片的驱动能力）

    了解了相应的硬件后，我们再来编写驱动程序。
    首先定义LED的接口
    #define LED  P0
        然后为亮灭常数定义一个宏，由硬件连接图可以，当P0输出为低电平时候LED亮，P0输出为高电平时，LED熄灭。
    #define LED_ON()    LED = 0x00  //所有LED亮
    #define LED_OFF()    LED = 0xff  //所有LED熄灭
    下面到了重点了，究竟该如何释放CPU，避免其做延时空等待这样的事情呢。很简单，我们为系统产生一个1MS的时标。假定LED需要亮500MS，熄灭500MS，那么我们可以对这个1MS的时标进行计数，当这个计数值达到500时候，清零该计数值，同时把LED的状态改变。
unsigned int g_u16LedTimeCount = 0 ;    //LED计数器
unsigned char g_u8LedState = 0 ;      //LED状态标志, 0表示亮，1表示熄灭

void LedProcess(void)
{
    if(0 == g_u8LedState)  //如果LED的状态为亮，则点亮LED
    {
        LED_ON() ;
    }
    else                //否则熄灭LED
    {
        LED_OFF() ;
    }
}


void LedStateChange(void)
{
    if(g_bSystemTime1Ms)            //系统1MS时标到
  {
        g_bSystemTime1Ms = 0 ;
        g_u16LedTimeCount++ ;      //LED计数器加一
    if(g_u16LedTimeCount >= 500)  //计数达到500,即500MS到了,改变LED的状态。
    {
            g_u16LedTimeCount = 0 ;
            g_u8LedState  = ! g_u8LedState ;
      }
    }
}

上面有一个变量没有提到，就是g_bSystemTime1Ms 。这个变量可以定义为位变量或者是其它变量，在我们的定时器中断函数中对其置位，其它函数使用该变量后，应该对其复位(清0) 。
我们的主函数就可以写成如下形式(示意代码)
void main(void)
{
    while(1)
    {
        LedProcess() ;
        LedStateChange() ;
    }  
}

因为LED的亮或者灭依赖于LED状态变量(g_u8LedState)的改变，而状态变量的改变，又依赖于LED计数器的计数值(g_u16LedTimeCount ，只有计数值达到一定后，状态变量才改变)所以，两个函数都没有堵塞CPU的地方。让我们来从头到尾分析一遍整个程序的流程。

程序首先执行LedProcess() ;函数
因为g_u8LedState 的初始值为0 (见定义，对于全局变量，在定义的时候最好给其一个确定的值)所以LED被点亮，然后退出LedStateChange()函数，执行下一个函数LedStateChange()
在函数LedStateChange()内部首先判断1MS的系统时标是否到了，如果没有到就直接退出函数，如果到了，就把时标清0以便下一个时标消息的到来，同时对LED计数器加一，然后再判断LED计数器是否到达我们预先想要的值500，如果没有，则退出函数，如果有，对计数器清0，以便下次重新计数，同时把LED状态变量取反，然后退出函数。
由上面整个流程可以知道，CPU所做的事情，就是对一些计数器加一，然后根据条件改变状态，再根据这个状态来决定是否点亮LED。这些函数执行所花的时间都是相当短的，如果主程序中还有其它函数，则CPU会顺次往下执行下去。对于其它的函数(如果有的话)也要采取同样的措施，保证其不堵塞CPU，如果全部基于这种方法设计，那么对于不是非常庞大的系统，我们的系统依旧可以保证多个任务(多个函数)同时执行。系统的实时性得到了一定的保证，从宏观上看来，就是多个任务并发执行。

好了，这一章就到此为止，让我们总结一下，究竟有哪些需要注意的吧。

(1)    无论什么时候我们都要以实际应用的角度去考虑程序的编写。
(2)    无论什么时候都不要让CPU白白浪费等待，尤其是延时(超过1MS)这样的地方。
(3)    设计相应驱动电路时候，应该仔细阅读芯片的数据手册，了解每个引脚的驱动能力，
          以及整个芯片的驱动能力
(4)    最重要的是，如何去释放CPU(参考本章的例子)，这是写出合格程序的基础。


附完整程序代码(基于51hei单片机开发板)

#include

sbit LED_SEG  = P1^4;  //数码管段选
sbit LED_DIG  = P1^5;  //数码管位选
sbit LED_CS11 = P1^6;  //led控制位
sbit ir=P1^7;
#define LED P0            //定义LED接口
bit  g_bSystemTime1Ms = 0 ;              // 1MS系统时标
unsigned int  g_u16LedTimeCount = 0 ; //LED计数器
unsigned char g_u8LedState = 0 ;      //LED状态标志, 0表示亮，1表示熄灭

#define LED_ON()      LED = 0x00 ;  //所有LED亮
#define LED_OFF()    LED = 0xff ;  //所有LED熄灭

void Timer0Init(void)
{
    TMOD &= 0xf0 ;
    TMOD |= 0x01 ;      //定时器0工作方式1
    TH0  =    0xfc ;      //定时器初始值
    TL0  =  0x66 ;
    TR0  = 1 ;
    ET0  = 1 ;
}
void LedProcess(void)
{
    if(0 == g_u8LedState)  //如果LED的状态为亮，则点亮LED
    {
        LED_ON() ;
    }
    else                //否则熄灭LED
    {
        LED_OFF() ;
    }
}

void LedStateChange(void)
{
    if(g_bSystemTime1Ms)            //系统1MS时标到
  {
            g_bSystemTime1Ms = 0 ;
            g_u16LedTimeCount++ ;      //LED计数器加一
      if(g_u16LedTimeCount >= 500)  //计数达到500,即500MS到了,改变LED的状态。
      {
      g_u16LedTimeCount = 0 ;
      g_u8LedState  = ! g_u8LedState    ;
          }
    }
}

void main(void)
{
    Timer0Init() ;
    EA = 1 ;
                    LED_CS11 = 1 ; //74HC595输出允许
    LED_SEG = 0 ;  //数码管段选和位选禁止(因为它们和LED共用P0口)
    LED_DIG = 0 ;
    while(1)
    {
          LedProcess() ;
          LedStateChange() ;
    }
}  

void Time0Isr(void) interrupt 1
{
    TH0  =    0xfc ;            //定时器重新赋初值
    TL0  =  0x66 ;
    g_bSystemTime1Ms = 1 ;    //1MS时标标志位置位
}




                                                第三章----模块化编程初识


      好的开始是成功的一半
  通过上一章的学习，我想你已经掌握了如何在程序中释放CPU了。希望能够继续坚持下去。一个良好的开始是成功的一半。我们今天所做的一切都是为了在单片机编程上做的更好。
在谈论今天的主题之前，先说下我以前的一些经历。在刚开始接触到C语言程序的时候，由于学习内容所限，写的程序都不是很大，一般也就几百行而矣。所以所有的程序都完成在一个源文件里面。记得那时候大一参加学校里的一个电子设计大赛，调试了一个多星期，所有程序加起来大概将近1000行，长长的一个文件，从上浏览下来都要好半天。出了错误简单的语法错误还好定位，其它一些错误，往往找半天才找的到。那个时候开始知道了模块化编程这个东西，也尝试着开始把程序分模块编写。最开始是把相同功能的一些函数(譬如1602液晶的驱动)全部写在一个头文件(.h)文件里面，然后需要调用的地方包含进去，但是很快发现这种方法有其局限性，很容易犯重复包含的错误。
而且调用起来也很不方便。很快暑假的电子设计大赛来临了，学校对我们的单片机软件编程进行了一些培训。由于学校历年来参加国赛和省赛，因此积累了一定数量的驱动模块，那些日子，老师每天都会布置一定量的任务，让我们用这些模块组合起来，完成一定功能。而正是那些日子模块化编程的培训，使我对于模块化编程有了更进一步的认识。并且程序规范也开始慢慢注意起来。此后的日子，无论程序的大小，均采用模块化编程的方式去编写。很长一段时间以来，一直有单片机爱好者在QQ上和我一起交流。有时候，他们会发过来一些有问题的程序源文件，让我帮忙修改一下。同样是长长的一个文件，而且命名极不规范，从头看下来，着实是痛苦，说实话，还真不如我重新给他们写一个更快一些，此话到不假，因为手头积累了一定量的模块，在完成一个新的系统时候，只需要根据上层功能需求，在底层模块的支持下，可以很快方便的完成。而不需要从头到尾再一砖一瓦的重新编写。藉此，也可以看出模块化编程的一个好处，就是可重复利用率高。下面让我们揭开模块化神秘面纱，一窥其真面目。
    C语言源文件 *.c
        提到C语言源文件，大家都不会陌生。因为我们平常写的程序代码几乎都在这个XX.C文件里面。编译器也是以此文件来进行编译并生成相应的目标文件。作为模块化编程的组成基础，我们所要实现的所有功能的源代码均在这个文件里。理想的模块化应该可以看成是一个黑盒子。即我们只关心模块提供的功能，而不管模块内部的实现细节。好比我们买了一部手机，我们只需要会用手机提供的功能即可，不需要知晓它是如何把短信发出去的，如何响应我们按键的输入，这些过程对我们用户而言，就是是一个黑盒子。
在大规模程序开发中，一个程序由很多个模块组成，很可能，这些模块的编写任务被分配到不同的人。而你在编写这个模块的时候很可能就需要利用到别人写好的模块的借口，这个时候我们关心的是，它的模块实现了什么样的接口，我该如何去调用，至于模块内部是如何组织的，对于我而言，无需过多关注。而追求接口的单一性，把不需要的细节尽可能对外部屏蔽起来，正是我们所需要注意的地方。
    C语言头文件 *.h
        谈及到模块化编程，必然会涉及到多文件编译，也就是工程编译。在这样的一个系统中，往往会有多个C文件，而且每个C文件的作用不尽相同。在我们的C文件中，由于需要对外提供接口，因此必须有一些函数或者是变量提供给外部其它文件进行调用。
假设我们有一个LCD.C文件，其提供最基本的LCD的驱动函数
    LcdPutChar(char cNewValue) ;  //在当前位置输出一个字符
而在我们的另外一个文件中需要调用此函数，那么我们该如何做呢？
    头文件的作用正是在此。可以称其为一份接口描述文件。其文件内部不应该包含任何实质性的函数代码。我们可以把这个头文件理解成为一份说明书，说明的内容就是我们的模块对外提供的接口函数或者是接口变量。同时该文件也包含了一些很重要的宏定义以及一些结构体的信息，离开了这些信息，很可能就无法正常使用接口函数或者是接口变量。但是总的原则是：不该让外界知道的信息就不应该出现在头文件里，而外界调用模块内接口函数或者是接口变量所必须的信息就一定要出现在头文件里，否则，外界就无法正确的调用我们提供的接口功能。因而为了让外部函数或者文件调用我们提供的接口功能，就必须包含我们提供的这个接口描述文件----即头文件。同时，我们自身模块也需要包含这份模块头文件(因为其包含了模块源文件中所需要的宏定义或者是结构体)，好比我们平常所用的文件都是一式三份一样，模块本身也需要包含这个头文件。
下面我们来定义这个头文件，一般来说，头文件的名字应该与源文件的名字保持一致，这样我们便可以清晰的知道哪个头文件是哪个源文件的描述。
        于是便得到了LCD.C的头文件LCD.h 其内容如下。
        #ifndef    _LCD_H_
                #define     _LCD_H_
                extern   LcdPutChar(char cNewValue) ;
                #endif

    这与我们在源文件中定义函数时有点类似。不同的是，在其前面添加了extern 修饰符表明其是一个外部函数，可以被外部其它模块进行调用。
        #ifndef     _LCD_H_
              #define     _LCD_H_
              #endif

              这个几条条件编译和宏定义是为了防止重复包含。假如有两个不同源文件需要调用LcdPutChar(char cNewValue)这个函数，他们分别都通过#include “Lcd.h”把这个头文件包含了进去。在第一个源文件进行编译时候，由于没有定义过 _LCD_H_ 因此 #ifndef _LCD_H_ 条件成立，于是定义_LCD_H_ 并将下面的声明包含进去。在第二个文件编译时候，由于第一个文件包含时候，已经将_LCD_H_定义过了。因此#ifndef _LCD_H_ 不成立，整个头文件内容就没有被包含。假设没有这样的条件编译语句，那么两个文件都包含了extern  LcdPutChar(char cNewValue) ; 就会引起重复包含的错误。
    不得不说的typedef  
          很多朋友似乎了习惯程序中利用如下语句来对数据类型进行定义
    #define uint  unsigned int  
        #define uchar  unsigned char
    然后在定义变量的时候 直接这样使用
  uint  g_nTimeCounter = 0 ;
    不可否认，这样确实很方便，而且对于移植起来也有一定的方便性。但是考虑下面这种情况你还会 这么认为吗？
  #define PINT unsigned int *  //定义unsigned int 指针类型
  PINT  g_npTimeCounter, g_npTimeState ;
      那么你到底是定义了两个unsigned int 型的指针变量，还是一个指针变量，一个整形变量呢？而你的初衷又是什么呢，想定义两个unsigned int 型的指针变量吗？如果是这样，那么估计过不久就会到处抓狂找错误了。
    庆幸的是C语言已经为我们考虑到了这一点。typedef 正是为此而生。为了给变量起一个别名我们可以用如下的语句
    typedef  unsigned  int    uint16 ;    //给指向无符号整形变量起一个别名 uint16
      typedef  unsigned  int  * puint16 ;  //给指向无符号整形变量指针起一个别名 puint16
    在我们定义变量时候便可以这样定义了：

  uint16    g_nTimeCounter  =  0 ;  //定义一个无符号的整形变量
  puint16  g_npTimeCounter  ;    //定义一个无符号的整形变量的指针
  在我们使用51单片机的C语言编程的时候，整形变量的范围是16位，而在基于32的微处理下的整形变量是32位。倘若我们在8位单片机下编写的一些代码想要移植到32位的处理器上，那么很可能我们就需要在源文件中到处修改变量的类型定义。这是一件庞大的工作，为了考虑程序的可移植性，在一开始，我们就应该养成良好的习惯，用变量的别名进行定义。
如在8位单片机的平台下，有如下一个变量定义
    uint16    g_nTimeCounter  =  0 ;
        如果移植32单片机的平台下，想要其的范围依旧为16位。
    可以直接修改uint16 的定义，即
    typedef  unsigned  short  int    uint16 ;  
        这样就可以了，而不需要到源文件处处寻找并修改。

将常用的数据类型全部采用此种方法定义，形成一个头文件，便于我们以后编程直接调用。
文件名 MacroAndConst.h
其内容如下：
#ifndef   _MACRO_AND_CONST_H_
#define   _MACRO_AND_CONST_H_

typedef    unsigned int    uint16;  
typedef    unsigned int   UINT;  
typedef    unsigned int   uint;  
typedef    unsigned int   UINT16;  
typedef    unsigned int   WORD;  
typedef    unsigned int   word;
typedef      int        int16;  
typedef      int        INT16;  
typedef    unsigned long  uint32;  

typedef    unsigned long     UINT32;  
typedef    unsigned long    DWORD;  
typedef    unsigned long    dword;  
typedef    long            int32;  
typedef    long            INT32;  
typedef    signed  char     int8;
typedef    signed  char     INT8;  
typedef    unsigned char      byte;  
typedef    unsigned char     BYTE;  
typedef    unsigned char     uchar;
typedef    unsigned char     UINT8;  
typedef    unsigned char    uint8;
typedef    unsigned char    BOOL;  

#endif

至此，似乎我们对于源文件和头文件的分工以及模块化编程有那么一点概念了。那么让我们趁热打铁，将上一章的我们编写的LED闪烁函数进行模块划分并重新组织进行编译。

在上一章中我们主要完成的功能是P0口所驱动的LED以1Hz的频率闪烁。其中用到了定时器，以及LED驱动模块。因而我们可以简单的将整个工程分成三个模块，定时器模块，LED模块，以及主函数
对应的文件关系如下

main.c   
Timer.c  --Timer.h
Led.c      --Led.h
在开始重新编写我们的程序之前，先给大家讲一下如何在KEIL中建立工程模板吧，这个模板是我一直沿用至今。希望能够给大家一点启发。
下面的内容就主要以图片为主了。同时辅以少量文字说明。
我们以芯片AT89S52为例。