引言

8051內(nèi)核單片機(jī)是一種通用單片機(jī)，在國內(nèi)占有較大的市場份額。在將C語言用于51內(nèi)核單片機(jī)的研究方面，Keil公司做得最為成功。由于51內(nèi)核單片機(jī)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的特殊性，Keil C51中變量的使用與標(biāo)準(zhǔn)C有所不同。正確地使用變量，有利于獲得高效的目標(biāo)代碼。下面詳細(xì)介紹Keil C51中變量的使用方法。

1 CPU存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與變量的關(guān)系

變量都需要有存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)空間的不同使得變量使用時(shí)的工作效率也不同。

標(biāo)準(zhǔn)C的典型運(yùn)行環(huán)境是8086（含IA-32系列）內(nèi)核，其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是CPU內(nèi)部有寄存器，外部有存儲(chǔ)器，寄存器的訪問速度大大高于存儲(chǔ)器的訪問速度。在標(biāo)準(zhǔn)C中，不加特別定義的變量是放在存儲(chǔ)器中的，使用register可以強(qiáng)制變量存儲(chǔ)在寄存器中，對(duì)于使用特別頻繁且數(shù)量不多的變量可以選用這種存儲(chǔ)模式，以獲得更高的工作效率。

相比之下，51內(nèi)核單片機(jī)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)則顯得有些怪異，它的存儲(chǔ)空間有3個(gè)：程序存儲(chǔ)器空間（64 KB含片內(nèi)、片外）、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間（64KB）、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及特殊功能寄存器空間。它沒有真正意義上的寄存器，它的寄存器其實(shí)是片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如R0～R7）和特殊功能寄存器（如A、B等）中的一部分。因此，在Keil C51中使用變量就和標(biāo)準(zhǔn)C有很大不同。

2 Keil C51變量分析

Keil C51支持標(biāo)準(zhǔn)C原有的大多數(shù)變量類型，但為這些變量新增了多種存儲(chǔ)類型，也新增了一些標(biāo)準(zhǔn)C沒有的變量。

2．1 Keil C51新增的變量存儲(chǔ)類型

Keil C51中定義變量的格式如下：

［存儲(chǔ)種類］數(shù)據(jù)類型［存儲(chǔ)類型］變量名表；

其中，［存儲(chǔ)類型］是標(biāo)準(zhǔn)C中沒有的，［存儲(chǔ)類型］共有6種，分別介紹如下：

①data。將變量存儲(chǔ)在片內(nèi)可直接尋址的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。使用這種存儲(chǔ)模式，目標(biāo)代碼中對(duì)變量的訪問速度最快。

②bdata。將變量存儲(chǔ)在片內(nèi)可位尋址的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。在目標(biāo)代碼中變量可以方便地進(jìn)行位處理，在不進(jìn)行位處理時(shí)與data相同。

③idata。將變量存儲(chǔ)在片內(nèi)間接尋址的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。在52內(nèi)核中，當(dāng)片內(nèi)直接尋址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不夠用時(shí)，可以使用128字節(jié)間接尋址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，訪問速度一般較data要慢一些，但具有最大的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間；在51內(nèi)核中因無單獨(dú)的間接尋址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器區(qū)，idata與data無區(qū)別。

④xdata。將變量存儲(chǔ)在片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。目標(biāo)代碼中只能使用“MOVX A，@DPTR”和“MOVX@DPTR，A”指令訪問變量，訪問速度最慢，但存儲(chǔ)空間最大（64KB）。

⑤pdata。將變量存儲(chǔ)在片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的第一頁（00H～FFH）中。目標(biāo)代碼中可以使用“MOVX A，@Ri”和“MOVX@Ri，A”指令訪問變量，訪問速度與xdata相同，存儲(chǔ)空間為256字節(jié)。

⑥code。將變量存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器中。目標(biāo)代碼中只能使用MOVC指令訪問變量，因變量存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器中，具有非易失性且為只讀。

2．2 Keil C51新增的指針變量存儲(chǔ)類型

Keil C51中的指針變量形式如下：

數(shù)據(jù)類型［數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型］*［指針存儲(chǔ)類型］標(biāo)識(shí)符；

其中，［數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型］和［指針存儲(chǔ)類型］都是標(biāo)準(zhǔn)C中沒有的。［數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型］定義數(shù)據(jù)（即尋址對(duì)象）存儲(chǔ)的空間，［指針存儲(chǔ)類型］定義指針自身存儲(chǔ)的空間。若不使用［數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型］，則指針為一般指針，占用3個(gè)字節(jié)；若使用［數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型］則指針為基于存儲(chǔ)器的指針，占用1～2個(gè)字節(jié)。

2．3 Keil C51新增的變量類型

bit：位變量。存儲(chǔ)在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的可位尋址字節(jié)（20H～2FH）的某個(gè)位上，這個(gè)變量在實(shí)時(shí)控制中具有很高的實(shí)用價(jià)值。

sfr：特殊功能寄存器變量。存儲(chǔ)在片內(nèi)特殊功能寄存器中，用來對(duì)特殊功能寄存器進(jìn)行讀寫操作。

sbit：特殊功能寄存器位變量。存儲(chǔ)在片內(nèi)特殊功能寄存器的可位尋址字節(jié)（地址可以被8整除者）的某個(gè)位上，用來對(duì)特殊功能寄存器的可位尋址位進(jìn)行讀寫操作。

sbitl6：16位特殊功能寄存器變量。存儲(chǔ)在片內(nèi)特殊功能寄存器的連續(xù)2個(gè)字節(jié)的低地址上，這個(gè)變量類型很少使用。

以上這些Keil C51中新增的變量類型，不支持?jǐn)?shù)組和指針操作。

3 Keil C51中使用變量存儲(chǔ)模式的必要性

在Keil C51中，變量的存儲(chǔ)模式是一個(gè)可選項(xiàng)，如果不使用這個(gè)選項(xiàng)，則Keil C51在編譯時(shí)自動(dòng)進(jìn)行優(yōu)選分配。但這種處理方法有以下缺點(diǎn)：

①系統(tǒng)不知道各種變量的使用頻度，有可能對(duì)使用頻度高的變量使用了訪問速度慢的片外存儲(chǔ)方式，而對(duì)使用頻高的變量使用了片內(nèi)存儲(chǔ)方式，使得程序的運(yùn)行效率降低；

②在使用指針尋址時(shí)，由于不知道尋址對(duì)象的存儲(chǔ)方式，只好使用一般指針，在Keil C51中一般指針要多占用1～2個(gè)字節(jié)，并且使用時(shí)還要對(duì)存儲(chǔ)方式進(jìn)行判斷，增加了尋址操作時(shí)間。

如果能夠在定義變量的同時(shí)定義其存儲(chǔ)類型，可以高效地使用51內(nèi)核單片機(jī)的存儲(chǔ)空間，獲得高質(zhì)量的目標(biāo)代碼。

4 Keil C51變量的使用方法

4．1 全局變量和靜態(tài)局部變量

全局變量一般會(huì)在多個(gè)函數(shù)中被使用，并在整個(gè)程序運(yùn)行期間內(nèi)有效，靜態(tài)局部變量雖然只在一個(gè)函數(shù)中使用，但也是在整個(gè)程序運(yùn)行期間有效。對(duì)于這些變量，應(yīng)盡量選擇data型，這樣在目標(biāo)代碼中就可以用直接尋址指令訪問，獲得最高的訪問速度，提高程序的工作效率。例如一個(gè)保存人數(shù)的全局變量n_g，在多個(gè)函數(shù)中都被經(jīng)常用到，可以這樣定義：

unsigned int data n_g；／／對(duì)n_g賦值時(shí)使用“MOV XXH，……”指令

4．2 數(shù)組（包括全局和局部）

定義數(shù)組一般用idata存儲(chǔ)類型，在目標(biāo)代碼中使用“MOV@Ri”指令進(jìn)行間接尋址。如果因數(shù)組元素過多而在編譯時(shí)報(bào)錯(cuò)，可以改用pdata和xdata存儲(chǔ)類型。

數(shù)組定義為data存儲(chǔ)類型意義不大，因?yàn)榧热皇褂脭?shù)組，就是希望能夠根據(jù)某一自變量訪問數(shù)組元素。如定義X［100］，一般都是為了能夠使用X（i是一個(gè)變量）來訪問，這樣在目標(biāo)代碼中就必須使用問接尋址，所以數(shù)組沒有必要使用data存儲(chǔ)類型，即便使用了data存儲(chǔ)類型，在目標(biāo)代碼中也仍然要用間接尋址指令。數(shù)組定義成idata存儲(chǔ)類型，在使用52內(nèi)核且片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不夠時(shí)，會(huì)使用只能間接尋址的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。這樣，既不能降低處理速度，又?jǐn)U大了可使用的存儲(chǔ)空間。

4．3 供查表用的數(shù)據(jù)

這類數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是需要始終保持不變，且使用時(shí)只讀，因此應(yīng)定義為code型。例如一個(gè)字形表：

全局或局部code型變量在存儲(chǔ)時(shí)無區(qū)別。

4．4 非靜態(tài)局部變量

非靜態(tài)局部變量僅在某一函數(shù)內(nèi)使用，退出該函數(shù)時(shí)變量也被釋放。

若系統(tǒng)使用small存儲(chǔ)模式，對(duì)于這些變量可以不加存儲(chǔ)說明，由編譯軟件自行按最優(yōu)原則決定，因?yàn)閮H在函數(shù)內(nèi)使用的非靜態(tài)局部變量，有可能使用工作寄存器R0～R7，這樣會(huì)更快速和更節(jié)省存儲(chǔ)空間。例如：

unsigned char i，j； ／／系統(tǒng)盡可能會(huì)用R0～R7存儲(chǔ)i和j

若系統(tǒng)使用了compact或large存儲(chǔ)模式，則應(yīng)將這些變量定義為data存儲(chǔ)模式，以防系統(tǒng)自行決定時(shí)被定義為pdagta或xdata模式而降低工作效率。

4．5 指針

如前所述，定義指針變量時(shí)有2個(gè)存儲(chǔ)類型：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型，說明被尋址對(duì)象的存儲(chǔ)類型；指針存儲(chǔ)類型，說明指針自身的存儲(chǔ)類型。當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型為xdata時(shí)，指針自身占用2個(gè)字節(jié)；當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型為pdata以及idata等片內(nèi)存儲(chǔ)類型時(shí)，指針自身占用1個(gè)字節(jié)；若不說明數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型，指針自身就要占用3個(gè)字節(jié)。因此，在KeilC51中使用指針時(shí)，應(yīng)盡量定義數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型，但要特別注意指針中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型與被尋址對(duì)象的存儲(chǔ)類型必須一致。指針都是頻繁使用的，它要不斷被設(shè)置、修改和使用，因此它自身的存儲(chǔ)類型應(yīng)選擇data型。例如定義一個(gè)數(shù)組時(shí)就同時(shí)定義其存儲(chǔ)類型，以后用指針對(duì)其尋址時(shí)就將數(shù)組的存儲(chǔ)類型添加到指針的數(shù)據(jù)類型中。方法如下：

4．6 二義性變量

在標(biāo)準(zhǔn)C中如果要使用一個(gè)二義性變量，只能用枚舉類型。如：

以上程序在Keil C51中使用時(shí)，變量t雖然僅有0和1兩種狀態(tài)，但在目標(biāo)代碼中仍占用一個(gè)字節(jié)。此處理方法既浪費(fèi)存儲(chǔ)資源，又延長了處理時(shí)間，這對(duì)于8086內(nèi)核算不上多大問題，但在資源有限、運(yùn)行速度不高的51內(nèi)核中就不能不考慮了。在Keil C51中可使用以下方法：

這兩種方式效果是完全相同的，但在目標(biāo)代碼中變量t僅占用1位（即1／8字節(jié)），而且因?yàn)?1內(nèi)核單片機(jī)指令系統(tǒng)中有位處理指令，生成的目標(biāo)代碼占用內(nèi)存少、運(yùn)行速度快。

4．7 特殊功能寄存器變量（包括位變量）

特殊功能寄存器中，累加器A、寄存器B、堆棧指針SP和數(shù)據(jù)指針DPTR是歸系統(tǒng)使用的，在C51中不提供給用戶。其他的特殊功能寄存器都可以用sfr定義成變量，其中地址可以被8整除者的各位，還可以用bsfr定義成位變量。訪問這些變量，就可以對(duì)特殊功能寄存器及其可以位尋址的各位進(jìn)行讀寫，達(dá)到操作單片機(jī)內(nèi)部各硬件的目的。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的51內(nèi)核單片機(jī)，頭文件reg51．h、reg52．h或其他頭文件中已對(duì)這些特殊功能寄存器變量作了定義，用戶可以用#include將此頭文件包含進(jìn)來，然后就可以使用了。現(xiàn)在很多51內(nèi)核兼容型單片機(jī)擴(kuò)展了更多的特殊功能寄存器，這些就需要用戶自行定義，具體方法可參考器件的使用說明。

4．8 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器變量

若設(shè)置成pdata和xdata存儲(chǔ)類型，將把變量存儲(chǔ)在片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。這兩種存儲(chǔ)類型的訪問速度最慢，非迫不得已不要使用。在使用這兩種存儲(chǔ)類型時(shí)，注意盡量只用它保存原始數(shù)據(jù)或最終結(jié)果，盡量減少對(duì)其訪問的次數(shù)，需要頻繁訪問的中間結(jié)果不要用它。

4．9 用外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址擴(kuò)展的其他硬件

在單片機(jī)外部擴(kuò)展的其他硬件，一般都借用外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址，表現(xiàn)為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元形式。對(duì)于這些硬件，可以用指針進(jìn)行讀寫操作。例如：

結(jié)語

Keil C51中的變量增加了存儲(chǔ)類型，在使用時(shí)而顯得比標(biāo)準(zhǔn)C稍微復(fù)雜。在Keil C51中，變量的存儲(chǔ)類型不同，訪問變量所需要的時(shí)間也不同，由于C51內(nèi)核單片機(jī)資源少、速度慢，變量存儲(chǔ)類型對(duì)系統(tǒng)工作速度的影響不可忽視。在了解變量與單片機(jī)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上，根據(jù)程序?qū)ψ兞康氖褂靡螅侠淼剡x擇變量的存儲(chǔ)類型，可以在相同的硬件上獲得更高的工作效率。