MCS-51系列單片機結(jié)構(gòu)化程序設計探討

1 MCS-51系列單片機結(jié)構(gòu)化程序設計概述

結(jié)構(gòu)化程序指程序組成結(jié)構(gòu)化、功能模塊化、運行流程化。結(jié)構(gòu)化程序要求將處理特定任務的代碼和數(shù)據(jù)與程序其余部分隔離，在MCS-51系列單片機結(jié)構(gòu)化程序中，實現(xiàn)隔離的方法是將處理特定任務的指令和數(shù)據(jù)設計成子程序或中斷服務子程序。這些子程序或中斷服務子程序稱作功能模塊，其具有確定功能，處理特定任務，解決專門問題。

在MCS-51系列單片機結(jié)構(gòu)化程序設計時，按照總體規(guī)劃和總體設計，由若干軟件設計人員分別編程設計各功能模塊，再依據(jù)軟件結(jié)構(gòu)和程序流程，由若干功能模塊組成結(jié)構(gòu)化程序，實現(xiàn)應用程序整體功能，解決復雜的實際問題。

MCS-51系列單片機結(jié)構(gòu)化程序具有結(jié)構(gòu)清晰、邏輯性強、易于維護、便于共享、運行穩(wěn)定、可靠性高等特點。按照結(jié)構(gòu)化程序設計要求編程，有助于規(guī)范軟件設計人員的編程工作，有助于提高軟件設計人員的編程效率，有助于提升軟件設計人員的編程水平。

2 三種基本結(jié)構(gòu)及程序?qū)崿F(xiàn)方法

MCS-51系列單片機結(jié)構(gòu)化程序由若干功能模塊構(gòu)成，功能模塊由三種基本結(jié)構(gòu)組成，即順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)。由這三種基本結(jié)構(gòu)組成的功能模塊，能實現(xiàn)各種程序算法，解決復雜實際問題。

2.1 順序結(jié)構(gòu)

在順序結(jié)構(gòu)程序中，按先后順序，CPU逐條執(zhí)行指令或逐段執(zhí)行程序段。順序結(jié)構(gòu)分為逐條順序結(jié)構(gòu)和逐段順序結(jié)構(gòu)兩種。逐條順序結(jié)構(gòu)如圖1所示，逐段順序結(jié)構(gòu)如圖2所示。


2.2 選擇結(jié)構(gòu)

在選擇結(jié)構(gòu)程序中，CPU執(zhí)行條件判斷指令(或間接轉(zhuǎn)移指令)，依據(jù)條件(或轉(zhuǎn)移目的地址)執(zhí)行對應分支程序段。選擇結(jié)構(gòu)分為二分支選擇結(jié)構(gòu)和多分支選擇結(jié)構(gòu)。

2.2.1 二分支選擇結(jié)構(gòu)

在二分支選擇結(jié)構(gòu)程序中，CPU執(zhí)行條件判斷指令，判斷轉(zhuǎn)移條件。當條件滿足時，CPU執(zhí)行程序段1；當條件不滿足時，CPU執(zhí)行程序段2，實現(xiàn)了二分支選擇功能。條件轉(zhuǎn)移類指令、比較不相等轉(zhuǎn)移類指令均可作為條件判斷指令。二分支選擇結(jié)構(gòu)如圖3所示。程序?qū)崿F(xiàn)方法參見范例1。

范例1：
CJNE A，# DATA,PGM2
PGM1：{程序段1}
LJMP EXIT
PGM2：{程序段2}
EXIT：┇

2.2.2 多分支選擇結(jié)構(gòu)

在多分支選擇結(jié)構(gòu)程序中，CPU執(zhí)行間接轉(zhuǎn)移指令，計算多分支轉(zhuǎn)移目標地址，依據(jù)多分支轉(zhuǎn)移目標地址，CPU執(zhí)行對應分支程序段，實現(xiàn)了多分支選擇功能。在多分支選擇結(jié)構(gòu)程序?qū)崿F(xiàn)方法范例2中，A中保存有多分支選擇條件值n，多分支選擇結(jié)構(gòu)如圖4所示。程序?qū)崿F(xiàn)方法參見范例2。

范例2：
PGM： MOV R1，A
RL A
ADD A，R1
MOV DPTR，# PGMTB
JMP @A+DPTR
PGMTB： LJMP PGM0
LJMP PGM1
┇
LJMP PGMn
┇
PGM0： {程序段0}
LJMP EXIT
PGM1： {程序段1}
LJMP EXIT
┇
PGMn： {程序段n}
LJMP EXIT
EXIT： ┇

2.3 循環(huán)結(jié)構(gòu)

在循環(huán)結(jié)構(gòu)程序中，CPU執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令，依據(jù)條件決定是否繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)體。循環(huán)結(jié)構(gòu)分為當型循環(huán)結(jié)構(gòu)和直到型循環(huán)結(jié)構(gòu)兩種，下面分別介紹。

2.3.1 當型循環(huán)結(jié)構(gòu)

在當型循環(huán)結(jié)構(gòu)程序中，CPU首先執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令，判斷循環(huán)條件。當條件滿足時，CPU繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)體程序；當條件不滿足時，CPU退出循環(huán)結(jié)構(gòu)程序，接著執(zhí)行后續(xù)程序。當型循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖5所示，程序?qū)崿F(xiàn)方法參見范例3、范例4。

范例3：
LOP1： JB BIT，LOP2
LJMP EXIT
LOP2： {循環(huán)體}
LJMP LOP1
EXIT： ┇
范例4：
LOP1： JNB BIT，EXIT
{循環(huán)體}
LJMP LOP1
EXIT： ┇

2.3.2 直到型循環(huán)結(jié)構(gòu)

在直到型循環(huán)結(jié)構(gòu)程序中，CPU首先執(zhí)行循環(huán)體程序，再執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令，判斷循環(huán)條件。當條件滿足時，CPU繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)體程序；當條件不滿足時，CPU退出循環(huán)結(jié)構(gòu)程序，接著執(zhí)行后續(xù)程序。直到型循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖6所示，程序?qū)崿F(xiàn)方法參見范例5、范例6。

范例5：
MOV R2，#COUNT
LOP1： {循環(huán)體}
DJNZ R2，LOP1
┇
范例6：
LOP1：{循環(huán)體}
JB BIT，LOP1
┇
說明：條件轉(zhuǎn)移類指令、比較不相等轉(zhuǎn)移類指令、減1不為0轉(zhuǎn)移指令均可作為條件判斷指令，由CPU決定是否繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)體，從而實現(xiàn)了循環(huán)執(zhí)行程序段功能。

3 MCS-51系列單片機結(jié)構(gòu)化程序設計步驟

MCS-51系列單片機結(jié)構(gòu)化程序設計步驟如圖7所示，現(xiàn)對各部分具體設計要求分別敘述。


(1)需求分析

通過現(xiàn)場調(diào)研及與用戶交流，全面、深入、準確地分析MCS-51系列單片機結(jié)構(gòu)化程序設計所要解決的實際問題，搞清實際問題所涉及的應用環(huán)境、應用對象、應用過程、應用要求、應用聯(lián)系，從整體上得出結(jié)構(gòu)化程序設計所要達到的目標及系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能、完成的具體任務、產(chǎn)品的形式，最后形成需求分析報告。

(2)總體規(guī)劃

在需求分析的基礎之上，制訂出MCS-51系列單片機結(jié)構(gòu)化程序設計的總體規(guī)劃?？傮w規(guī)劃中應確定MCS-51系列單片機結(jié)構(gòu)化程序設計的設計原則、設計目標、設計任務、設計方式、設計進度和設計協(xié)作。

(3)總體設計

基于需求分析，按照總體規(guī)劃進行總體設計，確定出MCS-51系列單片機結(jié)構(gòu)化程序設計的具體技術(shù)方案?？傮w設計包括系統(tǒng)性能設計、功能設計、工作原理設計、軟件結(jié)構(gòu)設計、程序流程設計和通信協(xié)議設計。

(4)模型建立

總體設計確定了軟件結(jié)構(gòu)的所有功能模塊，某些功能模塊涉及處理復雜實際問題，應根據(jù)相關(guān)理論和專業(yè)知識，對復雜實際問題建立數(shù)學模型，為后續(xù)算法設計提供依據(jù)。

(5)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

依據(jù)功能模塊所要完成的指定功能、所要執(zhí)行的具體任務、所要處理的具體問題，針對為特定功能模塊所建立的數(shù)學模型，應確定出功能模塊的輸入數(shù)據(jù)、暫存數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)關(guān)系。對于MCS-51系列單片機結(jié)構(gòu)化程序設計，應統(tǒng)籌規(guī)劃內(nèi)部RAM、確定數(shù)據(jù)類型、定義程序變量、分配數(shù)據(jù)存儲單元，為后續(xù)算法設計打好基礎。

(6)算法設計

結(jié)構(gòu)化程序設計包括結(jié)構(gòu)化算法設計。在建立了特定功能模塊的數(shù)學模型、規(guī)劃了特定功能模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之后，應對數(shù)學模型進行結(jié)構(gòu)化算法設計，結(jié)構(gòu)化算法設計的原則如下：
①自頂向下、逐步求精?；谛枨蠓治鲋朴喅隹傮w規(guī)劃，依據(jù)總體規(guī)劃完成總體設計，按照總體設計自頂向下對總?cè)蝿罩饘臃纸饧毣?，直到每個子任務僅處理一個特定問題。
②模塊化設計。由自頂向下、逐步求精得出的子任務處理程序稱為功能模塊，處理復雜實際問題的應用程序由多層若干功能模塊組成。
③功能模塊特性。功能模塊僅處理一個特定子任務；功能模塊由順序、選擇和循環(huán)三種基本結(jié)構(gòu)組成；功能模塊可獨立編程、獨立編譯、獨立調(diào)試；功能模塊可被上層功能模塊調(diào)用。

(7)程序編輯

按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃，對軟件結(jié)構(gòu)中各層功能模塊應分別進行編程。對于建有數(shù)學模型、設有算法的功能模塊，應依據(jù)算法設計進行編程。

(8)程序編譯

利用集成開發(fā)調(diào)試工具軟件，對各層功能模塊源程序分別編譯，檢查程序語法。若發(fā)現(xiàn)語法錯誤，應修改源程序重新編譯，直到所有功能模塊源程序編譯通過為止。

基于總體設計，參照軟件結(jié)構(gòu)圖及程序流程圖，將各層功能模塊集成到一起，形成一個完整應用程序，并進行統(tǒng)一編譯。若發(fā)現(xiàn)語法錯誤，應修改應用程序重新編譯，直到應用程序編譯通過為止。

(9)程序調(diào)試

利用集成開發(fā)調(diào)試工具軟件，首先對各層功能模塊分別進行調(diào)試，檢查各功能模塊的功能是否正確。若發(fā)現(xiàn)功能邏輯錯誤，應修改程序錯誤后重新調(diào)試，直到所有功能模塊調(diào)試通過為止。然后對應用程序進行統(tǒng)調(diào)，檢查應用程序的總體功能是否正確。若發(fā)現(xiàn)功能邏輯錯誤，應跟蹤查找錯誤原因，確定引起錯誤的位置，修改程序錯誤后重新調(diào)試，直到應用程序調(diào)試通過為止。

(10)文檔整理

應用程序調(diào)試通過后，應對應用程序進行測試，測試通過后，應整理出應用程序的整套技術(shù)文檔。技術(shù)文檔包括需求分析報告、總體規(guī)劃報告、總體設計報告、源程序文件和使用說明。

本文探討了MCS-51系列單片機結(jié)構(gòu)化程序設計相關(guān)問題，對于其他系列單片機，軟件程序設計人員可參照本文進行對應結(jié)構(gòu)化程序設計。對于本文所述功能模塊，軟件設計人員應結(jié)合實際、準確理解、整體考慮、總體設計、按功能分層次設計好各層功能模塊。本程序的設計步驟及硬件設計部分，對MCS-51系列單片機應用系統(tǒng)設計同樣適用。