本帖最后由 piaolin 于 2015-10-30 14:02 編輯
通常認為，C語言之所以強大，以及其自由性，很大部分體現在其靈活的指針運用上，甚至認為指針是C語言的靈魂。這里說通常，是廣義上的，因為隨著編程語言的發展，指針也飽受爭議，并不是所有人都承認指針的“強大”和“優點”。在單片機領域，指針同樣有著應用，本章節針對Keil C-51環境下的指針意義做簡要分析。
1 指針與變量
指針是一個變量，它與其他變量一樣，都是RAM中的一個區域，且都可以被賦值，如程序①所示。
#include "REG52.H"
unsigned int j;
unsigned char *p;
void main()
{
while(1)
{
j=0xabcd;
p=0xaa;
}
}
在Debug Session模式下，將鼠標指針移到到變量“j”“p”位置，可以顯示變量的物理地址，如圖1-1、1-2所示。
圖中箭頭所指處即為變量在RAM中的“首地址”，為什么是“首地址”呢？變量根據類型可分為8位（單字節）、16位（雙字節），程序中變量“j”是無符號整型，所占物理空間應為2字節，而在8位單片機中，RAM的一個存儲單元大小是8位，即1字節，因此需2個存儲單元才滿足變量“j”長度。所以實際上變量“j”的物理地址為“08H”“09H”。同理，“p（D:0x0A）”即變量“p”的首地址為“0AH”。
下面通過單步執行程序來觀察RAM內的數據變化，打開兩個Memory Windows窗口，在Keil軟件下方顯示為Memory1和Memory2，在兩個窗口中，分別做如圖2-1、2-2所示的設置。
兩個Address填寫的內容分別是：D:0x08、D:0x0A，即變量“j”和變量“p”的首地址，輸入后回車，便可監視RAM中該地址下的數據。設置好后，準備調試。
在Debug Session模式中，箭頭所指處即為即將執行的語句，單擊“Step”功能按鈕（或按F11鍵），讓程序運行，如圖3所示。
第一次單擊“Step”按鈕后，Memory1窗口內數據如圖4所示。
由調試結果可知，08H數據由00H變為ABH，09H數據由00H變為CDH，出現這種變化是因為執行了語句j=0xabcd;08H為變量“j”高八位，存儲“AB”，09H為變量“j”低八位，存儲“CD”。
第二次單擊“Step”按鈕，執行語句：p=0xaa;此時需觀察Memory2窗口內數據，如圖5所示。
由調試結果可知，0CH處值由00變為“AAH”，程序相吻合。這里需要注意，在Keil C-51編譯環境下，指針變量，不管長度是單字節或是雙字節，指針變量所占字節數為3字節。故此處“AAH”不是存儲在0AH而存儲在0CH（0A+2）地址中。
綜上所述，指針實際上是變量，都是映射到RAM中的一段存儲空間，區別是，指針占用3字節，而其他變量可根據需要設定其所占RAM是1字節（char）、2字節（int）、4字節（long）。
2 指針作用
指針的作用是什么呢？先來看下面的程序：
程序②
#include "REG52.H"
unsigned chartab1[8]={0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08};
unsigned char codetab2[8]={0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70,0x80};
unsigned char N1,N2;
void main()
{
N1=tab1[0];
N2=tab2[0];
}
顯然，程序執行的結果是N1=0x01，N2=0x10。這里都是講數組內的數據賦值給變量，但存在區別，tab1數組使用的是單片機RAM空間，而tab2數組使用的是單片機程序存儲區（ROM）空間。盡管使用C語言為變量賦值時語句相同，但編譯結果并不相同，此程序編譯后的結果如圖6所示。
由編譯結果可知，N1=tab1[0]語句實際上是直接尋址，而N2=tab2[0]是寄存器變址尋址。不管是何種尋址方式，都是將一個物理地址內的數據取出來使用：tab1數組中，tab[0]對應的RAM地址是0x0A，tab[1]對應的RAM地址是0x0B……以此類推；tab2數組中，tab[0]對應的ROM地址是0x00A5，tab[1]對應的ROM地址是0x00A6……以此類推。不管這些數組或變量所在的RAM或ROM地址如何，用戶最終需要的是數組或變量的數據，而指針，就是通過變量或數組的物理地址訪問數據，也就是說，通過指針，同樣可以訪問數組或變量數據。現將程序②做出調整，得到程序③如下：
#include "REG52.H"
unsigned chartab1[8]={0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08};
unsigned char code tab2[8]={0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70,0x80};
unsigned char N1,N2;
unsigned char *p;
void main()
{
unsignedchar i;
p=tab1;
for(i=0;i<8;i++,p++)
N1=*p;
p=tab2;
for(i=0;i<8;i++,p++)
N2=*p;
}
程序執行結果：tab1數組內的8個數值依次被賦值給N1；tab2數組內的8個數值依次被賦值給N2；
程序③執行Debug Session功能后，打Watch Windows窗口，在Watch1窗口下添加需要監視的變量，此處為“p”和“N1”，如圖7所示。
Value為當前變量數值，程序為運行前，p值為0x00，單擊Step按鍵功能后，執行p=tab1;p值變為0x0A，如圖8所示。
0x0A是什么值呢？將鼠標移至tab1數組位置，可顯示出數組所在的物理地址，0x0A就是數組tab1的首地址，如圖9所示。
p=tab1就是將tab1數組的首地址賦值給變量p，執行p++即地址值加1；*p則是此物理地址內的具體數據，因此for循環中，N1=*p是依次將tab1數組中的數據賦值給變量N1。由此可見，指針是作為一個變量，指向某一個地址。
那么指針到底是如何將某個地址內的數據“拿”出來的？下面通過N1=*p語句做演示說明，N1=*p編譯后的匯編代碼如圖10所示。
C：0x00A0至C：0x00A9的匯編代碼即是C程序中的N1=*p。程序先將變量p的值賦值給R3、R2、R1三個通用寄存器，程序為：
MOV R3,p(0x12)
MOV R2,0x13
MOV R1,0x14
然后調用了一個子函數：LCALL C?CLDPTR(C:00E4)，而C程序中，未定義或使用任何子函數，那么這個子函數是哪里來的？作用是什么？根據標號C:00E4可找到該子函數，程序代碼如下：
C:0x00E4 BB0106 CJNE R3,#0x01,C:00ED
C:0x00E7 8982 MOV DPL(0x82),R1
C:0x00E9 8A83 MOV DPH(0x83),R2
C:0x00EB E0 MOVX A,@DPTR
C:0x00EC 22 RET
C:0x00ED 5002 JNC C:00F1
C:0x00EF E7 MOV A,@R1
C:0x00F0 22 RET
C:0x00F1 BBFE02 CJNE R3,#0xFE,C:00F6
C:0x00F4 E3 MOVX A,@R1
C:0x00F5 22 RET
C:0x00F6 8982 MOV DPL(0x82),R1
C:0x00F8 8A83 MOV DPH(0x83),R2
C:0x00FA E4 CLR A
C:0x00FB 93 MOVC A,@A+DPTR
C:0x00FC 22 RET
此程序功能是：先用R3寄存器的值與0x01比較，當R3的值大于0x01時，再和0xFE做比較，比較的結果有如下情況：
（1）R3的值等于0x01時，執行如下程序：
C:0x00E7 8982 MOV DPL(0x82),R1
C:0x00E9 8A83 MOV DPH(0x83),R2
C:0x00EB E0 MOVX A,@DPTR
C:0x00EC 22 RET
程序功能：讀取擴展RAM內的數據并賦值給A，尋址范圍0～65535。當數組用xdata定義時，會跳轉到此處。
（2）R3的值小于0x01即等于0x00時，執行如下程序：
C:0x00EF E7 MOV A,@R1
C:0x00F0 22 RET
程序功能：讀取單片機內部256字節RAM內的數據并賦值給A，尋址范圍0～255。當數組用data或idata定義時，會跳轉到此處。如執行N1=*p語句時，即跳轉到自處，讀取內部RAM地址內的數據。
（3）R3的值不等于0x00或0x01時，通過JNC指令跳轉到C:0x00F1處，開始與0xFE做比較。R3的值等于0xFE時，執行如下程序：
C:0x00F4 E3 MOVX A,@R1
C:0x00F5 22 RET
程序功能：讀取單片機片外RAM內的數據并賦值給A，尋址范圍0～255。當數組用pdata定義時，會跳轉到此處。通常8051單片機不使用pdata定義變量或數組。
（4）R3的值不等于0xFE時，即R3的值等于0xFF時，跳轉到C:0x00F6處執行如下程序：
C:0x00F6 8982 MOV DPL(0x82),R1
C:0x00F8 8A83 MOV DPH(0x83),R2
C:0x00FA E4 CLR A
C:0x00FB 93 MOVC A,@A+DPTR
C:0x00FC 22 RET
程序功能：讀取單片機內部ROM內的數據并賦值給A，尋址范圍0～65535。當數組用code定義時，如程序③中，tab2數組用code定義，執行p=tab2后，R3的值被賦值為0xFF，再執行N2=*p語句時，即跳轉到自處，讀取內部ROM地址內的數據。
由此可見，子函數“C?CLDPTR”的作用是，根據數據所在存儲空間，用不同的尋址方式讀取某地址下的數據。R3用于確定尋址方式，R3的值與對應的尋址方式對應關系為：
1、R3值等于0x00時，片內RAM間接尋址；此時數據用dataidata定義。
2、R3值等于0x01時，片外RAM（擴展RAM）間接尋址；此時數據用xdata定義。
3、R3值等于0xFE時，片外RAM（擴展RAM）低246字節間接尋址；此時數據用pdata定義
4、R3值等于0xFF時，從存儲存儲器（ROM）進行變址尋址；此時數據用code定義。
3、指針結構
R3、R2、R1的值是RAM中0x12、0x13、0x14地址內的值，即變量p映射的RAM地址。而而8位單片機中，不管是何種尋址方式，最大尋址范圍是2字節長度（0～65535），為什么指針*p卻占用了3字節RAM空間呢？下面通過程序④說明。
程序④：
#include "REG52.H"
unsigned char tab1[8];
unsigned char idata tab2[8];
unsigned char xdata tab3[8];
unsigned char pdata tab4[8];
unsigned char codetab5[8]={0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70,0x80};
unsigned char *p;
void main()
{
p=tab1;
p=tab2;
p=tab3;
p=tab4;
p=tab5;
}
在Debug Session模式下可知，程序中數組與變量所映射的物理地址為及物理存儲區分別為：
tab1 : 0x08～0x0F 單片機內部RAM
tab2： 0x03～0x1A 單片機內部RAM（idata）
tab3： 0x08～0x0F 單片機擴展RAM（xdata）
tab4： 0x00～0x08 單片機擴展RAM低256字節（pdata）
tab5： 0x0003D～0x0044 單片機程序存儲區（code）
p： 0x10～0x12 單片機內部RAM
注：擴展RAM可以在物理上可以分為片內或片外，如STC15系列增強型單片機的擴展RAM與單片機是封裝在一起的，即片內擴展RAM；傳統8051單片機沒有片內擴展RAM，需連接外部RAM芯片，此為片外擴展RAM。
在Memory Windows窗口下，監視變量p映射的RAM地址：0x10～0x12的數值變化，如圖11所示。
通過“Step”功能按鈕執行住函數中的5調語句，可觀察到0x10～0x12寄存器的數據變化：
執行p=tab1后，0x10、0x11、0x12：0x00、0x00、0x08
執行p=tab2后，0x10、0x11、0x12：0x00、0x00、0x13
執行p=tab3后，0x10、0x11、0x12：0x01、0x00、0x08
執行p=tab4后，0x10、0x11、0x12：0xFE、0x00、0x00
執行p=tab5后，0x10、0x11、0x12：0xFF、0x00、0x3D
由此可知，0x10的賦值取決于p指向的物理存儲區，0x11、0x12的值是數據存儲區的地址。指針所映射的首地址，會根據指向的物理存儲區被編譯器賦不同的值：0x00，0x01，0xFE，0xFF。這與程序③得到的結論一致，程序③中，寄存器R3、R2、R1對應值實際上就是指針所映射的3字寄存器數值。
結合程序③編譯分析，當需要引用某物理地址內數據時，會調用“C?CLDPTR”函數，函數功能就是根據這些賦值確定使用何種尋址方式引用數據。而這一過程包括“C?CLDPTR”函數都是編譯器自動完成的。
在匯編語言中，R1寄存器可以用于間接尋址，如：MOV A，@R1。不能寫為MOV A，@12H。因此在程序③中，將變量p對應的3字節數據賦值給R3、R2、R1。
綜上所述，Keil C-51編譯環境下，指針是一個占3字節的特殊變量，編譯器編譯程序時，自動生成判斷尋址方式的子函數，并根據根據目標數據所在的物理存儲區不同，為指針首字節賦值，根據賦值的不同，進行不同方式的尋址；指針的后2字節，用于存放引用的地址。
調試訓練：
下面的程序編譯器會怎樣編譯？與程序③有何不同？請根據程序③和程序④的分析方式分析程序⑤的執行結果。
程序⑤
#include "REG52.H"
unsigned char tab1[8];
unsigned char codetab2[8]={0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff};
unsigned char *p;
void main()
{
unsignedchar i;
p=tab1;
for(i=0;i<8;i++,p++)
*p=i;
p=tab2;
for(i=0;i<8;i++,p++)
*p=i;
}
思考：下列語句中：
p=tab2; for(i=0;i<8;i++,p++) *p=i; 執行完for循環后，tab2數組內的值會改變嗎？為什么？ 4、指針意義 在匯編編程中，由于單片機數據存放的物理存儲區不同，導致有不同的尋址方式，用戶進行必須根據這一規律設計程序。而在C語言中，不管目標數據所在的物理存儲區如何，指針都可指向該地址，并自動編譯尋址方式。 但指針并不是萬能的，如程序⑤中： p=tab2; for(i=0;i<8;i++,p++) *p=i; 這些語句編譯時并不會報錯，但卻不能實現功能，因為tab2數組是定義在程序存儲器（ROM）的常量數組，ROM內的數據更改是不能通過這種方式實現的。因此，當用戶不明確單片機的物理存儲區特性時，使用指針會容易出錯。先將程序⑤中的主函數語句做如下修改，得到程序⑥： #include"REG52.H" unsignedchar tab1[8]; unsignedchar code tab2[8]={0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff}; unsignedchar *p; voidmain() { unsigned char i; for(i=0;i<8;i++,p++) tab1[ i]=i; for(i=0;i<8;i++,p++) tab2[ i]=i; } 單獨看第一個for循環，可實現與程序⑤一樣的效果，即tab1數組內被賦值為：0，1，2，3，4，5，6，7。 第二個for循環從語句上可認為是與程序⑤功能相同，但實際上，不管是程序⑤還是程序⑥，都不能實現對tab2數組的賦值。但在程序⑥中，編譯器會提示錯誤，如圖12所示。 因此，指針的使用不當，不僅會帶來程序運行結果的不正確，同時也難以發現這些錯誤。 對比程序⑤和程序⑥中的兩段程序：
p=tab1; for(i=0;i<8;i++,p++) for(i=0;i<8;i++,p++) tab1[ i]=i; *p=i;
它們執行的結果是一樣的，那么哪種更好呢？對于初學者來說，顯然是后者，因為后者更易于理解程序含義，而前者必須要理解指針在此處的作用；那么對于有經驗的程序員呢？也是后者，因為程序執行效率上，后者也要大于前者，因為程序⑤在編譯過程中，編譯器始終會生成一個子函數用于確定尋址方式，再賦值；程序⑥則是直接確定了尋址方式執并行進行賦值。盡管執行效率的降低在接受范圍內，但對于一個簡單、明了的功能來說，用簡單的方式實現要比復雜方式合理。
設計者在程序中使用指針的目的往往是讓程序具有可移植性，但8051單片機的功能是有限的，它實現的功能相對固化，如時間顯示、數據采集等等，這些功能確定后，幾乎不會做出更改，基于此特點，8051單片機的代碼代碼量都不長。因此即便是不同構架的單片機程序互相移植，代碼的修改并不復雜，移植過程中，也幾乎都是針對不同構架單片機的I/O工作方式不同、指令周期不同做常規修改；或是關鍵字的修改。因此合理的設計單片機程序，盡可能的提高程序的效率、穩定性、可閱讀性才是程序設計的核心主旨。指針在8051單片機中固然可以使用，但并不能說明指針的使用就一定是高效、準確、易于他人理解。
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