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標(biāo)題: 單片機(jī)C語言指針意義淺析—Keil-C51 [打印本頁]
作者: piaolin    時(shí)間: 2015-10-30 14:00
標(biāo)題: 單片機(jī)C語言指針意義淺析—Keil-C51
本帖最后由 piaolin 于 2015-10-30 14:02 編輯

通常認(rèn)為，C語言之所以強(qiáng)大，以及其自由性，很大部分體現(xiàn)在其靈活的指針運(yùn)用上，甚至認(rèn)為指針是C語言的靈魂。這里說通常，是廣義上的，因?yàn)殡S著編程語言的發(fā)展，指針也飽受爭議，并不是所有人都承認(rèn)指針的“強(qiáng)大”和“優(yōu)點(diǎn)”。在單片機(jī)領(lǐng)域，指針同樣有著應(yīng)用，本章節(jié)針對Keil C-51環(huán)境下的指針意義做簡要分析。



1     指針與變量
指針是一個(gè)變量，它與其他變量一樣，都是RAM中的一個(gè)區(qū)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(biāo)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(jù)類型可分為8位（單字節(jié)）、16位（雙字節(jié)），程序中變量“j”是無符號整型，所占物理空間應(yīng)為2字節(jié)，而在8位單片機(jī)中，RAM的一個(gè)存儲(chǔ)單元大小是8位，即1字節(jié)，因此需2個(gè)存儲(chǔ)單元才滿足變量“j”長度。所以實(shí)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(zhí)行程序來觀察RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)變化，打開兩個(gè)Memory Windows窗口，在Keil軟件下方顯示為Memory1和Memory2，在兩個(gè)窗口中，分別做如圖2-1、2-2所示的設(shè)置。






兩個(gè)Address填寫的內(nèi)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(jiān)視RAM中該地址下的數(shù)據(jù)。設(shè)置好后，準(zhǔn)備調(diào)試。

在Debug Session模式中，箭頭所指處即為即將執(zhí)行的語句，單擊“Step”功能按鈕（或按F11鍵），讓程序運(yùn)行，如圖3所示。

第一次單擊“Step”按鈕后，Memory1窗口內(nèi)數(shù)據(jù)如圖4所示。

由調(diào)試結(jié)果可知，08H數(shù)據(jù)由00H變?yōu)?/font>ABH，09H數(shù)據(jù)由00H變?yōu)?/font>CDH，出現(xiàn)這種變化是因?yàn)閳?zhí)行了語句j=0xabcd;08H為變量“j”高八位，存儲(chǔ)“AB”，09H為變量“j”低八位，存儲(chǔ)“CD”。
第二次單擊“Step”按鈕，執(zhí)行語句：p=0xaa;此時(shí)需觀察Memory2窗口內(nèi)數(shù)據(jù)，如圖5所示。

由調(diào)試結(jié)果可知，0CH處值由00變?yōu)椤?/font>AAH”，程序相吻合。這里需要注意，在Keil C-51編譯環(huán)境下，指針變量，不管長度是單字節(jié)或是雙字節(jié)，指針變量所占字節(jié)數(shù)為3字節(jié)。故此處“AAH”不是存儲(chǔ)在0AH而存儲(chǔ)在0CH（0A+2）地址中。
綜上所述，指針實(shí)際上是變量，都是映射到RAM中的一段存儲(chǔ)空間，區(qū)別是，指針占用3字節(jié)，而其他變量可根據(jù)需要設(shè)定其所占RAM是1字節(jié)（char）、2字節(jié)（int）、4字節(jié)（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(zhí)行的結(jié)果是N1=0x01，N2=0x10。這里都是講數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)賦值給變量，但存在區(qū)別，tab1數(shù)組使用的是單片機(jī)RAM空間，而tab2數(shù)組使用的是單片機(jī)程序存儲(chǔ)區(qū)（ROM）空間。盡管使用C語言為變量賦值時(shí)語句相同，但編譯結(jié)果并不相同，此程序編譯后的結(jié)果如圖6所示。


由編譯結(jié)果可知，N1=tab1[0]語句實(shí)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(gè)物理地址內(nèi)的數(shù)據(jù)取出來使用：tab1數(shù)組中，tab[0]對應(yīng)的RAM地址是0x0A，tab[1]對應(yīng)的RAM地址是0x0B……以此類推；tab2數(shù)組中，tab[0]對應(yīng)的ROM地址是0x00A5，tab[1]對應(yīng)的ROM地址是0x00A6……以此類推。不管這些數(shù)組或變量所在的RAM或ROM地址如何，用戶最終需要的是數(shù)組或變量的數(shù)據(jù)，而指針，就是通過變量或數(shù)組的物理地址訪問數(shù)據(jù)，也就是說，通過指針，同樣可以訪問數(shù)組或變量數(shù)據(jù)�，F(xiàn)將程序②做出調(diào)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(zhí)行結(jié)果：tab1數(shù)組內(nèi)的8個(gè)數(shù)值依次被賦值給N1；tab2數(shù)組內(nèi)的8個(gè)數(shù)值依次被賦值給N2；
程序③執(zhí)行Debug Session功能后，打Watch Windows窗口，在Watch1窗口下添加需要監(jiān)視的變量，此處為“p”和“N1”，如圖7所示。

Value為當(dāng)前變量數(shù)值，程序?yàn)檫\(yùn)行前，p值為0x00，單擊Step按鍵功能后，執(zhí)行p=tab1;p值變?yōu)?/font>0x0A，如圖8所示。

0x0A是什么值呢？將鼠標(biāo)移至tab1數(shù)組位置，可顯示出數(shù)組所在的物理地址，0x0A就是數(shù)組tab1的首地址，如圖9所示。

p=tab1就是將tab1數(shù)組的首地址賦值給變量p，執(zhí)行p++即地址值加1；*p則是此物理地址內(nèi)的具體數(shù)據(jù)，因此for循環(huán)中，N1=*p是依次將tab1數(shù)組中的數(shù)據(jù)賦值給變量N1。由此可見，指針是作為一個(gè)變量，指向某一個(gè)地址。
那么指針到底是如何將某個(gè)地址內(nèi)的數(shù)據(jù)“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(gè)通用寄存器，程序?yàn)椋?/font>
MOV   R3,p(0x12)
MOV   R2,0x13
MOV   R1,0x14
然后調(diào)用了一個(gè)子函數(shù)：LCALL  C?CLDPTR(C:00E4)，而C程序中，未定義或使用任何子函數(shù)，那么這個(gè)子函數(shù)是哪里來的？作用是什么？根據(jù)標(biāo)號C:00E4可找到該子函數(shù)，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(dāng)R3的值大于0x01時(shí)，再和0xFE做比較，比較的結(jié)果有如下情況：
（1）R3的值等于0x01時(shí)，執(zhí)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(kuò)展RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)并賦值給A，尋址范圍0～65535。當(dāng)數(shù)組用xdata定義時(shí)，會(huì)跳轉(zhuǎn)到此處。
（2）R3的值小于0x01即等于0x00時(shí)，執(zhí)行如下程序：
C:0x00EF   E7       MOV      A,@R1
C:0x00F0   22       RET  
程序功能：讀取單片機(jī)內(nèi)部256字節(jié)RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)并賦值給A，尋址范圍0～255。當(dāng)數(shù)組用data或idata定義時(shí)，會(huì)跳轉(zhuǎn)到此處。如執(zhí)行N1=*p語句時(shí)，即跳轉(zhuǎn)到自處，讀取內(nèi)部RAM地址內(nèi)的數(shù)據(jù)。   
（3）R3的值不等于0x00或0x01時(shí)，通過JNC指令跳轉(zhuǎn)到C:0x00F1處，開始與0xFE做比較。R3的值等于0xFE時(shí)，執(zhí)行如下程序：
C:0x00F4   E3       MOVX     A,@R1
C:0x00F5   22       RET  
程序功能：讀取單片機(jī)片外RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)并賦值給A，尋址范圍0～255。當(dāng)數(shù)組用pdata定義時(shí)，會(huì)跳轉(zhuǎn)到此處。通常8051單片機(jī)不使用pdata定義變量或數(shù)組。
（4）R3的值不等于0xFE時(shí)，即R3的值等于0xFF時(shí)，跳轉(zhuǎn)到C:0x00F6處執(zhí)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(jī)內(nèi)部ROM內(nèi)的數(shù)據(jù)并賦值給A，尋址范圍0～65535。當(dāng)數(shù)組用code定義時(shí)，如程序③中，tab2數(shù)組用code定義，執(zhí)行p=tab2后，R3的值被賦值為0xFF，再執(zhí)行N2=*p語句時(shí)，即跳轉(zhuǎn)到自處，讀取內(nèi)部ROM地址內(nèi)的數(shù)據(jù)。  
由此可見，子函數(shù)“C?CLDPTR”的作用是，根據(jù)數(shù)據(jù)所在存儲(chǔ)空間，用不同的尋址方式讀取某地址下的數(shù)據(jù)。R3用于確定尋址方式，R3的值與對應(yīng)的尋址方式對應(yīng)關(guān)系為：
1、R3值等于0x00時(shí)，片內(nèi)RAM間接尋址；此時(shí)數(shù)據(jù)用dataidata定義。
2、R3值等于0x01時(shí)，片外RAM（擴(kuò)展RAM）間接尋址；此時(shí)數(shù)據(jù)用xdata定義。
3、R3值等于0xFE時(shí)，片外RAM（擴(kuò)展RAM）低246字節(jié)間接尋址；此時(shí)數(shù)據(jù)用pdata定義
4、R3值等于0xFF時(shí)，從存儲(chǔ)存儲(chǔ)器（ROM）進(jìn)行變址尋址；此時(shí)數(shù)據(jù)用code定義。

3、指針結(jié)構(gòu)
R3、R2、R1的值是RAM中0x12、0x13、0x14地址內(nèi)的值，即變量p映射的RAM地址。而而8位單片機(jī)中，不管是何種尋址方式，最大尋址范圍是2字節(jié)長度（0～65535），為什么指針*p卻占用了3字節(jié)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(shù)組與變量所映射的物理地址為及物理存儲(chǔ)區(qū)分別為：
tab1 :        0x08～0x0F                        單片機(jī)內(nèi)部RAM
tab2：     0x03～0x1A                       單片機(jī)內(nèi)部RAM（idata）
tab3：     0x08～0x0F                        單片機(jī)擴(kuò)展RAM（xdata）
tab4：     0x00～0x08                        單片機(jī)擴(kuò)展RAM低256字節(jié)（pdata）
tab5：     0x0003D～0x0044            單片機(jī)程序存儲(chǔ)區(qū)（code）
p：            0x10～0x12                        單片機(jī)內(nèi)部RAM
注：擴(kuò)展RAM可以在物理上可以分為片內(nèi)或片外，如STC15系列增強(qiáng)型單片機(jī)的擴(kuò)展RAM與單片機(jī)是封裝在一起的，即片內(nèi)擴(kuò)展RAM；傳統(tǒng)8051單片機(jī)沒有片內(nèi)擴(kuò)展RAM，需連接外部RAM芯片，此為片外擴(kuò)展RAM。
在Memory Windows窗口下，監(jiān)視變量p映射的RAM地址：0x10～0x12的數(shù)值變化，如圖11所示。

通過“Step”功能按鈕執(zhí)行住函數(shù)中的5調(diào)語句，可觀察到0x10～0x12寄存器的數(shù)據(jù)變化：

執(zhí)行p=tab1后，0x10、0x11、0x12：0x00、0x00、0x08
執(zhí)行p=tab2后，0x10、0x11、0x12：0x00、0x00、0x13
執(zhí)行p=tab3后，0x10、0x11、0x12：0x01、0x00、0x08
執(zhí)行p=tab4后，0x10、0x11、0x12：0xFE、0x00、0x00
執(zhí)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(chǔ)區(qū)，0x11、0x12的值是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的地址。指針?biāo)成涞氖椎刂�，�?huì)根據(jù)指向的物理存儲(chǔ)區(qū)被編譯器賦不同的值：0x00，0x01，0xFE，0xFF。這與程序③得到的結(jié)論一致，程序③中，寄存器R3、R2、R1對應(yīng)值實(shí)際上就是指針?biāo)成涞?/font>3字寄存器數(shù)值。
結(jié)合程序③編譯分析，當(dāng)需要引用某物理地址內(nèi)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)調(diào)用“C?CLDPTR”函數(shù)，函數(shù)功能就是根據(jù)這些賦值確定使用何種尋址方式引用數(shù)據(jù)。而這一過程包括“C?CLDPTR”函數(shù)都是編譯器自動(dòng)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(yīng)的3字節(jié)數(shù)據(jù)賦值給R3、R2、R1。
綜上所述，Keil C-51編譯環(huán)境下，指針是一個(gè)占3字節(jié)的特殊變量，編譯器編譯程序時(shí)，自動(dòng)生成判斷尋址方式的子函數(shù)，并根據(jù)根據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)所在的物理存儲(chǔ)區(qū)不同，為指針首字節(jié)賦值，根據(jù)賦值的不同，進(jìn)行不同方式的尋址；指針的后2字節(jié)，用于存放引用的地址。

調(diào)試訓(xùn)練：
下面的程序編譯器會(huì)怎樣編譯？與程序③有何不同？請根據(jù)程序③和程序④的分析方式分析程序⑤的執(zhí)行結(jié)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(zhí)行完for循環(huán)后，tab2數(shù)組內(nèi)的值會(huì)改變嗎？為什么？
4、指針意義
在匯編編程中，由于單片機(jī)數(shù)據(jù)存放的物理存儲(chǔ)區(qū)不同，導(dǎo)致有不同的尋址方式，用戶進(jìn)行必須根據(jù)這一規(guī)律設(shè)計(jì)程序。而在C語言中，不管目標(biāo)數(shù)據(jù)所在的物理存儲(chǔ)區(qū)如何，指針都可指向該地址，并自動(dòng)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(shí)并不會(huì)報(bào)錯(cuò)，但卻不能實(shí)現(xiàn)功能，因?yàn)?/font>tab2數(shù)組是定義在程序存儲(chǔ)器（ROM）的常量數(shù)組，ROM內(nèi)的數(shù)據(jù)更改是不能通過這種方式實(shí)現(xiàn)的。因此，當(dāng)用戶不明確單片機(jī)的物理存儲(chǔ)區(qū)特性時(shí)，使用指針會(huì)容易出錯(cuò)。先將程序⑤中的主函數(shù)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(dú)看第一個(gè)for循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)與程序⑤一樣的效果，即tab1數(shù)組內(nèi)被賦值為：0，1，2，3，4，5，6，7。
第二個(gè)for循環(huán)從語句上可認(rèn)為是與程序⑤功能相同，但實(shí)際上，不管是程序⑤還是程序⑥，都不能實(shí)現(xiàn)對tab2數(shù)組的賦值。但在程序⑥中，編譯器會(huì)提示錯(cuò)誤，如圖12所示。
因此，指針的使用不當(dāng)，不僅會(huì)帶來程序運(yùn)行結(jié)果的不正確，同時(shí)也難以發(fā)現(xiàn)這些錯(cuò)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(zhí)行的結(jié)果是一樣的，那么哪種更好呢？對于初學(xué)者來說，顯然是后者，因?yàn)楹笳吒子诶斫獬绦蚝x，而前者必須要理解指針在此處的作用；那么對于有經(jīng)驗(yàn)的程序員呢？也是后者，因?yàn)槌绦驁?zhí)行效率上，后者也要大于前者，因?yàn)槌绦颌菰诰幾g過程中，編譯器始終會(huì)生成一個(gè)子函數(shù)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(zhí)并行進(jìn)行賦值。盡管執(zhí)行效率的降低在接受范圍內(nèi)，但對于一個(gè)簡單、明了的功能來說，用簡單的方式實(shí)現(xiàn)要比復(fù)雜方式合理。
設(shè)計(jì)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(jī)的功能是有限的，它實(shí)現(xiàn)的功能相對固化，如時(shí)間顯示、數(shù)據(jù)采集等等，這些功能確定后，幾乎不會(huì)做出更改，基于此特點(diǎn)，8051單片機(jī)的代碼代碼量都不長。因此即便是不同構(gòu)架的單片機(jī)程序互相移植，代碼的修改并不復(fù)雜，移植過程中，也幾乎都是針對不同構(gòu)架單片機(jī)的I/O工作方式不同、指令周期不同做常規(guī)修改；或是關(guān)鍵字的修改。因此合理的設(shè)計(jì)單片機(jī)程序，盡可能的提高程序的效率、穩(wěn)定性、可閱讀性才是程序設(shè)計(jì)的核心主旨。指針在8051單片機(jī)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(zhǔn)確、易于他人理解。





作者: absflash    時(shí)間: 2015-10-30 20:37
圖文并茂，做的漂亮
作者: cvgjhuor    時(shí)間: 2017-9-23 19:45
這么詳細(xì)，真的很漂亮
作者: toveyxin    時(shí)間: 2018-1-18 13:36
受益匪淺呀
作者: hyz5122    時(shí)間: 2019-9-7 10:31
很不錯(cuò)的文章�。。�！
作者: mdy0712    時(shí)間: 2019-9-8 02:32
指針是C語言的靈魂�，F(xiàn)在還體會(huì)不到它的好處，慢慢來，應(yīng)該是有用的
作者: 鵬博士PBs    時(shí)間: 2019-9-9 07:30
指針變量
作者: zxy2266    時(shí)間: 2019-9-11 19:12
太詳細(xì)了，我學(xué)51只是點(diǎn)皮毛，以前對變化的顯示不理解，原來都是指針的作用
作者: QQ572008555    時(shí)間: 2020-2-18 23:41
看到一半 后面的有些看不懂了 慢慢學(xué) 收藏了
作者: 哈哈哈大西瓜    時(shí)間: 2020-4-2 22:52
感謝作者
作者: m199629    時(shí)間: 2021-1-27 08:44
大佬，圖文并茂很詳細(xì)
作者: 51mcu學(xué)習(xí)    時(shí)間: 2021-1-28 16:24
好教程，回頭學(xué)指針再慢慢看和研究
作者: 51mcu學(xué)習(xí)    時(shí)間: 2021-1-28 16:25
聽說指針比較難懂



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