MCS-51系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計探討

1 MCS-51系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)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(yùn)行流程化。結(jié)構(gòu)化程序要求將處理特定任務(wù)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(jī)結(jié)構(gòu)化程序中，實現(xiàn)隔離的方法是將處理特定任務(wù)的指令和數(shù)據(jù)設(shè)計成子程序或中斷服務(wù)子程序。這些子程序或中斷服務(wù)子程序稱作功能模塊，其具有確定功能，處理特定任務(wù)，解決專門問題。

在MCS-51系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計時，按照總體規(guī)劃和總體設(shè)計，由若干軟件設(shè)計人員分別編程設(shè)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(yīng)用程序整體功能，解決復(fù)雜的實際問題。

MCS-51系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)化程序具有結(jié)構(gòu)清晰、邏輯性強(qiáng)、易于維護(hù)、便于共享、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高等特點。按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計要求編程，有助于規(guī)范軟件設(shè)計人員的編程工作，有助于提高軟件設(shè)計人員的編程效率，有助于提升軟件設(shè)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(jī)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(fù)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(yīng)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(dāng)條件滿足時，CPU執(zhí)行程序段1；當(dāng)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(biāo)地址，依據(jù)多分支轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址，CPU執(zhí)行對應(yīng)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(dāng)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(dāng)型循環(huán)結(jié)構(gòu)

在當(dāng)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(dāng)條件滿足時，CPU繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)體程序；當(dāng)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(dāng)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(dāng)條件滿足時，CPU繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)體程序；當(dāng)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(jī)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計步驟

MCS-51系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計步驟如圖7所示，現(xiàn)對各部分具體設(shè)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(zhǔn)確地分析MCS-51系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計所要解決的實際問題，搞清實際問題所涉及的應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用對象、應(yīng)用過程、應(yīng)用要求、應(yīng)用聯(lián)系，從整體上得出結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計所要達(dá)到的目標(biāo)及系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能、完成的具體任務(wù)、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(chǔ)之上，制訂出MCS-51系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的總體規(guī)劃。總體規(guī)劃中應(yīng)確定MCS-51系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的設(shè)計原則、設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計任務(wù)、設(shè)計方式、設(shè)計進(jìn)度和設(shè)計協(xié)作。

(3)總體設(shè)計

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

(4)模型建立

總體設(shè)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(fù)雜實際問題，應(yīng)根據(jù)相關(guān)理論和專業(yè)知識，對復(fù)雜實際問題建立數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)算法設(shè)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(wù)、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(xué)模型，應(yīng)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(jī)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，應(yīng)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(shè)計打好基礎(chǔ)。

(6)算法設(shè)計

結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計包括結(jié)構(gòu)化算法設(shè)計。在建立了特定功能模塊的數(shù)學(xué)模型、規(guī)劃了特定功能模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之后，應(yīng)對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化算法設(shè)計，結(jié)構(gòu)化算法設(shè)計的原則如下：
①自頂向下、逐步求精。基于需求分析制訂出總體規(guī)劃，依據(jù)總體規(guī)劃完成總體設(shè)計，按照總體設(shè)計自頂向下對總?cè)蝿?wù)逐層分解細(xì)化，直到每個子任務(wù)僅處理一個特定問題。
②模塊化設(shè)計。由自頂向下、逐步求精得出的子任務(wù)處理程序稱為功能模塊，處理復(fù)雜實際問題的應(yīng)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(wù)；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(dú)立編程、獨(dú)立編譯、獨(dú)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(yīng)分別進(jìn)行編程。對于建有數(shù)學(xué)模型、設(shè)有算法的功能模塊，應(yīng)依據(jù)算法設(shè)計進(jìn)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(yīng)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(shè)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(yīng)用程序，并進(jìn)行統(tǒng)一編譯。若發(fā)現(xiàn)語法錯誤，應(yīng)修改應(yīng)用程序重新編譯，直到應(yīng)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(jìn)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(yīng)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(yīng)用程序進(jìn)行統(tǒng)調(diào)，檢查應(yīng)用程序的總體功能是否正確。若發(fā)現(xiàn)功能邏輯錯誤，應(yīng)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(yīng)用程序調(diào)試通過為止。

(10)文檔整理

應(yīng)用程序調(diào)試通過后，應(yīng)對應(yīng)用程序進(jìn)行測試，測試通過后，應(yīng)整理出應(yīng)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(shè)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(jī)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計相關(guān)問題，對于其他系列單片機(jī)，軟件程序設(shè)計人員可參照本文進(jìn)行對應(yīng)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計。對于本文所述功能模塊，軟件設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合實際、準(zhǔn)確理解、整體考慮、總體設(shè)計、按功能分層次設(shè)計好各層功能模塊。本程序的設(shè)計步驟及硬件設(shè)計部分，對MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計同樣適用。