第4章 C语言基础以及流水灯的实现
C 语言，在编程领域是久负盛名的，可能没接触过计算机编程的人会把它看的很神秘，感觉非常的难。但其实并非如此，C 语言的逻辑和运算，充其量也就是小学水平，所以不要怕它，作者尽可能的从小学数学逻辑方式带着大家学习 C 语言。
4.1 二进制、十进制和十六进制
B站在线视频教程：4-1 变量类型及运算符
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十进制，逢十进位，一个位有十个值：0～9，生活中到处都是它的身影。二进制就是逢二进位，它的一个位只有两个值：0 和 1，但它却是实现计算机系统的最基本的理论基础，计算机（包括单片机）芯片是基于成万上亿个的开关管组合而成的，它们每一个都只能有开和关两种状态，再难找出第三个状态了（不要辩解半开半关这个状态，它是不稳定态，是极力避免的），所以它们只能对应于二进制的 1 和 0 两个值，而没有 2、3、4……，理解二进制对于理解计算机的本质很有帮助。书写二进制数据时需加前缀 0b，每一位的值只能是0 或 1。十六进制就是把 4 个二进制位组合为一位来表示，于是它的每一位有 0b0000～0b1111共 16 个值，用 0～9 再加上 A～F（或 a～f）表示，那么它自然就是逢十六进位了，它本质上同二进制是一样的，是二进制的一种缩写形式，也是程序编写中常用的形式。书写十六进制数据时需加前缀 0x，下表是三种进制之间的对应关系。
十进制 二进制 十六进制 0 0b0 0x00 1 0b1 0x01 2 0b10 0x02 3 0b11 0x03 4 0b100 0x04 ... ... ... 9 0b1001 0x09 10 0b1010 0x0A 11 0b1011 0x0B 12 0b1100 0x0C 13 0b1101 0x0D 14 0b1110 0x0E 15 0b1111 0x0F 16 0b10000 0x10 17 0b10001 0x11 ... ... ... -
对于二进制而言，8 位二进制称之为一个字节，二进制的表达范围值是从 0b00000000\～0b11111111，而在程序中用十六进制表示的时候就是从 0x00 到 0xFF，二进制转换十进制和十六进制的方法，二进制 4 位一组，遵循 8/4/2/1 的规律比如 0b1010，那么从最高位开始算，数字大小是 81+40+21+10 = 10，那么十进制就是 10，十六进制就是 0xA。尤其二进制转十六进制的时候，十六进制一位刚好是和二进制的 4 位相对应的，这些大家不需要强行记忆，多用几次自然就熟练了。
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对于进制来说，只是数据的表现形式，而数据的大小不会因为进制表现形式不同而不同，比如二进制的 0b1、十进制的 1、十六进制的 0x01，本质上是数值大小相等的同一个数据。在进行 C 语言编程的时候，只写十进制和十六进制，那么不带 0x 的就是十进制，带了 0x 符号的就是十六进制。
4.2 C 语言变量类型和范围
什么是变量？变量自然和常量是相对的。常量就是 1、2、3、4.5、10.6……等固定的数字，而变量则根小学学的 x 是类似概念，可以是 1，也可以是 2，想让它是几是程序说了算。那么小学学的数学里边，有这么几类，正数、负数、整数和小数。在 C 语言里，除名字和数学里学的不一样外，还对数据大小进行了限制。这个地方有一点复杂的是，在 C51 里边的数据范围和其他编程环境还可能不完全一样，因此下的这个图，仅仅代表的是 C51，其他编程环境可能不一样，大家知道有这回事就可以了。C 语言的数据基本类型分为字符型、整型、长整型以及浮点型，如图 4-1 所示。
图 4-1 中，四种基本类型，每个基本类型又包含了两个类型。其中字符型、整型、长整型，除了可表达的数值大小范围不同之外，都是只能表达整数，而 unsigned 型的又只能表达正整数，要表达负整数则必须用 signed 型，如要表达小数的话，则必须用浮点型了。比如前面讲到的闪烁 LED 小灯的程序，用的是unsigned int i = 0;这个 i 的取值范围就是 0～65535，在接下来的 for 语句里，如果把原来那个 30000 改成70000 的话，for(i=0;i<70000;i++);会发现小灯会一直亮，而不是闪烁了，这里自然就有因超出 i 取值范围所造成的问题。但要彻底搞明白这个问题，还要来了解 for 语句的用法。不用急，接下来很快就会学到它了。这里有一个编程宗旨，就是能用小不用大。就是说定义能用 1 个字节 char 解决问题的，就不定义成 int，一方面节省 RAM 空间可以让其他变量或者中间运算过程使用，另外一方面，占空间小程序运算速度也快一些。
4.3 C 语言基本运算符
小学数学学过加、减、乘、除等运算符号以及四则混合运算，而这些运算符号在 C 语言中也有，但是有些表达方法不一样，并且还有额外的运算符号。在 C 语言编程中，加、减、乘、除和取余数的符号分别是：+、-、*、/、%。C 语言有一个很重要的赋值运算符“=”，前边程序有使用过。在 C 语言里，“=”代表的意思是赋值，而不是等于。最经典的一个例子就是a=1;b=2;如果写成a = a+b;这个在数学里的运算是 a 等于 a 加 b，是个错误结论；而在 c 语言里的意思是把 a 加 b 的结果送给 a，那么运算完了之后的结果是 a 等于 3，b 还等于 2。说到这里就不得不说 C 语言的比较运算符“==”。这个在 C 语言里是进行是否等于判断的关系运算符，而“!=”就是不等于的关系运算符。此外，C 语言中还有额外的两个运算符++和--，一个是自加 1，一个是自减 1，下面选++来讲一下。
++在用法上就是加 1 的意思，注意是变量自己加，比如 b++的意思就是 b=b+1，而在编程的时候有两种常用的方式先加和后加。比如unsigned char a = 0; unsigned char b = 0;
那么a = ++b;其整个运算过程是先计算 b=b+1，那么 b 就等于 1 了，然后再运行 a=b，运行完毕后 a=1，b=1。如果写成a=b++;
那么运算过程就是先执行 a=b;然后再执行 b=b+1，执行完的结果就是 a=0，b=1。这些运算符这里就是简单介绍一下，而后边会通过使用实例来巩固这些知识。其他一些运算符，在使用过程中也会陆陆续续介绍到。
4.4 for 循环语句
B站在线视频教程：4-2 循环语句和函数
for 语句是 C 语言编程的一个常用的语句，这个语句必须得学会其用法，它不仅仅可以用来做延时，更重要的是用来做一些循环运算。for 语句的一般形式如下：
for (表达式1;表达式2;表达式3)
{
需要执行的语句();
}
其执行过程是：表达式 1 首先执行且只执行一次；然后执行表达式 2，通常都是一个用于判定条件的表达式，如果表达式 2 条件成立，就执行(需要执行的语句)；然后再执行表达式 3；再判断表达式 2，执行(需要执行的语句)；再执行表达式 3.....一直到表达式 2 不成立时，跳出循环继续执行循环后面的语句。举个例子：
for (i=0; i<2; i++)
{
j++;
}
这里有一个符号++刚刚讲过了。假如 j 最开始初值是 0，首先执行表达式 1 的 i=0，然后判断 i 小于 2 这个条件成立，就执行一次 j++，j 的值就是 1 了，然后经过表达式 3 后，i 的值也变成 1 了，再判断条件 2，还是符合，j 再加一次，j 变成 2 了，再经过表达式 3 后 i 也变成 2 了，再判断条件 2，发现 2<2 这个条件不成立了，所以就不会再执行 j++这个语句了。所以执行完毕后，j 的值就是 2。
for 语句除了这种标准用法，还有几种特殊用法，比如前面的闪烁小灯对 for 语句的用法for(i=0; i<30000; i++) ;没有加(需要执行的语句)，就是什么都不操作。但是什么都不操作的话，这个 for 语句循环判断了 30000 次，程序执行是会用掉时间的，所以就起到了延时的作用。比如把 30000 改成 20000，会发现灯的闪烁速度加快了，因为延时时间短了，当然，改成 40000后会发现，闪烁慢了。但是有一点特别注意，C 语言的延时时间是不能通过程序看出来的，也不会成比例，比如这个 for 循环里边的表达式 2 使用 30000 时延时是 3 秒的话，那么改成40000 的时候，可能并不一定是 4 秒。还有一种写法for( ; ; )，这样写后，这个 for 循环就变成了死循环了，就不停的执行(需要执行的语句)，和前边讲的 while(1)的意思是一样的了。那 while 这个语法是如何用的呢？
4.5 while 循环语句
在单片机 C 语言编程的时候，每个程序都会固定的加一句 while(1)，这条语句就可以起到死循环的作用。对于 while 语句来说，他的一般形式是：
while (表达式)
{
循环体语句；
}
在 C 语言里，通常“表达式”符合条件叫做真，不符合条件，叫做假。比如前边 i<30000，当 i 等于 0 的时候，那这个条件成立，就是真；如果 i 大于 30000 的时候，i<30000 条件不成立，就叫做假。while(表达式)这个括号里的表达式，为真的时候，就会执行循环体语句，当为假的时候，就不执行。还有另外一种情况，就是 C 语言里边，除了表达式外，还有常数，习惯上，把非 0 的常数都认为是真，只有 0 认为是假，所以程序中使用了 while(1)，这个数字 1，可以改成 2、3、4......等等都可以，都是一个死循环，不停的执行循环体的语句，但是如果把这个数字改成 0，那么就不会执行循环体的语句了。通过学习 for 循环和 while 循环，是不是会产生一个疑问？为何有的循环加上，而有的循环却没加呢？什么时候需要加，什么时候不需要加呢?前边讲过，在 C 语言中，分号表示语句的结束，而在循环语句里表示的是循环体的所有语句，如果不加大括号，则只循环执行一条语句，即第一个分号之前的语句，而加上大括号后，则会执行大括号中所有的语句，举个例子看一下，上节课的闪烁小灯程序如下所示。
程序（1）：
while (1)
{
LED = 0;
for(i=0;i<30000;i++);
LED = 1;
for(i=0;i<30000;i++);
}
程序（2）：
while (1)
LED = 0;
for(i=0;i<30000;i++);
LED = 1;
for(i=0;i<30000;i++);
程序（1）可以实现闪烁功能。而程序（2）没有加大括号，从语法上来看是没有任何错误的，写到 Keil 里编译一下也不会报错。但是从逻辑上来讲，程序（2）只会不停的循环“LED= 0;”这条语句，实际上和程序（3）效果是相同的。
程序（3）：
while(1)
{
LED = 0;
}
for(i=0;i<30000;i++);
LED = 1;
for(i=0;i<30000;i++);
程序执行到 while(1)已经进入死循环了，所以后边三条语句是一辈子也执行不到的。因此为了防止出类似的逻辑错误，推荐不管循环语句后边是一条还是多条语句，都加上以防出错。
4.6 函数的简单介绍
函数定义的一般形式如下：
函数值类型 函数名(形式参数列表)
{
函数体
}
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函数值类型，就是函数返回值的类型。在后边章节的部分例程中，会有很多函数中有
return x这条语句，这个返回值也就是函数本身的类型。还有一种情况，就是这个函数只执行操作，不需要返回任何值，那么这个时候它的类型就是空类型void，这个void按道理来说是可以省略的，但是一旦省略，Keil 软件会报一个警告，所以通常也不省。 -
函数名，可以由任意的字母、数字和下划线组成，但数字不能作为开头。函数名不能与其他函数或者变量重名，也不能是关键字。什么是关键字呢，后边慢慢接触，比如 char这类，都是关键字，是程序中具备特殊功能的标志符，这种东西不可以命名函数。
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形式参数列表，也叫做形参列表，这个是函数调用的时候，相互传递数据用的。有的函数不需要传递参数给它，那么可以用
void来替代，void同样可以省略，但是那个括号是不能省略的。 -
函数体，包含了声明语句部分和执行语句部分。声明语句部分主要用于声明函数内部所使用的变量，执行语句部分主要是一些函数需要执行的语句。特别注意，所有的声明语句部分必须放在执行语句之前，否则编译的时候会报错。 -
一个工程文件必须有且仅有一个 main 函数，程序执行的时候，都是从 main 函数开始的。
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关于形参和实参的概念，后边再总结，如果遇到程序里有，大家再跟着抄一段时间。先用，后讲解，这样更有利于理解。来回顾一下闪烁 LED 程序中的主函数，根据注释再认真分析一遍，是不是对函数的认识就清楚多了。
void main() //void即函数类型
{
//以下为声明语句部分
unsigned int i = 0; //定义一个无符号整型变量，并赋初值i=0
ENLED = 0;
ADDR3 = 1;
ADDR2 = 1;
ADDR1 = 1;
ADDR0 = 0;
while (1)
{
LED = 0;//点亮小灯
for (i=0; i<30000; i++); //延时一段时间
LED = 1;//熄灭小灯
for (i=0; i<30000; i++); //延时一段时间
}
}
代码中的“//”是注释符，意思是说在这之后的内容都是注释。注释是给程序员自己或其他人看的，用于对程序代码做一些补充说明，对程序的编译和执行没有任何影响。
4.7 Keil 软件延时
B站在线视频教程：4-3 单片机常用延时办法
C 语言常用的延时方法，有如图 4-2 所示 4 种。
这 4 种延时方法，其中两种非精确延时，两种精确一些的延时。for 语句和 while 语句都可以通过改变 i 的范围值来改变延时时间，但是循环的执行时间都是不能通过程序看出来的。精确延时有两个方法，一个方法是用定时器来延时，这个方法后边课程要详细介绍，定时器是单片机的一个重点。另外一个就是用库函数_nop_();，一个 NOP 的时间是一个机器周期的时间。非精确延时，只是在做一些比如小灯闪烁，流水灯等简单演示实验中使用，而实际项目开发过程中其实这种非精确延时用的很少。前面讲 LED 小灯闪烁的程序采用的延时方式是 for(i=0;i<30000;i++);如果把这里的 i 改成100，下载进入单片机，会发现小灯一直亮，而不是闪烁状态，现在就可以实验一下，改成100，然后下载观察一下现象。人的肉眼对闪烁的光线有一个最低分辨能力，通常情况下当闪烁的频率高于 50Hz 时，看到的信号就是常亮的。即，延时的时间低于 20ms 的时候，肉眼是分辨不出来小灯是在闪烁的，可能最多看到的是小灯亮暗稍微变化了一下。要想清楚的看到小灯闪烁，延时的值必须大一点，大到什么程度呢，不同的亮度的灯不完全一样，可以做实验验证。那么如何观察写的延时到底有多长时间呢？选择 Keil 菜单项 Project-->Options for Target‘Target1’...，进入工程选项，如图 4-3 所示。
打开 Target 这个选项卡，找到里边的 Xtal(MHz)这个位置，这是填写进行模拟时间的晶振选项，从原理图以及板子上都可以看到，单片机所使用的晶振是 11.0592MHz，所以这个地方填上 11.0592。然后找到 Debug 这个选项卡，选择左侧的 Use Simulator，然后点击最下边的 OK 就可以了，如图 4-4 所示。
选择菜单项 Debug-->Start/Stop Debug Session，或者点击图 4-5 中红框内的按钮，就会进入一个新的页面，如图 4-6 所示。
最左侧那一栏显示单片机一些寄存器的当前值和系统信息，最上边那一栏是 Keil 将 C 语言转换成汇编的代码，下边就是写 C 语言的程序，调试界面包含很多的子窗口，都可以通过菜单 View 中的选项打开和关闭。可能会感觉这种默认的分布不符合习惯或者不方便观察特定信息，界面上几乎所有子窗口的位置都可以调整的。比如想把 Disassembly 反汇编窗口和源代码窗口横向并排摆放，那么只需要用鼠标拖动反汇编窗口的标题栏，这时会在屏幕上出现多个指示目标位置的图标，拖着窗口把鼠标移动到相应的图标上，软件还会用蓝色底纹指示具体的位置，如图 4-7 所示，松开鼠标窗口就会放到新位置了。调整后的效果如图 4-8 所示。
C 语言的源代码文件和反汇编窗口内都有一个黄色的箭头，这个箭头代表的就是程序当前运行的位置，因为反汇编内的代码就由源文件编译生成的，所以它们指示的是相同的实际位置。在这个工程调试界面里，可以看到程序运行的过程。在左上角的工具栏里有这样三个按钮：第一个标注有 RST 字样的是复位，点击一下之后，程序就会跑到最开始的位置；右侧紧挨着的按钮是全速运行，点击一下程序就会全速跑起；再右边打叉的是停止按钮，当程序全速运行起来后，可以通过点击第三个图标来让程序停止，观察程序运行到哪里了。点击一下复位后，会发现 C 语言程序左侧有灰色或绿色，有的地方还是保持原来的白色，可以在灰色的位置双击鼠标设置断点，就是比如程序一共 20 行，在第十行设置断点后，点全速运行，程序就会运行到第十行停止，方便用户观察运行到这个位置的情况。有的位置可以设置断点，有的地方不可以设置断点，这是为什么呢？因为 Keil 软件本身具备程序优化的功能，如果想在所有的代码位置都能设置断点，可以在工程选项里把优化等级设置为 0，就是设置 Keil 不进行优化。如图 4-9 所示。
这节课重点是看看 C 语言代码的运行时间，在最左侧的 register 那个框内，有一个 sec选项，这个选项显示就是单片机运行了多少时间。单击一下复位按钮，会发现这个 sec 变成了 0，然后在 LED = 0;这一句加一个断点，在 LED = 1;这个位置加一个断点，点击全速运行按钮，会直接停留在 LED = 0;会看到时间变为 0.00042752 秒，如图 4-10 所示。请注意，这里设置的优化等级是默认的 8，如果用的是其它等级的话运行时间就会有所差别，因为优化等级会直接影响程序的执行效率。
再点一下全速运行，会发现 sec 变成了 0.16342556，那么减去上次的值，就是程序在这两个断点之间执行所经历的时间，也就是这个 for 循环的执行时间，大概是 163ms。也可以通过改变 30000 这个数字来改变这个延时时间。当然了，要注意 i 的取值范围，你如果写成了大于 65535 的值以后，程序就一直运行不下去了，因为 i 无论如何变化，都不会大于这个值，如果要大于这个值且正常运行，必须改变 i 定义的类型了。后边如果要查看一段程序运行了多长时间，都可以通过这种方式来查看。实际上，进入 debug 模式，除了可以看程序运行了多长时间外，还可以观察各个寄存器、各个变量的数值变化情况。点击 View 菜单里的 Watch Windows-->Watch 1，可以打开变量观察窗口，如图 4-11 所示。
在这个窗口内，可以通过双击或按 F2 键，然后输入想观察的变量或寄存器的名字，后边就会显示出它的数值，这个功能在后边的调试程序中比较有用，先了解一下。
4.8 流水灯程序
前面学了点亮一个 LED 小灯，然后又学了 LED 小灯闪烁，现在要进一步学习如何让 8个小灯依次一个接一个的点亮，流动起来，也就是常说的流水灯。先来看 8 个 LED 的核心电路图，如图 4-12。
B站在线视频教程：4-4 流水灯程序
通过前面的课程可以了解到一个字节是 8 位，如果写一个 P0，就代表了 P0.7 到 P0.0 的全部 8 个位。比如写 P0 = 0xFE；转换成二进制就是 0b11111110，所以点亮 LED2 小灯的程序，实际上可以改成另外一种写法，如下所示。
#include <reg52.h>
sbit ADDR0 = P1^0;
sbit ADDR1 = P1^1;
sbit ADDR2 = P1^2;
sbit ADDR3 = P1^3;
sbit ENLED = P1^4;
void main()
{
ENLED = 0;
ADDR3 = 1;
ADDR2 = 1;
ADDR1 = 1;
ADDR0 = 0;
P0 = 0xFE;//向P0写入数据来控制LED小灯
while (1);//程序停止在这里
}
上边这个程序可以看出来，通过 P0 可以直接控制所有的 8 个 LED 小灯的亮和灭。下边要进行依次亮和灭，怎么办呢？如果想让单片机流水灯流动起来，依次要赋给 P0 的数值就是：0xFE、0xFD、0xFB、0xF7、0xEF、0xDF、0xBF、0x7F。在 C 语言当中，有一个移位操作，其中<<代表的是左移，>>代表的是右移。比如a =0x01<<1;就是 a 的结果等于 0x01 左移一位。请注意，移位都是指二进制移位，那么移位完了，本来在第 0 位的 1 移动到了第 1 位上，移动完了低位是补 0 的，所以 a 的值最终是等于 0x02。另外一个运算符~，这个符号是按位取反的意思，同理按位取反也是针对二进制而言。比如 a = ~(0x01); 0x01 的二进制是 0b00000001，按位取反后就是 0b11111110，那么 a 的值就是 0xFE 了。学会了这两个符号后，就可以把流水灯的程序写出来，先把程序贴上。
#include <reg52.h>
sbit ADDR0 = P1^0;
sbit ADDR1 = P1^1;
sbit ADDR2 = P1^2;
sbit ADDR3 = P1^3;
sbit ENLED = P1^4;
void main()
{
unsigned int i = 0;//定义循环变量i，用于软件延时
unsigned char cnt = 0; //定义计数变量cnt，用于移位控制
ENLED = 0;
ADDR3 = 1;
ADDR2 = 1;
ADDR1 = 1;
ADDR0 = 0;
while (1) //主循环，程序无限循环执行该循环体语句
{
P0 = ~(0x01 << cnt);///P0左移等于1,控制8个LED
for (i=0; i<20000; i++); //软件延时
cnt++;//移位计数变量自加1
if (cnt >= 8)//移位计数超过7后，再重新从开始
{
cnt = 0;
}
}
}
程序中 cnt 是 count 的缩写，计数的意思，是一个常用的变量名称。当 cnt 等于 0 的时候，1 左移 0 位还是 1，那么写成二进制后就是 0b00000001，对这个数字按位取反就是 0b11111110，亮的是最右边的小灯。当 cnt 等于 7 的时候，1 左移 7 位就是 0b10000000，按位取反后是0b01111111，亮的是最左边的小灯，中间过程可以自己分析一下了。
4.9 练习题
- 熟练掌握二进制、十进制和十六进制的转换方法。
- 掌握 C 语言变量类型与取值范围，for、while 等基本语句的用法。
- 了解函数的基本结构，能够独立进入程序 Debug，多多动手操作，熟练 Keil 软件环境的一些基本操作。
- 将流水灯左移理解透彻后，独立完成流水灯右移操作。
- 独立完成一个左移到头接着右移，右移到头再左移的花样流水灯程序。