MCS-51系列單片機結構化程序設計探討

1 MCS-51系列單片機結構化程序設計概述

結構化程序指程序組成結構化、功能模塊化、運行流程化。結構化程序要求將處理特定任務(wù)的代碼和數據與程序其余部分隔離，在MCS-51系列單片機結構化程序中，實(shí)現隔離的方法是將處理特定任務(wù)的指令和數據設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(chēng)作功能模塊，其具有確定功能，處理特定任務(wù)，解決專(zhuān)門(mén)問(wèn)題。

在MCS-51系列單片機結構化程序設計時(shí)，按照總體規劃和總體設計，由若干軟件設計人員分別編程設計各功能模塊，再依據軟件結構和程序流程，由若干功能模塊組成結構化程序，實(shí)現應用程序整體功能，解決復雜的實(shí)際問(wèn)題。

MCS-51系列單片機結構化程序具有結構清晰、邏輯性強、易于維護、便于共享、運行穩定、可靠性高等特點(diǎn)。按照結構化程序設計要求編程，有助于規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 三種基本結構及程序實(shí)現方法

MCS-51系列單片機結構化程序由若干功能模塊構成，功能模塊由三種基本結構組成，即順序結構、選擇結構、循環(huán)結構。由這三種基本結構組成的功能模塊，能實(shí)現各種程序算法，解決復雜實(shí)際問(wèn)題。

2.1 順序結構

在順序結構程序中，按先后順序，CPU逐條執行指令或逐段執行程序段。順序結構分為逐條順序結構和逐段順序結構兩種。逐條順序結構如圖1所示，逐段順序結構如圖2所示。


2.2 選擇結構

在選擇結構程序中，CPU執行條件判斷指令(或間接轉移指令)，依據條件(或轉移目的地址)執行對應分支程序段。選擇結構分為二分支選擇結構和多分支選擇結構。

2.2.1 二分支選擇結構

在二分支選擇結構程序中，CPU執行條件判斷指令，判斷轉移條件。當條件滿(mǎn)足時(shí)，CPU執行程序段1；當條件不滿(mǎn)足時(shí)，CPU執行程序段2，實(shí)現了二分支選擇功能。條件轉移類(lèi)指令、比較不相等轉移類(lèi)指令均可作為條件判斷指令。二分支選擇結構如圖3所示。程序實(shí)現方法參見(jiàn)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 多分支選擇結構

在多分支選擇結構程序中，CPU執行間接轉移指令，計算多分支轉移目標地址，依據多分支轉移目標地址，CPU執行對應分支程序段，實(shí)現了多分支選擇功能。在多分支選擇結構程序實(shí)現方法范例2中，A中保存有多分支選擇條件值n，多分支選擇結構如圖4所示。程序實(shí)現方法參見(jiàn)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)結構

在循環(huán)結構程序中，CPU執行條件轉移指令，依據條件決定是否繼續執行循環(huán)體。循環(huán)結構分為當型循環(huán)結構和直到型循環(huán)結構兩種，下面分別介紹。

2.3.1 當型循環(huán)結構

在當型循環(huán)結構程序中，CPU首先執行條件轉移指令，判斷循環(huán)條件。當條件滿(mǎn)足時(shí)，CPU繼續執行循環(huán)體程序；當條件不滿(mǎn)足時(shí)，CPU退出循環(huán)結構程序，接著(zhù)執行后續程序。當型循環(huán)結構如圖5所示，程序實(shí)現方法參見(jiàn)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)結構

在直到型循環(huán)結構程序中，CPU首先執行循環(huán)體程序，再執行條件轉移指令，判斷循環(huán)條件。當條件滿(mǎn)足時(shí)，CPU繼續執行循環(huán)體程序；當條件不滿(mǎn)足時(shí)，CPU退出循環(huán)結構程序，接著(zhù)執行后續程序。直到型循環(huán)結構如圖6所示，程序實(shí)現方法參見(jiàn)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(shuō)明：條件轉移類(lèi)指令、比較不相等轉移類(lèi)指令、減1不為0轉移指令均可作為條件判斷指令，由CPU決定是否繼續執行循環(huán)體，從而實(shí)現了循環(huán)執行程序段功能。

3 MCS-51系列單片機結構化程序設計步驟

MCS-51系列單片機結構化程序設計步驟如圖7所示，現對各部分具體設計要求分別敘述。


(1)需求分析

通過(guò)現場(chǎng)調研及與用戶(hù)交流，全面、深入、準確地分析MCS-51系列單片機結構化程序設計所要解決的實(shí)際問(wèn)題，搞清實(shí)際問(wèn)題所涉及的應用環(huán)境、應用對象、應用過(guò)程、應用要求、應用聯(lián)系，從整體上得出結構化程序設計所要達到的目標及系統所要實(shí)現的功能、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)總體規劃

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

(3)總體設計

基于需求分析，按照總體規劃進(jìn)行總體設計，確定出MCS-51系列單片機結構化程序設計的具體技術(shù)方案?？傮w設計包括系統性能設計、功能設計、工作原理設計、軟件結構設計、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構的所有功能模塊，某些功能模塊涉及處理復雜實(shí)際問(wèn)題，應根據相關(guān)理論和專(zhuān)業(yè)知識，對復雜實(shí)際問(wèn)題建立數學(xué)模型，為后續算法設計提供依據。

(5)數據結構

依據功能模塊所要完成的指定功能、所要執行的具體任務(wù)、所要處理的具體問(wèn)題，針對為特定功能模塊所建立的數學(xué)模型，應確定出功能模塊的輸入數據、暫存數據、輸出數據、數據關(guān)系。對于MCS-51系列單片機結構化程序設計，應統籌規劃內部RAM、確定數據類(lèi)型、定義程序變量、分配數據存儲單元，為后續算法設計打好基礎。

(6)算法設計

結構化程序設計包括結構化算法設計。在建立了特定功能模塊的數學(xué)模型、規劃了特定功能模塊的數據結構之后，應對數學(xué)模型進(jìn)行結構化算法設計，結構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規劃，依據總體規劃完成總體設計，按照總體設計自頂向下對總任務(wù)逐層分解細化，直到每個(gè)子任務(wù)僅處理一個(gè)特定問(wèn)題。
②模塊化設計。由自頂向下、逐步求精得出的子任務(wù)處理程序稱(chēng)為功能模塊，處理復雜實(shí)際問(wèn)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(gè)特定子任務(wù)；功能模塊由順序、選擇和循環(huán)三種基本結構組成；功能模塊可獨立編程、獨立編譯、獨立調試；功能模塊可被上層功能模塊調用。

(7)程序編輯

按照數據結構規劃，對軟件結構中各層功能模塊應分別進(jìn)行編程。對于建有數學(xué)模型、設有算法的功能模塊，應依據算法設計進(jìn)行編程。

(8)程序編譯

利用集成開(kāi)發(fā)調試工具軟件，對各層功能模塊源程序分別編譯，檢查程序語(yǔ)法。若發(fā)現語(yǔ)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(guò)為止。

基于總體設計，參照軟件結構圖及程序流程圖，將各層功能模塊集成到一起，形成一個(gè)完整應用程序，并進(jìn)行統一編譯。若發(fā)現語(yǔ)法錯誤，應修改應用程序重新編譯，直到應用程序編譯通過(guò)為止。

(9)程序調試

利用集成開(kāi)發(fā)調試工具軟件，首先對各層功能模塊分別進(jìn)行調試，檢查各功能模塊的功能是否正確。若發(fā)現功能邏輯錯誤，應修改程序錯誤后重新調試，直到所有功能模塊調試通過(guò)為止。然后對應用程序進(jìn)行統調，檢查應用程序的總體功能是否正確。若發(fā)現功能邏輯錯誤，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試，直到應用程序調試通過(guò)為止。

(10)文檔整理

應用程序調試通過(guò)后，應對應用程序進(jìn)行測試，測試通過(guò)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、總體規劃報告、總體設計報告、源程序文件和使用說(shuō)明。

本文探討了MCS-51系列單片機結構化程序設計相關(guān)問(wèn)題，對于其他系列單片機，軟件程序設計人員可參照本文進(jìn)行對應結構化程序設計。對于本文所述功能模塊，軟件設計人員應結合實(shí)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設計同樣適用。