c语言课程在高职院校工科专业中的运用和研究.doc

四平市哲学社会科学规划项目选 题 名 称C语言课程在高职院校工科专业中的作用研究成 果 形 式 研究报告项目申报人 尹 越项 目 成 员 尹 卓申报人所在单位 四平职业大学时 间 2009年12月c语言课程在高职院校工科专业中的运用研究【摘 要】C语言是目前使用最广泛的一种程序设计语言，如：单片机、自动控制程序、测量、控制和通信等领域。所以C语言课程是高职院校工科专业开设的必修课，是工科专业中许多后续专业课程的基础，在高职院校工科专业教学体系中，C 语言课程占有重要的地位。本文就C语言在单片机、DPS系统中的运用作详细的研究。 【关键词】C语言 工科专业 运用研究对于高等学校各工科专业的学生来说,常常需要借助编程工具,来解决专业领域的单片机、DPS系统、测量、控制等相关应用问题。因此C语言与机械、电子等工科专业知识相结合可以提高科研效率促进新技术的开发。一、c语言的特点（一）语言表达能力强。C语言表达能力强而灵活，它既有面向硬件和系统，像汇编语言那样可以直接访问硬件的功能，又有高级语言面向用户，容易理解，便于阅读和书写的优点。 （二）模块化能力强。C语言程序由函数形式组成，十分有利于把整个程序分割成若干个功能相对独立的程序模块，并且为程序模块之间相互调用和参数传递提供了方便。 （三）数据类型丰富。C语言具有现代语言的各种数据类型，基本的数据类型有字符型（Char）、整型（int）、长整型（10ng）、浮点型（float）、双精度型（double），还有无符号字符型（unsignedChar）、无符号整型（unsignedint）、无符号长整型（unsignedlong）等。在这些基础上可以产生各种构造类型，如数组、指针、结构、联合等。利用这些数据类型可以实现复杂的数据结构，如链表、树等。 （四）运算符丰富。C语言的运算符包括的范围很广，除了包括一般高级语言中的算术运算符、逻辑运算符、关系运算符之外，还具有位运算符、指针运算符等。所以C语言的数据处理能力强，具有其他高级语言难以实现的一些功能。 （五）可移植性好。C语言本身不依赖于机器硬件，在使用不同CPU的计算机上，C语言程序差别不是很大。这一点与汇编语言不同，汇编语言是一种面向机器的低级语言，汇编语言的许多指令是针对CPU的结构而设计的。因而，不同CPU的汇编语言指令差别较大，移植比较麻烦。 二、c语言课程在工科专业运用研究（一）C语言在单片机开发中的运用在单片机的开发应用中，已逐渐开始引入高级语言，C语言就是其中的一种。以下是c语言单片机开发中运用的几个关键问题： 1、利用c语言的C51实现热启动 对于工业控制计算机，往往设有看门狗电路，当看门狗动作，使计算机复位，这就是热启动。热启动时，一般不允许从头开始，这将导致现有的已测量到或计算到的值复位，导致系统工作异常。因而在程序必须判断是热启动还是冷启动，常用的方法是：确定某内存单位为标志位(如0x7f位和0x7e位)，启动时首先读该内存单元的内容，如果它等于一个特定的值(例如两个内存单元的都是0xaa)，就认为是热启动，否则就是冷启动，程序执行初始化部份，并将0xaa赋与这两个内存单元。 根据以上的设计思路，编程时，设置一个指针，让其指向特定的内存单元如0x7f，然后在程序中判断，程序如下：void main() char data *HotPoint=(char *)0x7f;if(*HotPoint=0xaa)&(*(-HotPoint)=0xaa) /*热启动的处理 */ else HotPoint=0x7e; /*冷启动的处理*/*HotPoint=0xaa;*(+HotPoint)=0xaa; /*正常工作代码*/ 然而实际调试中发现，无论是热启动还是冷启动，开机后所有内存单元的值都被复位为0，当然也实现不了热启动的要求。这是为什么呢?原来，用C语言编程时，开机时执行的代码并非是从main()函数的第一句语句开始的，在main()函数的第一句语句执行前要先执行一段起始代码。正是这段代码执行了清零的工作。C编译程序提供了这段起始代码的源程序，名为CSTARTUP.A51,打开这个文件，可以看到如下代码：IDATALEN EQU 80H ; the length of IDATA memory in bytes. STARTUP1:IF IDATALEN 0MOV R0,#IDATALEN - 1CLR AIDATALOOP: MOV R0,ADJNZ R0,IDATALOOPENDIF可见，在执行到判断是否热启动的代码之前，起始代码已将所有内存单元清零。如何解决这个问题呢?好在启动代码是可以更改的，方法是：修改startup.a51源文件，然后用编译程序所附带的a51.exe程序对 startup.a51编译，得到startup.obj文件，然后用这段代码代替原来的起始代码。具体步骤是（设C源程序名为HOTSTART.C）：（1）修改startup.a51源文件(这个文件在C51LIB目录下)。 （2）执行如下命令：A51 startup.a51 得到startup.obj文件。将此文件拷入 HOTSTART.C所在目录。（3）将编好的C源程序用C51.EXE编译好，得到目标文件HOTSTART.OBJ。 （4）用 L51 HOTSTART, STARTUP.OBJ 命令连接，得到绝对目标文件HOTSTART。 （5）用 OHS51 HOTSTART 得到HOTSTART.HEX文件，即可。 对于startup.a51的修改，根据自已的需要进行，如将IDATALEN EQU 80H中的80H改为70H，就可以使6F到7F的16字节内存不被清零。 2、利用c语言直接调用EPROM中已固化的程序 我们以6位数码管显示的仿真机为例，来研究c语言，在内存DE00H处放显示子程序，只要将要显示的数放入显示缓冲区，然后调用这个子程序就可以使用了，汇编指令为:LCALL 0DEOOH，在用C语言编程时，如何实现这一功能呢?C语言中有指向函数的指针这一概念，可以利用这种指针来实现用函数指针调用函数。指向函数的指针变量的定义格式为：类型标识符 (*指针变量名)();在定义好指针后就可以给指针变量赋值，使其指向某个函数的开始存地址，然后用(*指针变量名)()即可调用这个函数。如下例：void main(void) void (*DispBuffer)(); /*定义指向函数指针*/DispBuffer=0xde00; /*赋值*/for(;) Key();DispBuffer(); 3、利用c语言将浮点数转化为字符数组 我们在编制应用程序时有这样的要求：将运算的结果（浮点数）存入EEPROM中。浮点数在C语言中是以IEEE格式存储的，一个浮点数占用四个字节，例如浮点数34.526存为（160，26，10，66）这四个数。要将一个浮点数存入EEPROM，实际上就是要存这四个数。那么如何在程序中得到一个浮点数的组成数呢？ 浮点数在存储时，是存储连续的字节中的，只要设法找到存储位置，就可以得到这些数了。可以定义一个void的指针，将此指针指向需要存储的浮点数，然后将此指针强制转化为char型，这样，利用指针就可以得到组成该浮点数的各个字节的值了。具体程序如下：#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid FtoC(void) float a;uchar i,*pxuchar x4; /*定义字符数组，准备存储浮点数的四个字节*、void *pf;px=x; /*px指针指向数组x*/pf=&a; /*void 型指针指向浮点数首地址*/a=34.526;for(i=0;i4;i+) *(px+i)=*(char *)pf+i); /*强制void 型指针转成char型,因为*/ /*void型指针不能运算*/如果已将数存入EEPROM，要将其取出合并，方法也是一样，可参考下面的程序。#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid CtoF(void) float a;uchar i,*pxuchar x4=56,180,150,73;void *pf;px=x;pf=&a;for(i=0;i4;i+) *(char *)pf+i)=*(px+i); （二）c语言在DSP系统中的应用长期以来，在DSP系统开发中，一直把汇编语言作为主要的开发工具；但汇编语言与自然语言差距很大，而且汇编语言是依赖于处理器的，不利于软件的可重复利用和系统的稳定性，程序不易移植，给开发工作带来了很大的困难。随着嵌入式系统复杂程度的不断提高，用汇编语言编写一个巨大的程度将是困难，甚至是不可能的。为此，我们可以在ADSP21XX系列DSP的嵌入式C集成开发工具，是VisualDSP系列，这些开发工具提供了C语言的开发功能。以下如何利用c语言来开发DSP系统。这里我们结合VisualDSP6.1版本，介绍用C语言开发ADSP21XX的方法。VisualDSP提供了一个开放源码软件组织GNU的C编译器，和一套成熟稳定的C运行时间库（C Run time Library）等。GNU的编译器一向以编译效率高著称，在编译后的代码长度和运行速度方面非常优秀；C运行时间库则把很多重复性的工作，如浮点运行、三角函数、FFT等作为C语言的库函数，提供给用户，大大提高了用户的开发效率和程序的稳定性，降低了开发难度，另外，由于把这些库函数的源代码提供给了用户，还提高了C语言与汇编语言之间的透明性，使用户开发的程序兼具两者的优点。1 、Visual DSP简介VisualDSP是AD公司的DSP开发工具，主要由可执行文件、库文件和各种帮助文档组成。6.1版本还带有一个基于图形界面，针对21XX系列DSP的软件仿真和调试工具。VisualDSP的可执行文件包括汇编、编译、链接工具以及可执行文件重新格式化工具等，见附表：附表 ：VisualDSP的可执行文件及用途序号可执行文件名用 途1Asmpp.exe*汇编预处理程序2Asm2.exe*21XX系列汇编程序的汇编程序3Asm21.exe21XX系列命令行汇编程序4Ld21.exe21XX系列链接工具5G21.exe基于GNU的21XX系列C编译器6Bld21.exe系统编译工具，产生相应于不同硬件体系的.ACH文件7Lib21.exe21XX系列的库管理工具8Hspl21.exe把21XX系列可执行文件变成HIP口可加载的格式9Spl21.exe把21XX系列可执行文件变成PROM可烧写的格式注：“*”代表该程序一般不单独使用，而由G21.exe或Asm21.exe调用。VisualDSP套件中的软件仿真调试工具DEBUGAPP，采用Windows图形界面，使用方便。它的主要特点是：可以仿真调试从ADSP21012189全系列的DSP；支持断点、单步、全速运行等各种常见调试方法；可以随时查询和修改DSP的程序RAM（PM）、数据RAM（DM）和各寄存器的内容；可以仿真中断，进行可执行程序性能评估（Profile），因此可以进行时序仿真。DEBUGAPP是调试程序和验证复杂算法的极好工具。VisualDSP6.1还提供了丰富的帮助文档，包括21XX系列的用户手册、汇编和C语言工具以及仿真调试程序的使用手册；还有C运行库的参考手册，列出了所有可用的C库函数。用C语言开发DSP的典型流程如图1所示。2、 C语言运行库结构C语言运行时间库是位于LIB目录下的*.a文件，是整个C开发工具的核心之一，提供了大量的可以直接调用的库函数。这些库函数的函数原型包含在INCLUDE目录下的头文件中。这些头文件有的还包含一些宏定义。另外，VisualDSP还把这些库函数的汇编语言源代码提供给出了用户，方便了用户从中提取有用的代码，甚至修改源代码，生成新的库，来适应自己的要求。利用LIB21程序，还可以把自己的常用汇编子程序做成库，或是将实时性要求较高的代码用汇编语言来写，做成库，供C语言程序调用。VisualDSP的C语言运行库由两部分组成：应用程序框架和预定义的各种库函数。不同的DSP型号有不同的硬件结构、中断向量表，所以对应的应用程序框架库也不同，相应的文件是21*_HDR.DSP.其中*代表不同的DSP型号。应用程序框架的主体是中断向量处理部分，把中断向量引到合适的地址。其中最重要的是对系统复位（RESET_VECTOR）的中断向量的处理：_Reset_vector：CALL_lib_setup_everything;CALL main_；JUMP_lib_prog_term;NOP；第一条指令是调用C库函数中的_ _lib_setup_everything函数作程序启动时的初始化工作。接下来，调用C语言程序中的main_函数，进入C程序的主体，也就是进入用户自己程序，开始正常工作。主程序结束后，再调用_lib_prog_term函数，作程序退出时的结尾工作。由于嵌入式系统的特性，系统绝大多数都在主程序运行时被继电了，所以_lib_prog_term得到执行的机会很小。其它的中断向量由C运行库来管理，汇编指令如下：_Interrupt2:JUMP_lib_int2_ctrl;NOP;NOP;NOP；其中的_lib_int2_crtl就是C语言库中控制INT2的函数。如果用户要使用该中断，应先把中断服务程序用一个C库函数Interrupt()把服务函数指针设定好，并打开相应的中断允许位，当该中断发生时，_lib_int2_ctr1函数就会控制DSP跳转到相应的指针位置。VisualDSP预定义的C语言库函数包括数学函数、FFT函数、ANSI标准内存管理和字符串管理函数的一个子集。所有的函数列表可参考VisualDSP的联机文档。这些库函数以二进制代码的形式，打包集合在lib*.a文件中，用户的C语言程序可以像使用自己的子程序一样方便地调用这些库函数。下面是调用库函数的一个例子：#include /包含所需的头文件float a,b,c; /定义所需的变量c=a*sin(b); /数学运算编译后产生的汇编源代码中有call sin_指令，就是调用sin库函数的汇编语言指令语句。从嵌入式开发的角度讲，VisualDSP的C语言工具已经提供了一个操作系统雏形的功能。在AD公司的ADMC系列DSP中，已经把这些库函数和一些电机控制专用的函数，以及程序加载功能，集成在了DSP的片内ROM中。3、 C语言与汇编语言混合编程方法DSP系统中，在控制程序运行的时间方面的特点是“实时性要求较高”，原来的技术是只能用汇编语言来实现，这里为了加强程序的可操作性，我们采用c语言和用汇编语言混合编程来实现。VisualDSP为用户提供了两种与汇编语言的接口方法：用ASM（）方法，直接嵌入汇编语言语句；用汇编语言编写子程序，供C语言程序调用。为了支持C语言与汇编程序程序的接口，VisualDSP预定义了诸如FUNCTION_ENTRY、EXIT、SAVE_REG、RESTORE_REG等13个宏。限于篇幅，不详细介绍其功能。使用这些宏以前，要包含asm_sprt.h头文件。（1） 使用ASM（）嵌入行的方法使用这一方法时，一定要注意各寄存器和堆栈当前的状态，以免破坏程序运行的环境，产生错误的结果。VisualDSP保留了一些内部寄存器供用户的汇编代码使用。用户可以自由地修改其内容，而不会对程序造成破坏。这些寄存器包括AR、AF、AY1、M5、11、16、MF、MR0等18个。如果不够用，可以用系统定义的宏save_reg和restore_reg保护现场，得到另外11个可用寄存器。另外要注意的是，在汇编语言中操作C语言中定义的变量时，要在变量名后加下划线。下面是一个嵌套汇编语言的例子：int img228; /定义C语言变量asm(ax0=0x5c;)asm(dm(ing228_)=ax0); /用汇编语言赋值要将Img228变成Img228_img228=0x5c; /直接用C语言赋值编译后的汇编语言代码是ax0=0x5c;dm(img228_)=ax0my1=92;dm(img228_)=my1;注意前者可能会破坏程序结构，因为它使用了未经保护的寄存器AX0；而由C语言产生的汇编代码，则会自动选择合适的临时寄存器MY1。（2）使用汇编子程序的方法使用汇编子程序是C语言程序与汇编语言接口的另一种方法。用户定义的子程序放在单独的汇编文件中，或是做成二进制的库文件，并将子程序的定义用GLOBEL输出，汇编后就可以供C语言程序调用。下面是一个不需要参数的子程序的例子：.MODULE/RAM_delay_;.external del_cycle； /声明del_cycle是外部变量.global delay; /声明delay为全局函数delay_:runction_entry; /子程序开始标志，必须有 ar=dm(del_cycle_);cntr=ar;do d_loop until ce;d_loop:nop;exit; /子程序结束标志， 必须有.ENDMOD；如果汇编语言子程序中用到了参数，情况就复杂些。子程序中的入口参数前两个一定要保存在AR、AY1中。如果参数多于两个就要把其余的放在堆栈中。所有子程序的第一个返回值放在AR中。如果返回值不止一个，就要用到变量型参数或者指针来获得取所有的返回值了。下面是一个有5个输入参数、1个返回值的子程序例子。add5_:function_entry;ar=ar+ay1; /前面的两个变量放在AR、AY1中readsfirst(ay1); /从程序堆栈中读取第三个变量ar=ar+ay1;ay1=readsnext; /从程序堆栈中读取第四个变量ar=ar+ay1；ay1=readsnext; /从程序堆栈中读取第五个变量ar=ar+ay1; /返回值放在AR中exit；注意其中的readsfirst和readsnext都是汇编语言接口宏。其功能是从堆栈中读取所有的参数。4、 C运行库的汇编源代码如果只用C语言来开发21XX程序，只要有C运行库的二进制版就够了。幸运的是，AD公司把所有C运行库的汇编源代码随VisualDSP提供给了用户，所以对那些用汇编语言开发的工程师来说，这些源代码也提供了很大的帮助。因此这代表很多功能的子程序不需要自己去编码、调试，用到某功能时只要把相应的汇编代码链接进自己的程序就可以。C运行库的源代码是扩展名为DSP的文本文件。基本上一个库函数对应一个文件，文件名就是函数名。比如说sin.dsp是正弦、余弦查找、使用都很方便，但是对于其中的交叉调用要注意。反过来，用户也可以把自己已经调试、验证过的汇编子程序，做成二进制库文件，供C程序调用，这样可以大大提高软件的可重复利用率。要制作二进制库文件，只要用lib21.exe工具处理就行了。注意，生成的二制库文件的名字必须以.a作为文件扩展名。我们在实际的开发中，会遇到这样的情况，自制的2181目标板上有一个自己开忍气吞声驻留程序，通过软件模拟的异步串口与PC通信，加载程序。但是这个驻留程序占据了00x500的空间，用户开发的程序只能加载到