引言
8051內(nèi)核單片機是一種通用單片機，在國內(nèi)占有較大的市場份額。在將C語言用于51內(nèi)核單片機的研究方面，Keil公司做得最為成功。由于51內(nèi)核單片機的存儲結(jié)構(gòu)的特殊性，Keil C51中變量的使用與標準C有所不同。正確地使用變量，有利于獲得高效的目標代碼。下面詳細介紹Keil C51中變量的使用方法。
1 CPU存儲結(jié)構(gòu)與變量的關(guān)系
變量都需要有存儲空間，存儲空間的不同使得變量使用時的工作效率也不同。
標準C的典型運行環(huán)境是8086(含IA-32系列)內(nèi)核，其存儲結(jié)構(gòu)是CPU內(nèi)部有寄存器，外部有存儲器，寄存器的訪問速度大大高于存儲器的訪問速度。在標準C中，不加特別定義的變量是放在存儲器中的，使用register可以強制變量存儲在寄存器中，對于使用特別頻繁且數(shù)量不多的變量可以選用這種存儲模式，以獲得更高的工作效率。
相比之下，51內(nèi)核單片機的存儲結(jié)構(gòu)則顯得有些怪異，它的存儲空間有3個：程序存儲器空間(64 KB含片內(nèi)、片外)、片外數(shù)據(jù)存儲器空間(64KB)、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器及特殊功能寄存器空間。它沒有真正意義上的寄存器，它的寄存器其實是片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器(如R0～R7)和特殊功能寄存器(如A、B等)中的一部分。因此，在Keil C51中使用變量就和標準C有很大不同。
2 Keil C51變量分析
Keil C51支持標準C原有的大多數(shù)變量類型，但為這些變量新增了多種存儲類型，也新增了一些標準C沒有的變量。
2．1 Keil C51新增的變量存儲類型
Keil C51中定義變量的格式如下：
[存儲種類]數(shù)據(jù)類型[存儲類型]變量名表；
其中，[存儲類型]是標準C中沒有的，[存儲類型]共有6種，分別介紹如下：
①data。將變量存儲在片內(nèi)可直接尋址的數(shù)據(jù)存儲器中。使用這種存儲模式，目標代碼中對變量的訪問速度最快。
②bdata。將變量存儲在片內(nèi)可位尋址的數(shù)據(jù)存儲器中。在目標代碼中變量可以方便地進行位處理，在不進行位處理時與data相同。
③idata。將變量存儲在片內(nèi)間接尋址的數(shù)據(jù)存儲器中。在52內(nèi)核中，當片內(nèi)直接尋址數(shù)據(jù)存儲器不夠用時，可以使用128字節(jié)間接尋址數(shù)據(jù)存儲器，訪問速度一般較data要慢一些，但具有最大的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間；在51內(nèi)核中因無單獨的間接尋址數(shù)據(jù)存儲器區(qū)，idata與data無區(qū)別。
④xdata。將變量存儲在片外數(shù)據(jù)存儲器中。目標代碼中只能使用“MOVX A，@DPTR”和“MOVX@DPTR，A”指令訪問變量，訪問速度最慢，但存儲空間最大(64KB)。
⑤pdata。將變量存儲在片外數(shù)據(jù)存儲器中的第一頁(00H～FFH)中。目標代碼中可以使用“MOVX A，@Ri”和“MOVX@Ri，A”指令訪問變量，訪問速度與xdata相同，存儲空間為256字節(jié)。
⑥code。將變量存儲在程序存儲器中。目標代碼中只能使用MOVC指令訪問變量，因變量存儲在程序存儲器中，具有非易失性且為只讀。
2．2 Keil C51新增的指針變量存儲類型
Keil C51中的指針變量形式如下：
數(shù)據(jù)類型[數(shù)據(jù)存儲類型]*[指針存儲類型]標識符；
其中，[數(shù)據(jù)存儲類型]和[指針存儲類型]都是標準C中沒有的。[數(shù)據(jù)存儲類型]定義數(shù)據(jù)(即尋址對象)存儲的空間，[指針存儲類型]定義指針自身存儲的空間。若不使用[數(shù)據(jù)存儲類型]，則指針為一般指針，占用3個字節(jié)；若使用[數(shù)據(jù)存儲類型]則指針為基于存儲器的指針，占用1～2個字節(jié)。
2．3 Keil C51新增的變量類型
bit：位變量。存儲在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的可位尋址字節(jié)(20H～2FH)的某個位上，這個變量在實時控制中具有很高的實用價值。
sfr：特殊功能寄存器變量。存儲在片內(nèi)特殊功能寄存器中，用來對特殊功能寄存器進行讀寫操作。
sbit：特殊功能寄存器位變量。存儲在片內(nèi)特殊功能寄存器的可位尋址字節(jié)(地址可以被8整除者)的某個位上，用來對特殊功能寄存器的可位尋址位進行讀寫操作。
sbitl6：16位特殊功能寄存器變量。存儲在片內(nèi)特殊功能寄存器的連續(xù)2個字節(jié)的低地址上，這個變量類型很少使用。
以上這些Keil C51中新增的變量類型，不支持數(shù)組和指針操作。
3 Keil C51中使用變量存儲模式的必要性
在Keil C51中，變量的存儲模式是一個可選項，如果不使用這個選項，則Keil C51在編譯時自動進行優(yōu)選分配。但這種處理方法有以下缺點：
①系統(tǒng)不知道各種變量的使用頻度，有可能對使用頻度高的變量使用了訪問速度慢的片外存儲方式，而對使用頻高的變量使用了片內(nèi)存儲方式，使得程序的運行效率降低；
②在使用指針尋址時，由于不知道尋址對象的存儲方式，只好使用一般指針，在Keil C51中一般指針要多占用1～2個字節(jié)，并且使用時還要對存儲方式進行判斷，增加了尋址操作時間。
如果能夠在定義變量的同時定義其存儲類型，可以高效地使用51內(nèi)核單片機的存儲空間，獲得高質(zhì)量的目標代碼。
4 Keil C51變量的使用方法
4．1 全局變量和靜態(tài)局部變量
全局變量一般會在多個函數(shù)中被使用，并在整個程序運行期間內(nèi)有效，靜態(tài)局部變量雖然只在一個函數(shù)中使用，但也是在整個程序運行期間有效。對于這些變量，應盡量選擇data型，這樣在目標代碼中就可以用直接尋址指令訪問，獲得最高的訪問速度，提高程序的工作效率。例如一個保存人數(shù)的全局變量n_g，在多個函數(shù)中都被經(jīng)常用到，可以這樣定義：
unsigned int data n_g；／／對n_g賦值時使用“MOV XXH，……”指令
4．2 數(shù)組(包括全局和局部)
定義數(shù)組一般用idata存儲類型，在目標代碼中使用“MOV@Ri”指令進行間接尋址。如果因數(shù)組元素過多而在編譯時報錯，可以改用pdata和xdata存儲類型。
數(shù)組定義為data存儲類型意義不大，因為既然使用數(shù)組，就是希望能夠根據(jù)某一自變量訪問數(shù)組元素。如定義X[100]，一般都是為了能夠使用X[i](i是一個變量)來訪問，這樣在目標代碼中就必須使用問接尋址，所以數(shù)組沒有必要使用data存儲類型，即便使用了data存儲類型，在目標代碼中也仍然要用間接尋址指令。數(shù)組定義成idata存儲類型，在使用52內(nèi)核且片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器不夠時，會使用只能間接尋址的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲空間。這樣，既不能降低處理速度，又擴大了可使用的存儲空間。
4．3 供查表用的數(shù)據(jù)
這類數(shù)據(jù)的特點是需要始終保持不變，且使用時只讀，因此應定義為code型。例如一個字形表：
全局或局部code型變量在存儲時無區(qū)別。
4．4 非靜態(tài)局部變量
非靜態(tài)局部變量僅在某一函數(shù)內(nèi)使用，退出該函數(shù)時變量也被釋放。
若系統(tǒng)使用small存儲模式，對于這些變量可以不加存儲說明，由編譯軟件自行按最優(yōu)原則決定，因為僅在函數(shù)內(nèi)使用的非靜態(tài)局部變量，有可能使用工作寄存器R0～R7，這樣會更快速和更節(jié)省存儲空間。例如：
unsigned char i，j； ／／系統(tǒng)盡可能會用R0～R7存儲i和j
若系統(tǒng)使用了compact或large存儲模式，則應將這些變量定義為data存儲模式，以防系統(tǒng)自行決定時被定義為pdagta或xdata模式而降低工作效率。
4．5 指針
如前所述，定義指針變量時有2個存儲類型：數(shù)據(jù)存儲類型，說明被尋址對象的存儲類型；指針存儲類型，說明指針自身的存儲類型。當數(shù)據(jù)存儲類型為xdata時，指針自身占用2個字節(jié)；當數(shù)據(jù)存儲類型為pdata以及idata等片內(nèi)存儲類型時，指針自身占用1個字節(jié)；若不說明數(shù)據(jù)存儲類型，指針自身就要占用3個字節(jié)。因此，在KeilC51中使用指針時，應盡量定義數(shù)據(jù)存儲類型，但要特別注意指針中的數(shù)據(jù)存儲類型與被尋址對象的存儲類型必須一致。指針都是頻繁使用的，它要不斷被設置、修改和使用，因此它自身的存儲類型應選擇data型。例如定義一個數(shù)組時就同時定義其存儲類型，以后用指針對其尋址時就將數(shù)組的存儲類型添加到指針的數(shù)據(jù)類型中。方法如下：
4．6 二義性變量
在標準C中如果要使用一個二義性變量，只能用枚舉類型。如：
以上程序在Keil C51中使用時，變量t雖然僅有0和1兩種狀態(tài)，但在目標代碼中仍占用一個字節(jié)。此處理方法既浪費存儲資源，又延長了處理時間，這對于8086內(nèi)核算不上多大問題，但在資源有限、運行速度不高的51內(nèi)核中就不能不考慮了。在Keil C51中可使用以下方法：
這兩種方式效果是完全相同的，但在目標代碼中變量t僅占用1位(即1／8字節(jié))，而且因為51內(nèi)核單片機指令系統(tǒng)中有位處理指令，生成的目標代碼占用內(nèi)存少、運行速度快。
4．7 特殊功能寄存器變量(包括位變量)
特殊功能寄存器中，累加器A、寄存器B、堆棧指針SP和數(shù)據(jù)指針DPTR是歸系統(tǒng)使用的，在C51中不提供給用戶。其他的特殊功能寄存器都可以用sfr定義成變量，其中地址可以被8整除者的各位，還可以用bsfr定義成位變量。訪問這些變量，就可以對特殊功能寄存器及其可以位尋址的各位進行讀寫，達到操作單片機內(nèi)部各硬件的目的。對于標準的51內(nèi)核單片機，頭文件reg51．h、reg52．h或其他頭文件中已對這些特殊功能寄存器變量作了定義，用戶可以用#include將此頭文件包含進來，然后就可以使用了。現(xiàn)在很多51內(nèi)核兼容型單片機擴展了更多的特殊功能寄存器，這些就需要用戶自行定義，具體方法可參考器件的使用說明。
4．8 外部數(shù)據(jù)存儲器變量
若設置成pdata和xdata存儲類型，將把變量存儲在片外數(shù)據(jù)存儲器中。這兩種存儲類型的訪問速度最慢，非迫不得已不要使用。在使用這兩種存儲類型時，注意盡量只用它保存原始數(shù)據(jù)或最終結(jié)果，盡量減少對其訪問的次數(shù)，需要頻繁訪問的中間結(jié)果不要用它。
4．9 用外部數(shù)據(jù)存儲器地址擴展的其他硬件
在單片機外部擴展的其他硬件，一般都借用外部數(shù)據(jù)存儲器地址，表現(xiàn)為外部數(shù)據(jù)存儲器單元形式。對于這些硬件，可以用指針進行讀寫操作。例如：
結(jié)語
Keil C51中的變量增加了存儲類型，在使用時而顯得比標準C稍微復雜。在Keil C51中，變量的存儲類型不同，訪問變量所需要的時間也不同，由于C51內(nèi)核單片機資源少、速度慢，變量存儲類型對系統(tǒng)工作速度的影響不可忽視。在了解變量與單片機存儲結(jié)構(gòu)關(guān)系的基礎上，根據(jù)程序?qū)ψ兞康氖褂靡螅侠淼剡x擇變量的存儲類型，可以在相同的硬件上獲得更高的工作效率。