第5章 单片机 C 语言基础(一)

5.1 进制转换基础知识

进制实际是一个非常简单易懂的概念，对于初学者来说也很容易上手。我们接触最多的就是十进制了，它的特点为逢十进一，包含 0，1，2，3，4，5，6，7，8，9 共十个元素。

在生活中我们用到的基本都是十进制了，所以大家对它已经非常熟悉并能应用自如，但是在计算机（包括单片机）世界里，所有都是以二进制为基础的。二进制的特点为逢二进一，包含0,1共两个元素。计算机中的数据都是以二进制存储的，这就是我们所说的 0，1世界。

通常我们讲的 32 位或 64 位操作系统这里的位指的就是二进制位数。因为我们实际多用十进制，那么我们在和计算机系统沟通过程中，十进制与二进制之间的转换就变得很重要了。进制之间的转换如下表所示。

表 5-1 常用进制转换表

二进制转换十进制公式如下：

其中，n表示二进制的位数。

下面我们举个例子来更加直观的说明这个公式：

例如： 0b 1101，这是一个4位的二进制数， 0b 表示二进制，计算如下：

大家可以利用这个公式计算的结果和表 4-1 进行一一对照。

十六进制也是我们常用的进制，它的特点为逢十六进一，包括 0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F 共十六个元素。实际上十六进制是二进制的一种特殊形式，十六进制的1位等价于二进制的4位，在C语言编程中我们常用十六进制来表示二进制数。在实际应用中我们常常在数字之前加一个前缀来表示他的进制：" 0b" 表示二进制， "0x" 表示十六进制。下面我们举例说明：

0b1001,0010 = 0x92

上面一个八位的二进制数转换为一个两位的十六进制数。二进制的前4位等于十六进制的第1位：

0b1001 = 0x9

二进制数的后4位等于十六进制的第2位：

0b0010 = 0x2

在计算机中，我们通常所说的二进制的1位也叫 1bit，8位表示1个字节，也叫 1Byte。根据二进制与十六机制的关系，一个2位的十六进制数则可表示1个字节。在运用的过程中牢记0~15 的十进制与二进制、十六进制之间的转换关系，对程序的编写有很大的好处。

5.2字节表示法

我们通常用下图所示的方式来表示1个字节，也就是 1Byte。8个连续的方框，每一个方框表示1位，即 1bit，总共 8bit 组成1个字节。从左往右，第一个方框表示字节的最高位，也称为 bit7,或者叫 MSB。最后一个方框表示字节的最低位，也称为 bit0，或者叫 LSB。方框内的值要么是0，要么是1。

图 5-1 字节表示法

注：MSB：Most Significant Bit， LSB：Least Significant Bit。

下面我们举两个例子，并熟悉一下进制之间的转换。1个字节能表示的最大值，自然是每一个方框中的值都为1，转换成十进制等于 255，十六进制表示为 0xFF。最小值能表示的自然是每个方框中的值都为0，如下图所示。

图 5-2 进制转换

上面这两个算是比较特殊的值，很容易记住，其他的值靠记忆似乎不太好办，我们可以利用电脑的计算器工具快速计算。例子如下：

图 5-3 进制转换实例

打开电脑计算器，选择程序员模式，输入数字可以在各个进制之间自由转换。

5.3简便转换法

记住 8 个数 128， 64， 32， 16，8，4， 2，1，分别对应 1Byte 中的 8个 位，二进制如果是 1，那么表示那个位上的值，如果为 0 那值就为 0，最后相加即是 10 进制。

例如 0b1001,0110 转换成 十进制

最后得出 128+16+4+2 = 150

二进制转十六进制记住 4 个数 8，4，2，1，将 8 位拆成两个 4 位，相加然后转换成 十六进制贴在一起即可：

9

6

最后得出：0x96

5.4数据存储方式

上一章的单片机内部结构讲到过程序存储器 Flash，他数据存储方式按照下面讲的方式存储。

图 5-4 单片机存储结构

如上图所示，存储器就是一个个字节叠加起来，类似于盖楼房。每一层表示一个字节，每一层给一个地址，相当于楼层号码一样。如上图所示，第一、二、三层的地址分别是 0x00， 0x01，0x02，一般情况下地址都是连续增加的。

因此，我们只要知道地址，就能找到指定的字节了，单片机正是通过地址来实现对存储器的读写的。例如，我们 STC89C52RC 单片机的程序存储器的大小为 8K 字节，也就是 8*1024=8192 个字节，每一个字节有一个地址，而且从 0 开始的话，那么它的地址范围为0~8191，转换为十六进制的话，地址范围为 0x00~0x1FFF。

现实中的硬盘，内存条的硬件内部的结构就如上图所示，只不过每一个方框就是一个晶体管，一个晶体管可以存储 0 或者 1，也就是 1bit。

接着上面的讲，一个晶体管能存储 1bit 的数据，也就是说芯片上集成的晶体管越多，能存储的数据就更大，运行的程序可以更复杂，某种意义上也就是芯片的运算能力越强了。所以，许多芯片或者手机厂商经常宣传说他的芯片有多少亿个晶体管，比同行性能强多少倍，就是这个道理。

另外一个就是芯片制造工艺，有的是 16 纳米，有的是5纳米，3纳米，这里的纳米指的就是能把晶体管做的多小，所以在相同面积的芯片上，3纳米工艺自然能比5纳米工艺多集成晶体管数量了。那5纳米工艺制造的手机芯片自然没有3纳米工艺制造的有竞争力了。

5.5 第一个C语言程序

C 语言是一种通用的、面向过程式的计算机程序设计语言。 1972 年，丹尼斯·里奇在贝尔电话实验室设计开发了 C 语言。

我们的第一个 C 语言程序的功能为：编写一个能够在桌面上显示 "Hello,World!" 的程序，通过这例子掌握 C 语言程序的基本结构。

5.5.1 C环境设置

想让C语言编写的程序能够正常运行，需要安装两种软件，分别为文本编辑器和C编译器，编译器的作用就是把我们写的 C 语言代码转成成计算机可识别的代码，相当于翻译员。

Window 自带文本编辑器，无需安装。 C 语言编译器我们使用 GCC + MinGW，软件可以从网络上下载或者在 Nebula-Pi 资料包获得，如下图所示：

图 5-5 编译器工具路径

将工具软件解压至电脑即可，无需安装！ 同时将 GCC、MinGW 的 bin 子目录到添加到您的 PATH 环境变量中，右键我的电脑，在"高级系统设置"中找到"系统属性"，添加步骤如下图所示。

图 5-6 添加环境变量

至此，工具软件准就绪了，打开 windows 系统命令提示符，输入 " gcc -v" 如下图所示，如果出现了 gcc 版本信息表明我们上面的操作无误。接下来开始撸第一段C语言代码了。

图 5-7 GCC 版本检查

5.5.2 编写第一段C代码

新建文本 hello.txt，并输入如下代码，存储为 hello.c，务必要将后缀改成.c

#include <stdio.h>

void main() {
    /* 第一段C语言代码 */
    printf("Hello, World! \n");
    // 返回
    return;
}

图 5-8 第一行 C 代码

代码很简单，总共只有 8 行，下面逐行进行解释：

a) 程序的第1行 #include <stdio.h> 是预处理器指令，告诉 C 编译器在实际编译之前要包含 stdio.h 文件。

b) 第2行 void main()为C语言的主函数，程序从这里开始执行。在整个代码中有且只能有一个 main() 函数，是程序的唯一入口，和第3行，第8行的"{ }"是一体的，所有代码放在这对双括号里面。

c) 第4行为注释，放置在/*...*/之间的内容会被编译器忽略，这就是注释内容，方便程序员看的。

d) 第5行 printf(...) 是 C 中另一个可用的函数，会在屏幕上显示消息 "Hello, World!"。

e) 第6行也是注释，放在 // 后面的内容会被编译器忽略，这个是单行注释，下一行的内容不会注释掉。

f) 第7行 return 为 C 语言关键字，表示 main() 函数运行结束。

g) 第5,7行语句后面都有一个分号，表明语句结束，C语言要求在每条语句之后添加";"。

h) 代码编写完成，下面编译并执行。

5.5.3 编译执行C代码

操作步骤如下：

a) 新建文本文件，添加上述代码；

b) 文件保存为 hello.c，一定要确保文件格式为 .c；

c) 打开系统命令提示符 CMD 窗口，并进入保存 hello.c 的目录下，切换目录可以使用 "cd /d +目录地址"；

d) 输入 gcc hello.c，按回车，开始编译代码；

e) 如代码编译成功，将会在目录下生产 a.exe 的可执行文件；

f) 命令行输入 a.exe，执行程序；

g) 屏幕将出现 "Hello World!" 字样，如下图所示。

图 5-9 第一行 C 代码执行结果

5.6 C 语言语法

通过上一节掌握 C 语言程序的基本结构，本节开始讲解 C 语言的基本语法。

5.6.1 标识符与关键字

标识符其实就是一个代号，就像人的名字一样。在 C 语言中，常量、变量、函数的名称都是标识符。

标识符可以根据你个人的喜好来决定，前提条件是必须遵守C语言的一些规则：

1. 标识符只能是由英文字母（A-Z， a-z），数字（0-9），下划线（_）组成的字符串，并且第一个字符不能是数字。除此之外的特殊字符如@，$等不能出现在标识符中，例子如下：

   // 定义了一个标识符，即名称为 LED_0 的整型变量
   int LED_0 ;
   

2. C语言区分大小写，下面表示两个不同的变量：

   //LED_0、led_0 为两个不同的变量
   int LED_0;
   int led_0;
   

3. 关键字不能作为标识符使用。

关键字是C语言程序中保留的一些字符串，有特定的用途，不能用来当做标识符。例如语句 "int for ;"是错误的，会在编译的时候报错。因为 for 是关键字，不能用来当做变量名。C语言关键字如下：

图 5-10 C语言关键字

上图为 32 个关键字，量不大，不用死记硬背，用多了自然能烂熟于胸。各个标识符功能介绍如下：

表 5-2 C语言关键字

5.6.2 常量与变量

在程序中有些数据是不需要改变的，我们把这些不需要改变的固定值称为常量。例如，我们前面程序用到的 "hello world!"就是一个字符串常量。常量的类型包括：整数常量、浮点数常量、字符常量、字符串常量。下面举例说明：

// 55 为整数常量
int  a = 55 ; 
// 1.23 为浮点数常量，即常说的小数
float  b = 1.23 ; 
// a 为字符常量，需把字符常量需放在单引号里面
char mychar = 'a'; 
// hello world 为字符串常量，需用双引号括起来
printf("hello world ");

有些特殊字符常量是无法通过字母来表示的，例如回车、换行等。C语言通过转义字符来实现，即反斜杠加字符的方式，例如'\n'，表示换行符。如果我们前面的 hello .c程序中想要把 hello 和 world 分别显示在两行，修改程序如下：

#include <stdio.h>

void main() {
    /* 第一段C语言代码 */
    printf("Hello\nWorld");  // \n表示换行
    // 返回
    return;
}

运行结果如下：

图 5-11 运行结果

常用转义字符列表如下：

表 5-3 C转义序列

单片机C编程中最常用的转义字符为换行符（\n）和回车符(\r)。

在C语言中最常用的常量定义法为使用关键字#define，我们通过一个计算圆的周长的例子来说明，编辑代码，存储为 perimeter.c，如下所示：

/*
程序功能：计算圆的周长
*/
#include <stdio.h>

// 定义两个常量 PI，R
#define PI 3.14
#define R 10

void main() {
    // 定义周长变量
    float L;
    // 周长计算公式：L = 2πr
    L = 2 * PI * R;
    // 显示结果
    printf("圆的周长为: %f", L);
    return;
}

图 5-12 使用 #define

运行结果如下：

图 5-13 define 使用试验

上述代码中第 6、7 行，我们用 #define 定义了两个常量 PI 和 R。定义完后，标识符 PI 就等于3.14，标识符 R 就等于 10，在程序中可以直接使用标识符进行运算，使用标识符能够直观的表示它具体代表什么意思，极大的减轻了程序员的负担。

程序中不能改变数据的称为常量，相对的，能改变的称为变量。变量用来存储程序运行过程产生的中间数据。这些数据实际是存储在内存当中的，变量的定义就是给这些内存取一个名字，编写程序的时候通过这个变量名就可以操作这些内存。变量定义的基本形式如下：

变量类型名 变量名；

举类说明如下：

int a;
char b;
float c;

定义了 int， char， float 三种类型的变量，变量名分别为 a，b，c。

变量定义的另一种形式：

变量类型名 变量名1，变量名2，变量名3；

类型相同的变量可放在同一行，变量名之间用逗号隔开，如下：

int a,b,c;
char d,e,f;

变量定义好之后，可以进行变量的初始化，格式如下：

变量名 = 值；

举例说明：

// 变量定义
int a;
char b;
float c;

// 变量赋值
a = 1;
b = 'x';
c = 1.23;

上述语句中，第 2-4 行是变量的定义，第 6-8 行为变量赋值：将1赋值给 int 类型的变量 a，执行完这条语句之后 a 就等于 1 了。字符x赋值给 char 类型变量 b，3.14 赋值给了 float 类型的变量 c。还可以在变量定义的时候直接赋值，即变量的初始化，格式如下：

变量类型名 变量名 = 值；

变量类型名 变量名1 = 值1，变量名2 = 值2，变量名3 = 值3......；

举例说明：

// 变量定义,并初始化
int a =1;
char b = 'x';
float c = 1.23, d=4.56, e=7.89;

值得注意的是，只有变量的数据类型相同时，才可以在同一行语句里进行初始化。

5.6.3 数据类型

前面我们定义了变量，那么变量在内存实际占用了多大空间呢？数据类型指定变量占用空间的大小。常用数据类型以及所占内存大小如下表所示：

表 5-4 数据类型

在单片机C语言编程中，上述代码中的 char， int 相当于表格中的 unsigned char， unsigned int 。表格中第 12-14 行为单片机特有的数据类型。 sbit 存储空间为 1bit，取值范围为 0 或者 1。

sfr 为特殊功能寄存器类型， 8bit，即一个字节，可表示的范围为 0-255。