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
| 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 |
| 5 | 0b101 | 0x05 |
| 6 | 0b110 | 0x06 |
| 7 | 0b111 | 0x07 |
| 8 | 0b1000 | 0x08 |
| 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 |
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
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 128 | 0 | 0 | 16 | 0 | 4 | 2 | 0 |
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：
| 1 | 0 | 0 | 1 |
|---|---|---|---|
| 8 | 0 | 0 | 1 |
9
| 0 | 1 | 1 | 0 |
|---|---|---|---|
| 0 | 4 | 2 | 0 |
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：
-
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 ; -
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; -
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
| 序号 | 标识符 | 功能 |
|---|---|---|
| 1. | int | 声明整型变量或函数 |
| 2. | float | 声明浮点型变量或函数返回值类型 |
| 3. | double | 声明双精度浮点型变量或函数返回值类型 |
| 4. | char | 声明字符型变量或函数返回值类型 |
| 5. | short | 声明短整型变量或函数 |
| 6. | long | 声明长整型变量或函数返回值类型 |
| 7. | signed | 声明有符号类型变量或函数 |
| 8. | unsigned | 声明无符号类型变量或函数 |
| 9. | if | 条件语句 |
| 10. | else | 条件语句否定分支（与 if 连用） |
| 11. | switch | 开关语句分支 |
| 12. | case | 开关语句分支 |
| 13. | default | 开关语句中的"其它"分支 |
| 14. | for | 一种循环语句 |
| 15. | while | 循环语句的循环条件 |
| 16. | do | 循环语句的循环体 |
| 17. | break | 跳出当前循环 |
| 18. | continue | 结束当前循环，开始下一轮循环 |
| 19. | return | 子程序返回语句（可以带参数，也可不带参数） |
| 20. | void | 声明函数无返回值或无参数，声明无类型指针 |
| 21. | const | 定义常量，如果一个变量被 const 修饰，那么它的值就不能再被改变 |
| 22. | sizeof | 计算数据类型或变量长度（即所占字节数） |
| 23. | struct | 声明结构体类型 |
| 24. | typedef | 用以给数据类型取别名 |
| 25. | static | 声明静态变量 |
| 26. | extern | 声明变量或函数是在其它文件或本文件的其他位置定义 |
| 27. | auto | 声明自动变量 |
| 28. | register | 声明寄存器变量 |
| 29. | enum | 声明枚举类型 |
| 30. | goto | 无条件跳转语句 |
| 31. | union | 声明共用体类型 |
| 32. | volatile | 说明变量在程序执行中可被隐含地改变 |
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("HellonWorld"); // 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
| 序号 | 转义序列 | 含义 |
|---|---|---|
| 1. | \n | 换行符 |
| 2. | \r | 回车符 |
| 3. | \b | 退格符 |
| 4. | \ | \ 字符 |
| 5. | ' | ' 字符 |
| 6. | " | " 字符 |
| 7. | \a | 警报铃声 |
| 8. | \f | 换页符 |
| 9. | \t | 水平制表符 |
| 10. | \v | 垂直制表符 |
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
| 序号 | 数据类型 | 位数 | 占内存字节数 | 十进制取值范围 |
|---|---|---|---|---|
| 1. | bit | 1 | 0~1 | |
| 2. | signed char | 8 | 1 | -128~127 |
| 3. | unsigned char | 8 | 1 | 0~255 |
| 4. | enum | 16 | 2 | -32768~32767 |
| 5. | signed short | 16 | 2 | -32768~32767 |
| 6. | unsigned short | 16 | 2 | 0~65535 |
| 7. | signed int | 16 | 2 | -32768~32767 |
| 8. | unsigned int | 16 | 2 | 0~65535 |
| 9. | signed long | 32 | 4 | -2147483648~2147483648 |
| 10. | unsigned long | 32 | 4 | 0~4294967295 |
| 11. | float | 32 | 4 | 0.175494E-38~0.402823E+38 |
| 12. | sbit | 1 | 0~1 | |
| 13. | sfr | 8 | 1 | 0~255 |
| 14. | sfr16 | 16 | 2 | 0~65535 |
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。