單片機(jī)C語(yǔ)言編程的多位乘法運(yùn)算分析

劉國(guó)云

摘要：C語(yǔ)言作為一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，其不但具有高級(jí)語(yǔ)言的相關(guān)特點(diǎn)，還具有匯編語(yǔ)言的相關(guān)功能，其能夠直接對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件進(jìn)行很好的操作。C語(yǔ)言不但具備豐富的庫(kù)函數(shù)，還具有較強(qiáng)的功能性、較好的移植性、較快的運(yùn)算速度和較高的編譯效率，所以成了單片機(jī)系統(tǒng)最為常用的編程語(yǔ)言。在單片機(jī)性能不斷提高的情況下，C語(yǔ)言編程方法的應(yīng)用，成為開(kāi)發(fā)出優(yōu)秀單片機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵，同時(shí)對(duì)于編程者而言，C語(yǔ)言編程方法也具有十分重要的作用。對(duì)于單片機(jī)而言，在使用[C51]進(jìn)行多字節(jié)乘法運(yùn)算時(shí)，常常會(huì)忽略相應(yīng)的問(wèn)題。本作者對(duì)該問(wèn)題出現(xiàn)的原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的解決辦法。同時(shí)本文對(duì)單片機(jī)C語(yǔ)言的概念和特點(diǎn)進(jìn)行了概述，并對(duì)單片機(jī)C語(yǔ)言編程的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析，探討了單片機(jī)C語(yǔ)言編程的多位乘法運(yùn)算編程方法。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);C語(yǔ)言;編程;多位乘法運(yùn)算

中圖分類號(hào)：TP3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）24-0242-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

單片機(jī)作為一種典型的嵌入式微控制器，具有多種構(gòu)成組件，其整體相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，目前單片機(jī)已經(jīng)普遍應(yīng)用到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在工業(yè)領(lǐng)域中，單片機(jī)的應(yīng)用更為廣泛。在教育領(lǐng)域中，單片機(jī)也是相關(guān)專業(yè)必學(xué)的課程，其中就涉及較多的編程語(yǔ)言，在眾多的編程語(yǔ)言中，C語(yǔ)言成為單片機(jī)最重要的編程語(yǔ)言，在單片機(jī)系統(tǒng)中，常常會(huì)應(yīng)用到多種算法，而本文的研究主要在于單片機(jī)多位乘法的算法分析和編程方法。C語(yǔ)言作為一種重要的結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，具有較強(qiáng)的功能性、結(jié)構(gòu)性和較好移植性等特點(diǎn)，這也使得其成為單片機(jī)系統(tǒng)的編程語(yǔ)言。本文的研究中利用到了[C51]進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，其繼承了C語(yǔ)言強(qiáng)大的表達(dá)數(shù)據(jù)的能力，并且具有豐富的運(yùn)算符、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)學(xué)運(yùn)算庫(kù)函數(shù)，能夠方便解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

1 單片機(jī)C語(yǔ)言及特點(diǎn)概述

單片機(jī)C語(yǔ)言也具有高級(jí)語(yǔ)言的功能以及完善的模塊化程序結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)閱纹瑱C(jī)軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供有力的保障，對(duì)于C語(yǔ)言存在的編譯資源有限的情況，單片機(jī)C語(yǔ)言能夠很好地解決這類問(wèn)題。單片機(jī)C語(yǔ)言能夠提供較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，能夠極大增強(qiáng)相關(guān)程序的處理能力和靈活性，同時(shí)能夠有效利用單片機(jī)上有限的RAM資源空間，對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)性的處理，從而有效避免單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行期間出現(xiàn)非異步的破壞[1]。

單片機(jī)C語(yǔ)言能夠提供常用的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)，用戶可以進(jìn)行直接使用，相關(guān)程序員在進(jìn)行編程的時(shí)候，不需要仔細(xì)了解單片機(jī)的相關(guān)指令集，就可以編寫(xiě)出完美并符合硬件實(shí)際需求的單片機(jī)程序。使用單片機(jī)C語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫(xiě)，要比使用匯編語(yǔ)言方便得多，編程人員不需要與硬件進(jìn)行相應(yīng)的接觸，只需要考慮相應(yīng)的功能和算法，這就極大地減少了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和調(diào)試的時(shí)間。單片機(jī)C語(yǔ)言具有良好的程序結(jié)構(gòu)，非常適合于模塊化程序的設(shè)計(jì)，在進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)編程設(shè)計(jì)人員應(yīng)該盡可能地使用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，將單片機(jī)系統(tǒng)功能模塊化，通過(guò)使用不同的模塊來(lái)完成不同的功能，這樣能夠使得單片機(jī)系統(tǒng)具有十分清晰的程序結(jié)構(gòu)，也方便后期的調(diào)試和維護(hù)。對(duì)于不同功能的模塊而言，其具有相對(duì)應(yīng)的入口參數(shù)和出口參數(shù)，對(duì)于需要重復(fù)調(diào)用的程序可以將其編寫(xiě)成相應(yīng)的函數(shù)，這樣不但能夠減少程序代碼的長(zhǎng)度，同時(shí)也便于管理整個(gè)程序，增強(qiáng)程序的可讀性和移植性。

2 單片機(jī)C語(yǔ)言編程的優(yōu)點(diǎn)分析

2.1 單片機(jī)C語(yǔ)言的數(shù)據(jù)類型

單片機(jī)C語(yǔ)言編譯器能夠支持多種類型的數(shù)據(jù)，其相關(guān)的數(shù)據(jù)類型一般包括char類型、long長(zhǎng)整型、sft特殊功能寄存器、float浮點(diǎn)型以及int整型等等。使用sft特殊功能寄存器，能夠?qū)纹瑱C(jī)內(nèi)部的所有特殊功能寄存器進(jìn)行相應(yīng)的訪問(wèn)。單片機(jī)C語(yǔ)言編程一般與程序存儲(chǔ)器進(jìn)行結(jié)合，而程序的存儲(chǔ)器一般體現(xiàn)出單片機(jī)系統(tǒng)資源的有限性[2]。對(duì)于浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)而言，一般需要具有相應(yīng)的內(nèi)部程序或者函數(shù)進(jìn)行支持，但在一定程度上會(huì)生成較長(zhǎng)的代碼，因此在進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)程序的編寫(xiě)時(shí)，相關(guān)編程人員要盡可能多地使用char和int等數(shù)據(jù)類型，并且減少程序中使用到的數(shù)據(jù)類型，通過(guò)合理選擇應(yīng)用的數(shù)據(jù)類型，可以有效減少程序中生成的代碼長(zhǎng)度。

2.2 單片機(jī)C語(yǔ)言的算法描述

一般控制結(jié)構(gòu)和原操作構(gòu)成一個(gè)算法，兩者的綜合效果決定著該算法的執(zhí)行時(shí)間，對(duì)于同一個(gè)算法而言，如果相關(guān)編程語(yǔ)言的級(jí)別越高，那么其執(zhí)行的效率就越低。由于單片機(jī)資源存在的限制，單片機(jī)C語(yǔ)言不僅要考慮程序的相關(guān)具體功能，還要考慮程序代碼的長(zhǎng)度。程序的算法的長(zhǎng)度不是越短越好，這需要根據(jù)其調(diào)用的子程序和函數(shù)來(lái)決定，在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的時(shí)候，一般采取一些優(yōu)化算法以減少代碼的生成長(zhǎng)度。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的分配

對(duì)于單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器而言，其是由讀寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM組成，該存儲(chǔ)器可以進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)容，能夠?qū)?shí)時(shí)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。在存儲(chǔ)器的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該首先使用內(nèi)部的存儲(chǔ)器，單片機(jī)C語(yǔ)言采用的是存儲(chǔ)器的覆蓋技術(shù)，所以在進(jìn)行程序連接的時(shí)候，可以對(duì)存儲(chǔ)器空間的一些程序段進(jìn)行釋放，重新定義給另一個(gè)程序段使用。對(duì)于在程序開(kāi)始處就定義的全局變量，其作用域是整個(gè)程序，所以不能夠被釋放，同樣的對(duì)于靜態(tài)存儲(chǔ)變量，在程序運(yùn)行期間其存儲(chǔ)空間固定不變，其在函數(shù)的調(diào)用中具有專用性，所以也不能夠被釋放，能夠被釋放的只有局部變量中的動(dòng)態(tài)變量，所以在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的時(shí)候，要盡可能地使用局部變量。

2.4 單片機(jī)C語(yǔ)言的代碼優(yōu)化

存儲(chǔ)期一般包含三種不同的模式，其中SMALL是小模式，所有的變量都存儲(chǔ)在一定額地址范圍內(nèi)，該模式能夠?qū)⑺械淖兞慷x為data類型的內(nèi)存。不同的模式會(huì)對(duì)程序代碼的長(zhǎng)度和執(zhí)行的速度產(chǎn)生直接的影響，當(dāng)程序中需要應(yīng)用到較多的變量時(shí)，可以在存儲(chǔ)器空間中存放部分變量，使用編譯器對(duì)相關(guān)變量進(jìn)行定位后，可能會(huì)增加代碼的長(zhǎng)度，影響到程序的執(zhí)行效率，這時(shí)候就可以將很少訪問(wèn)的變量定義為xdata類型，并將其存放在外部的RAM中。

3 單片機(jī)C語(yǔ)言編程中多位乘法運(yùn)算分析

3.1 單片機(jī)C語(yǔ)言編程中多位乘法運(yùn)算問(wèn)題的提出

在[C51]編譯器中，其能夠直接支持不同數(shù)據(jù)類型的變量，比如bit類型、char類型等，而兩個(gè)unsigned char類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行相乘，也正好符合匯編指令中的“MUL AB”。使用[C51]進(jìn)行多位乘法運(yùn)算編程，在這個(gè)過(guò)程中只需要使用相應(yīng)的乘法表達(dá)式進(jìn)行編譯就行，只要通過(guò)相應(yīng)的編譯，[C51]就可以自動(dòng)尋找相應(yīng)的存儲(chǔ)器并且把運(yùn)行的結(jié)果存放在存儲(chǔ)器空間中[3]。所以在使用[C51]進(jìn)行乘法運(yùn)算的時(shí)候，編程人員只需要編寫(xiě)一個(gè)乘法表達(dá)式并且將乘積的結(jié)果賦值給一個(gè)存儲(chǔ)單元就可以，但是如果乘法運(yùn)算中的乘數(shù)不是unsigned char類型的變量，及時(shí)乘法表達(dá)式再簡(jiǎn)單，也需要調(diào)用[C51]中的庫(kù)函數(shù);而如果乘法運(yùn)算中的乘數(shù)是大于255的常量，[C51]就會(huì)將這個(gè)乘數(shù)以對(duì)應(yīng)的類型自動(dòng)存儲(chǔ)起來(lái)。對(duì)于大于255的常量而言，因?yàn)閡nsigned char類型的變量是8位的，所以其和其他類型的變量一樣需要調(diào)用[C51]的庫(kù)函數(shù)，所以在這種情況下，如果還是用乘法表達(dá)式進(jìn)行相應(yīng)的編譯，那么得到的運(yùn)算結(jié)果就有可能和實(shí)際的結(jié)果存在一定的差異。例如下面一段程序，其運(yùn)行之后的結(jié)果gg的值不等于[9?10000]所得的值。

#include

main（）

{

Unsigned char aa;

Unsigned long gg;

aa=9;

gg=（[aa?10000]）;? ?}

3.2 關(guān)于問(wèn)題的分析

在使用[C51]編譯器進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化處理時(shí)，往往希望用工作寄存器來(lái)存儲(chǔ)相應(yīng)的局部變量，按照[C51]的相關(guān)存儲(chǔ)規(guī)則，程序在執(zhí)行aa=9語(yǔ)句時(shí)，可以得到的結(jié)果為[R7=9]，在執(zhí)行[aa?10000]時(shí)，根據(jù)[C51]的要求，進(jìn)行算數(shù)運(yùn)算的數(shù)據(jù)類型需要相同時(shí)，該語(yǔ)句中的10000的存儲(chǔ)方式是以兩個(gè)字節(jié)的unsigned char方式存儲(chǔ)的，這就需要將aa的儲(chǔ)存進(jìn)行擴(kuò)展為兩個(gè)字節(jié)的unsigned char方式。所以[C51]在使用兩個(gè)寄存器對(duì)[aa=9]進(jìn)行儲(chǔ)存時(shí)，需要先存儲(chǔ)低字節(jié)，然后再存儲(chǔ)高字節(jié)，這就使得在執(zhí)行[aa?10000]時(shí)，乘法運(yùn)算就變成了兩個(gè)雙字節(jié)數(shù)相乘，按照[C51]的運(yùn)算規(guī)則，改程序的代碼會(huì)少一次運(yùn)算，其中有數(shù)據(jù)沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的乘法運(yùn)算，而且在執(zhí)行的過(guò)程中，沒(méi)有把經(jīng)過(guò)第三次運(yùn)算得到的結(jié)果的高8位進(jìn)行儲(chǔ)存，而運(yùn)算結(jié)果的低8位存放在[R7]，而次低8位存放在[R6]，所有得到的運(yùn)算結(jié)果就會(huì)不正確。

3.3 相應(yīng)的優(yōu)化方案

針對(duì)上述提到的關(guān)于乘法運(yùn)算的問(wèn)題，本文提出了幾種進(jìn)行優(yōu)化的算法，其包括引入中間變量法、分布運(yùn)算法以及強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換法。

3.3.1 引入中間變量法

在進(jìn)行乘法運(yùn)算的過(guò)程中，可以通過(guò)增加一個(gè)中間變量來(lái)對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化，但對(duì)于這個(gè)中間變量而言，其數(shù)據(jù)類型必須要能夠存儲(chǔ)相乘之后的得到的結(jié)果，上述中的程序就可以改寫(xiě)為：

#include

Main（）

{

Unsigned char aa;

Unsigned long gg，bb;

aa=9;

bb=10000;

gg=（aa*bb）;? ?}

從該程序中就可以發(fā)現(xiàn)，程序中的aa是char類型，而bb是long類型，按照[C51]的相關(guān)運(yùn)算規(guī)則，aa的數(shù)據(jù)類型先改變?yōu)榕clong一樣的，那運(yùn)行的結(jié)果也是long類型的，而且[C51]能夠?qū)9?10000]這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)，運(yùn)行結(jié)果就不會(huì)出錯(cuò)。

3.3.2 分布運(yùn)算法

除了上述算法外，編程人員也可以使用分布運(yùn)算法進(jìn)行優(yōu)化，可以將一個(gè)16位的數(shù)據(jù)分成兩個(gè)數(shù)據(jù)的乘積，而對(duì)于這兩個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，其都是8位數(shù)，結(jié)果儲(chǔ)存在能夠進(jìn)行存儲(chǔ)相乘之后得到的結(jié)果的儲(chǔ)存單元中，最上面的程序就可以改為：

#include

Main（）

{

Unsigned char aa;

Unsigned long gg;

aa=9;

gg=（aa*100）;

gg=100;? ?}

通過(guò)對(duì)該程序進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行修正后的程序運(yùn)算的得到的結(jié)果為long類型，并且可以對(duì)[9?10000]這個(gè)數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，所以最后的運(yùn)算結(jié)果也是正確的。

3.3.3 強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換法

在[C51]編譯器中，強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換運(yùn)算符可以使用“（）”表示，其作用就是將相關(guān)表達(dá)式或者標(biāo)量的類型進(jìn)行強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為所需要的類型，在[C51]中一般存在隱式轉(zhuǎn)換和顯式轉(zhuǎn)換兩種轉(zhuǎn)換方式。在使用隱式轉(zhuǎn)換式對(duì)程序進(jìn)行編譯時(shí)，編譯器能夠進(jìn)行自動(dòng)處理，但在本文的研究中運(yùn)用的是顯示類型轉(zhuǎn)換方式，使用該方法將aa強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成可以進(jìn)行存儲(chǔ)運(yùn)算結(jié)果的類型，那么最上面的程序就可以改為：

#include

Main（）

{

Unsigned char aa;

Unsigned long gg;

aa=9;

gg=（（unsigned long）aa）*10000;? ?}

在該程序中，aa轉(zhuǎn)換成了可以存儲(chǔ)[9?10000]的數(shù)據(jù)類型，所以得到的結(jié)果也是正確的。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，C語(yǔ)言作為一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，成為單片機(jī)最重要的編程語(yǔ)言，單片機(jī)C語(yǔ)言也具有高級(jí)語(yǔ)言的功能以及完善的模塊化程序結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)閱纹瑱C(jī)軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供有力的保障。在單片機(jī)系統(tǒng)中，常常會(huì)涉及多種算法，而本文研究主要是單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中的多位乘法的相關(guān)算法，并對(duì)多位乘法運(yùn)算中存在的問(wèn)題以及解決方法進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 嚴(yán)克劍，張淼，黃先偉.單片機(jī)C語(yǔ)言編程中多位乘法運(yùn)算問(wèn)題探討[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（4）：23-26.

[2] 譚炳菊，富鈺.單片機(jī)C語(yǔ)言編程方法探討[J].遼寧高職學(xué)報(bào)，2010，12（4）：43-44.

[3] 黃皎，劉建國(guó)，高敏.單片機(jī)C語(yǔ)言編程應(yīng)注意的若干問(wèn)題[J].微計(jì)算機(jī)信息，2003（7）：58-59.

【通聯(lián)編輯：張薇】