基于C51優(yōu)化的單片機(jī)教學(xué)的研究

摘要：單片機(jī)的內(nèi)容繁雜而抽象，需要大量的實(shí)踐訓(xùn)練才能掌握。但是，由于學(xué)生缺乏編程的實(shí)戰(zhàn)能力，實(shí)踐舉步維艱。針對該難題，提出全面采用C51開展教學(xué)的解決思路，并就C51的教學(xué)內(nèi)容、性能、面向硬件等方面的優(yōu)化進(jìn)行了探討。實(shí)踐表明，基于C51優(yōu)化開展教學(xué)，能夠幫助學(xué)生更好更快的掌握編寫高效、實(shí)用程序的方法，為項(xiàng)目超市的實(shí)踐訓(xùn)練提供堅(jiān)實(shí)保障。

關(guān)鍵詞：C51單片機(jī)優(yōu)化性能項(xiàng)目超市

[中圖分類號]G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

0.前言

單片機(jī)具有實(shí)踐性強(qiáng)、軟硬兼施的鮮明特點(diǎn)，造成“難學(xué)、難教”的困境，畢業(yè)生難以滿足用人單位的需求[1]。針對單片機(jī)特別強(qiáng)調(diào)動手實(shí)踐的特點(diǎn)，應(yīng)該設(shè)計(jì)覆蓋知識點(diǎn)較為齊全的項(xiàng)目案例組成項(xiàng)目超市，為學(xué)生提供充足的實(shí)踐訓(xùn)練的機(jī)會。但是，大部分學(xué)生所學(xué)的C語言只是應(yīng)付計(jì)算機(jī)等級考試的技巧，缺乏真正的編程能力，在項(xiàng)目超市的實(shí)踐訓(xùn)練中舉步維艱。因此，要使得實(shí)踐順利開展，首先就要加強(qiáng)學(xué)生的編程能力。

1.全面采用C51開展教學(xué)

目前國內(nèi)高校的單片機(jī)教學(xué)基本上為51[2]，而各種單片機(jī)的原理和學(xué)習(xí)方法大同小異，因此下面以51為例展開討論。51的編程語言主要有2種，也就是匯編語言和C語言版本的C51。其中，匯編語言是用文字助記符來表示機(jī)器碼的語言，具有面向硬件、占用體積小、執(zhí)行速度快的優(yōu)勢。但是，匯編語言的學(xué)習(xí)門檻較高，非專業(yè)人員不易涉足，學(xué)生難以在短時間內(nèi)熟練掌握[3]。現(xiàn)在，C51的性能、體積已經(jīng)接近匯編[4]，網(wǎng)上的資源日趨豐富。因此，不能拘泥于傳統(tǒng)教材，而應(yīng)該與時俱進(jìn)、全面采用C51開展教學(xué)，從而降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)習(xí)效率。當(dāng)然，傳統(tǒng)的C語言與單片機(jī)存在較大脫節(jié)的現(xiàn)象[5]。C51面向的是單片機(jī)，有其獨(dú)特之處，因此需要在教學(xué)中特別注意優(yōu)化的問題。

2.對C51內(nèi)容的優(yōu)化

C語言的內(nèi)容很多，如果按照C語言的模式學(xué)習(xí)C51，會花費(fèi)太多時間。實(shí)際上，單片機(jī)設(shè)計(jì)中只需要其中的一小部分知識，因此需要對內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。從實(shí)際應(yīng)用來看，C51最關(guān)鍵的內(nèi)容有如下幾點(diǎn)：常量，變量，數(shù)組，if，for，while。只要抓住這幾點(diǎn)，大部分的C51程序都能迎刃而解。通過內(nèi)容精簡，極大減輕教學(xué)負(fù)擔(dān)，使得學(xué)生能夠更好更快的學(xué)習(xí)如何圍繞硬件進(jìn)行編程。從時間看，這幾點(diǎn)內(nèi)容所需花費(fèi)的時間較少，極大縮短了學(xué)習(xí)周期。從難度看，這幾點(diǎn)均為基礎(chǔ)內(nèi)容，有效的降低了C51的進(jìn)入門檻。至于那些較為復(fù)雜的內(nèi)容，完全可以通過其他技術(shù)替代。例如，指針功能強(qiáng)大，但是學(xué)生不易理解，使用也容易出錯，普遍對其有抵觸情緒。此時，改為數(shù)組實(shí)現(xiàn)就能較好的解決這個難題。

3.對C51運(yùn)行性能的優(yōu)化

在計(jì)算機(jī)中，用戶很難感覺出1us和1ms的速度差異。但是，在單片機(jī)中，控制時序相差一兩個us就有可能造成系統(tǒng)無法正常工作。不少老師沿用面向計(jì)算機(jī)的方法去教，學(xué)生也沿用傳統(tǒng)C語言的方法去學(xué)，存在很大問題。因此，在教學(xué)中需要特別注意性能優(yōu)化。

3.1 盡量采用char，少用int

C語言最常用的變量類型是int，學(xué)生們也習(xí)慣了這個用法。但是，51是8位的，使用16位的int性能很低。此時，應(yīng)該盡量使用char。下面分別編寫了兩段小代碼，其中無符號int和char分別用了ui和uc的宏定義。

代碼1：uc i，j； for（i=250；i>0；i--）{for（j=250；j>0；j--）；}

代碼2：ui k； for（k=62500；k>0；k--）；

兩段代碼都實(shí)現(xiàn)了62500次的循環(huán)，其中后者的寫法更為簡潔。進(jìn)入Keil C51，設(shè)置單片機(jī)為12MHz的AT89S52，編寫程序，編譯和調(diào)試后，發(fā)現(xiàn)兩段代碼初始化的時間都是389us。但是，它們的結(jié)束時間并不一樣。其中，char代碼所消耗的運(yùn)行時間為126140-389=125，735us，而int代碼為500635-389=500，246us，兩者相差3.98倍，如圖1所示。由此可見，沿用int并不是一個好習(xí)慣。

圖1兩段代碼的運(yùn)行時間比較3.2 盡量采用i--，少用i++

學(xué)生們素聞C++的大名，也習(xí)慣了i++的寫法，對i--不以為然甚至覺得多余。但是，在C51中情況發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。

代碼3：uc i，j； for（i=0；i<250；i++）{for（j=0；j<250；j++）；}

該代碼的運(yùn)行時間為188，752us，約為i--的1.5倍。代碼1和代碼3都是char，為什么還會出現(xiàn)如此明顯的差距呢？關(guān)鍵就在于51單片機(jī)的DJNZ指令能夠?qū)崿F(xiàn)減1并判斷是否為0。而i++需要對累加器A預(yù)處理，然后通過INC和CJNE兩條指令才能完成。對于這個知識點(diǎn)，如果學(xué)生基礎(chǔ)一般，可以一筆帶過；如果學(xué)生興趣濃厚，則可以引導(dǎo)他們深入學(xué)習(xí)51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和指令集，使得學(xué)生的理解更加透徹。

3.3 盡量采用for，少用while

for和while都是C語言中的經(jīng)典循環(huán)結(jié)構(gòu)。其中，while更加簡潔和易用。下面定義了兩段功能相同的代碼。

代碼4：for（i=255；i>0；i--）；

代碼5：i=255； while（k--）；

測試結(jié)果顯示，while所消耗的時間為for的3倍多。因此，應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生盡量使用for。

以上是典型的性能優(yōu)化問題，此外還有多用移位少用乘除法、多用if少用switch等。

4.對C51進(jìn)行面向硬件的優(yōu)化

單片機(jī)的RAM和ROM一般處于幾百B、幾十KB級別，硬件資源相當(dāng)有限。因此，教學(xué)時必須注意面向硬件的優(yōu)化。①盡量采用small的內(nèi)存模式。單片機(jī)有small、compact、large共3種內(nèi)存模式，分別指向片內(nèi)RAM、片外8位RAM、片外16位RAM，其容量由小到大，其速度由快到慢。②盡量減少變量，盡量采用局部變量以增加內(nèi)存單元的利用率。③盡量優(yōu)化代碼結(jié)構(gòu)，減少對ROM的占用。例如，從圖1的指令可以看出代碼1占用8B，代碼2占用14B，存在較大差別。④充分利用IO引腳并進(jìn)行擴(kuò)展。單片機(jī)所有的工作都依賴IO引腳，而引腳的數(shù)量非常有限。因此，應(yīng)該在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生多使用573鎖存器，164、595串并轉(zhuǎn)換器，138譯碼器，以及I2C、SPI總線進(jìn)行擴(kuò)展。

5.實(shí)踐與效果

長期以來，欽州學(xué)院的單片機(jī)課程一直沿用匯編語言開展教學(xué)，學(xué)生普遍感到難學(xué)，效果很不理想。到了2008年廣西大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽，教師們發(fā)現(xiàn)匯編語言的使用比較困難，編寫的程序冗長、難以閱讀和理解，無法快速解決問題。經(jīng)過研究，決定全面轉(zhuǎn)入C51，并在此后幾年，針對單片機(jī)的特點(diǎn)不斷研究C51優(yōu)化的教學(xué)。

經(jīng)過幾年的實(shí)踐研究，學(xué)生普遍感到學(xué)習(xí)門檻降低了，上手更快了，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能和實(shí)用性都有了較大進(jìn)步。在此基礎(chǔ)上，欽州學(xué)院單片機(jī)教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)十幾年來積累的豐富資源，設(shè)計(jì)了面向C51的大量案例，建成了覆蓋知識點(diǎn)較廣、數(shù)量較多、種類齊全的省級課題項(xiàng)目超市，使得學(xué)生在掌握C51的基礎(chǔ)上，獲得大量實(shí)踐訓(xùn)練的機(jī)會[6]。近年來，學(xué)生的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)的水平，在大學(xué)生電子競賽、大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目中的成績穩(wěn)步提高，并在2013年的電子競賽中取得了全國獎項(xiàng)的零突破。目前，電子信息工程、自動化等專業(yè)畢

業(yè)生的動手能力不斷增強(qiáng)，受到了用人單位的歡迎，就業(yè)率穩(wěn)步提高并保持在92%以上。

6.結(jié)束語

不拘泥于傳統(tǒng)教材的匯編，摒棄C語言習(xí)慣用法，全面采用C51開展教學(xué)，精簡優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，在教學(xué)過程中注重性能和面向硬件的優(yōu)化，大大減低學(xué)生的進(jìn)入門檻，減輕了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，使得學(xué)生能夠快速上手，并掌握實(shí)用性較強(qiáng)編程能力。實(shí)踐表明，基于C51優(yōu)化的解決方案效果良好。

參考文獻(xiàn)：

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[6]包敬海，張大平，陸安山等.淺談面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的單片機(jī)課程的改革[J].欽州學(xué)院學(xué)報，2013，28（8）：20-23.

基金項(xiàng)目：廣西教育廳教改課題，基于項(xiàng)目超市的單片機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺的建設(shè)，2013JGB258。

作者簡介：包敬海（1979-），男，漢族，廣西防城港人，碩士，副教授，研究方向?yàn)槲⒖刂葡到y(tǒng)、Web信息系統(tǒng)。