单片机C语言指针意义浅析—Keil-C51

通常认为，C语言之所以强大，以及其自由性，很大部分体现在其灵活的指针运用上，甚至认为指针是C语言的灵魂。这里说通常，是广义上的，因为随着编程语言的发展，指针也饱受争议，并不是所有人都承认指针的“强大”和“优点”。在单片机领域，指针同样有着应用，本章节针对Keil C-51环境下的指针意义做简要分析。



1     指针与变量
指针是一个变量，它与其他变量一样，都是RAM中的一个区域，且都可以被赋值，如程序①所示。
#include "REG52.H"        
unsigned int j;
unsigned char *p;
void main()
{
         while(1)
         {
                   j=0xabcd;
                   p=0xaa;
         }
}
在Debug Session模式下，将鼠标指针移到到变量“j”“p”位置，可以显示变量的物理地址，如图1-1、1-2所示。 






图中箭头所指处即为变量在RAM中的“首地址”，为什么是“首地址”呢？变量根据类型可分为8位（单字节）、16位（双字节），程序中变量“j”是无符号整型，所占物理空间应为2字节，而在8位单片机中，RAM的一个存储单元大小是8位，即1字节，因此需2个存储单元才满足变量“j”长度。所以实际上变量“j”的物理地址为“08H”“09H”。同理，“p（D:0x0A）”即变量“p”的首地址为“0AH”。
下面通过单步执行程序来观察RAM内的数据变化，打开两个Memory Windows窗口，在Keil软件下方显示为Memory1和Memory2，在两个窗口中，分别做如图2-1、2-2所示的设置。






两个Address填写的内容分别是：D:0x08、D:0x0A，即变量“j”和变量“p”的首地址，输入后回车，便可监视RAM中该地址下的数据。设置好后，准备调试。

在Debug Session模式中，箭头所指处即为即将执行的语句，单击“Step”功能按钮（或按F11键），让程序运行，如图3所示。

第一次单击“Step”按钮后，Memory1窗口内数据如图4所示。

由调试结果可知，08H数据由00H变为ABH，09H数据由00H变为CDH，出现这种变化是因为执行了语句j=0xabcd;08H为变量“j”高八位，存储“AB”，09H为变量“j”低八位，存储“CD”。
第二次单击“Step”按钮，执行语句：p=0xaa;此时需观察Memory2窗口内数据，如图5所示。

由调试结果可知，0CH处值由00变为“AAH”，程序相吻合。这里需要注意，在Keil C-51编译环境下，指针变量，不管长度是单字节或是双字节，指针变量所占字节数为3字节。故此处“AAH”不是存储在0AH而存储在0CH（0A+2）地址中。
综上所述，指针实际上是变量，都是映射到RAM中的一段存储空间，区别是，指针占用3字节，而其他变量可根据需要设定其所占RAM是1字节（char）、2字节（int）、4字节（long）。

2       指针作用
指针的作用是什么呢？先来看下面的程序：
程序②
#include "REG52.H"         
unsigned chartab1[8]={0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08};
unsigned char codetab2[8]={0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70,0x80}; 
unsigned char N1,N2;
void main()
{
            N1=tab1[0];
            N2=tab2[0];
}
显然，程序执行的结果是N1=0x01，N2=0x10。这里都是讲数组内的数据赋值给变量，但存在区别，tab1数组使用的是单片机RAM空间，而tab2数组使用的是单片机程序存储区（ROM）空间。尽管使用C语言为变量赋值时语句相同，但编译结果并不相同，此程序编译后的结果如图6所示。
 

由编译结果可知，N1=tab1[0]语句实际上是直接寻址，而N2=tab2[0]是寄存器变址寻址。不管是何种寻址方式，都是将一个物理地址内的数据取出来使用：tab1数组中，tab[0]对应的RAM地址是0x0A，tab[1]对应的RAM地址是0x0B……以此类推；tab2数组中，tab[0]对应的ROM地址是0x00A5，tab[1]对应的ROM地址是0x00A6……以此类推。不管这些数组或变量所在的RAM或ROM地址如何，用户最终需要的是数组或变量的数据，而指针，就是通过变量或数组的物理地址访问数据，也就是说，通过指针，同样可以访问数组或变量数据。现将程序②做出调整，得到程序③如下：
#include "REG52.H"         
unsigned chartab1[8]={0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08};
unsigned char code tab2[8]={0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70,0x80};
unsigned char N1,N2;
unsigned char  *p;
void main()
{        
         unsignedchar i;
         p=tab1;
         for(i=0;i<8;i++,p++)
         N1=*p;
         
         p=tab2;
         for(i=0;i<8;i++,p++) 
         N2=*p;
}
程序执行结果：tab1数组内的8个数值依次被赋值给N1；tab2数组内的8个数值依次被赋值给N2；
程序③执行Debug Session功能后，打Watch Windows窗口，在Watch1窗口下添加需要监视的变量，此处为“p”和“N1”，如图7所示。

Value为当前变量数值，程序为运行前，p值为0x00，单击Step按键功能后，执行p=tab1;p值变为0x0A，如图8所示。

0x0A是什么值呢？将鼠标移至tab1数组位置，可显示出数组所在的物理地址，0x0A就是数组tab1的首地址，如图9所示。

p=tab1就是将tab1数组的首地址赋值给变量p，执行p++即地址值加1；*p则是此物理地址内的具体数据，因此for循环中，N1=*p是依次将tab1数组中的数据赋值给变量N1。由此可见，指针是作为一个变量，指向某一个地址。
那么指针到底是如何将某个地址内的数据“拿”出来的？下面通过N1=*p语句做演示说明，N1=*p编译后的汇编代码如图10所示。

C：0x00A0至C：0x00A9的汇编代码即是C程序中的N1=*p。程序先将变量p的值赋值给R3、R2、R1三个通用寄存器，程序为：
MOV   R3,p(0x12)
MOV   R2,0x13
MOV   R1,0x14
然后调用了一个子函数：LCALL  C?CLDPTR(C:00E4)，而C程序中，未定义或使用任何子函数，那么这个子函数是哪里来的？作用是什么？根据标号C:00E4可找到该子函数，程序代码如下：

C:0x00E4   BB0106   CJNE     R3,#0x01,C:00ED
C:0x00E7   8982     MOV      DPL(0x82),R1
C:0x00E9   8A83     MOV      DPH(0x83),R2
C:0x00EB   E0       MOVX     A,@DPTR
C:0x00EC   22       RET      
C:0x00ED   5002     JNC      C:00F1
C:0x00EF   E7       MOV      A,@R1
C:0x00F0   22       RET      
C:0x00F1   BBFE02   CJNE     R3,#0xFE,C:00F6
C:0x00F4   E3       MOVX     A,@R1
C:0x00F5   22       RET      
C:0x00F6    8982    MOV      DPL(0x82),R1
C:0x00F8   8A83     MOV      DPH(0x83),R2
C:0x00FA   E4       CLR      A
C:0x00FB   93       MOVC     A,@A+DPTR
C:0x00FC   22       RET      

此程序功能是：先用R3寄存器的值与0x01比较，当R3的值大于0x01时，再和0xFE做比较，比较的结果有如下情况：
（1）R3的值等于0x01时，执行如下程序：
C:0x00E7   8982     MOV      DPL(0x82),R1
C:0x00E9   8A83     MOV      DPH(0x83),R2
C:0x00EB   E0       MOVX     A,@DPTR
C:0x00EC   22       RET      
程序功能：读取扩展RAM内的数据并赋值给A，寻址范围0～65535。当数组用xdata定义时，会跳转到此处。
（2）R3的值小于0x01即等于0x00时，执行如下程序：
C:0x00EF   E7       MOV      A,@R1
C:0x00F0   22       RET  
程序功能：读取单片机内部256字节RAM内的数据并赋值给A，寻址范围0～255。当数组用data或idata定义时，会跳转到此处。如执行N1=*p语句时，即跳转到自处，读取内部RAM地址内的数据。    
（3）R3的值不等于0x00或0x01时，通过JNC指令跳转到C:0x00F1处，开始与0xFE做比较。R3的值等于0xFE时，执行如下程序：
C:0x00F4   E3       MOVX     A,@R1
C:0x00F5   22       RET  
程序功能：读取单片机片外RAM内的数据并赋值给A，寻址范围0～255。当数组用pdata定义时，会跳转到此处。通常8051单片机不使用pdata定义变量或数组。
（4）R3的值不等于0xFE时，即R3的值等于0xFF时，跳转到C:0x00F6处执行如下程序：
C:0x00F6   8982     MOV      DPL(0x82),R1
C:0x00F8   8A83     MOV      DPH(0x83),R2
C:0x00FA   E4       CLR      A
C:0x00FB   93       MOVC     A,@A+DPTR
C:0x00FC   22       RET
程序功能：读取单片机内部ROM内的数据并赋值给A，寻址范围0～65535。当数组用code定义时，如程序③中，tab2数组用code定义，执行p=tab2后，R3的值被赋值为0xFF，再执行N2=*p语句时，即跳转到自处，读取内部ROM地址内的数据。  
由此可见，子函数“C?CLDPTR”的作用是，根据数据所在存储空间，用不同的寻址方式读取某地址下的数据。R3用于确定寻址方式，R3的值与对应的寻址方式对应关系为：
1、R3值等于0x00时，片内RAM间接寻址；此时数据用dataidata定义。
2、R3值等于0x01时，片外RAM（扩展RAM）间接寻址；此时数据用xdata定义。
3、R3值等于0xFE时，片外RAM（扩展RAM）低246字节间接寻址；此时数据用pdata定义
4、R3值等于0xFF时，从存储存储器（ROM）进行变址寻址；此时数据用code定义。

3、指针结构
R3、R2、R1的值是RAM中0x12、0x13、0x14地址内的值，即变量p映射的RAM地址。而而8位单片机中，不管是何种寻址方式，最大寻址范围是2字节长度（0～65535），为什么指针*p却占用了3字节RAM空间呢？下面通过程序④说明。
程序④：
#include "REG52.H"         
unsigned char tab1[8];
unsigned char idata tab2[8];
unsigned char xdata tab3[8];   
unsigned char pdata tab4[8];
unsigned char codetab5[8]={0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70,0x80}; 
unsigned char  *p;
void main()
{        
         p=tab1;
         p=tab2;
         p=tab3;
         p=tab4;
         p=tab5;
}
在Debug Session模式下可知，程序中数组与变量所映射的物理地址为及物理存储区分别为：
tab1 :        0x08～0x0F                        单片机内部RAM
tab2：     0x03～0x1A                       单片机内部RAM（idata）
tab3：     0x08～0x0F                        单片机扩展RAM（xdata）
tab4：     0x00～0x08                        单片机扩展RAM低256字节（pdata）
tab5：     0x0003D～0x0044            单片机程序存储区（code）
p：            0x10～0x12                        单片机内部RAM
注：扩展RAM可以在物理上可以分为片内或片外，如STC15系列增强型单片机的扩展RAM与单片机是封装在一起的，即片内扩展RAM；传统8051单片机没有片内扩展RAM，需连接外部RAM芯片，此为片外扩展RAM。
在Memory Windows窗口下，监视变量p映射的RAM地址：0x10～0x12的数值变化，如图11所示。

通过“Step”功能按钮执行住函数中的5调语句，可观察到0x10～0x12寄存器的数据变化：

执行p=tab1后，0x10、0x11、0x12：0x00、0x00、0x08
执行p=tab2后，0x10、0x11、0x12：0x00、0x00、0x13
执行p=tab3后，0x10、0x11、0x12：0x01、0x00、0x08
执行p=tab4后，0x10、0x11、0x12：0xFE、0x00、0x00
执行p=tab5后，0x10、0x11、0x12：0xFF、0x00、0x3D
由此可知，0x10的赋值取决于p指向的物理存储区，0x11、0x12的值是数据存储区的地址。指针所映射的首地址，会根据指向的物理存储区被编译器赋不同的值：0x00，0x01，0xFE，0xFF。这与程序③得到的结论一致，程序③中，寄存器R3、R2、R1对应值实际上就是指针所映射的3字寄存器数值。
结合程序③编译分析，当需要引用某物理地址内数据时，会调用“C?CLDPTR”函数，函数功能就是根据这些赋值确定使用何种寻址方式引用数据。而这一过程包括“C?CLDPTR”函数都是编译器自动完成的。
在汇编语言中，R1寄存器可以用于间接寻址，如：MOV  A，@R1。不能写为MOV A，@12H。因此在程序③中，将变量p对应的3字节数据赋值给R3、R2、R1。
综上所述，Keil C-51编译环境下，指针是一个占3字节的特殊变量，编译器编译程序时，自动生成判断寻址方式的子函数，并根据根据目标数据所在的物理存储区不同，为指针首字节赋值，根据赋值的不同，进行不同方式的寻址；指针的后2字节，用于存放引用的地址。

调试训练：
下面的程序编译器会怎样编译？与程序③有何不同？请根据程序③和程序④的分析方式分析程序⑤的执行结果。
程序⑤
#include "REG52.H"         
unsigned char tab1[8];
unsigned char codetab2[8]={0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff}; 
unsigned char  *p;
void main()
{        
         unsignedchar i;
         p=tab1;
         for(i=0;i<8;i++,p++)
         *p=i;
         
         p=tab2;
         for(i=0;i<8;i++,p++) 
         *p=i;
}

思考：下列语句中：

p=tab2;

for(i=0;i<8;i++,p++)

*p=i;

执行完for循环后，tab2数组内的值会改变吗？为什么？

4、指针意义

在汇编编程中，由于单片机数据存放的物理存储区不同，导致有不同的寻址方式，用户进行必须根据这一规律设计程序。而在C语言中，不管目标数据所在的物理存储区如何，指针都可指向该地址，并自动编译寻址方式。

但指针并不是万能的，如程序⑤中：

p=tab2;

for(i=0;i<8;i++,p++)

*p=i;

这些语句编译时并不会报错，但却不能实现功能，因为tab2数组是定义在程序存储器（ROM）的常量数组，ROM内的数据更改是不能通过这种方式实现的。因此，当用户不明确单片机的物理存储区特性时，使用指针会容易出错。先将程序⑤中的主函数语句做如下修改，得到程序⑥：

#include"REG52.H"         

unsignedchar tab1[8];

unsignedchar code tab2[8]={0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff};

unsignedchar  *p;

voidmain()

{        

         unsigned char i;

         for(i=0;i<8;i++,p++)

         tab1[ i]=i;

         

         for(i=0;i<8;i++,p++)

         tab2[ i]=i;

}

单独看第一个for循环，可实现与程序⑤一样的效果，即tab1数组内被赋值为：0，1，2，3，4，5，6，7。

第二个for循环从语句上可认为是与程序⑤功能相同，但实际上，不管是程序⑤还是程序⑥，都不能实现对tab2数组的赋值。但在程序⑥中，编译器会提示错误，如图12所示。

因此，指针的使用不当，不仅会带来程序运行结果的不正确，同时也难以发现这些错误。

对比程序⑤和程序⑥中的两段程序：

p=tab1;                                                      for(i=0;i<8;i++,p++)                        

for(i=0;i<8;i++,p++)                                   tab1[ i]=i;

*p=i;

它们执行的结果是一样的，那么哪种更好呢？对于初学者来说，显然是后者，因为后者更易于理解程序含义，而前者必须要理解指针在此处的作用；那么对于有经验的程序员呢？也是后者，因为程序执行效率上，后者也要大于前者，因为程序⑤在编译过程中，编译器始终会生成一个子函数用于确定寻址方式，再赋值；程序⑥则是直接确定了寻址方式执并行进行赋值。尽管执行效率的降低在接受范围内，但对于一个简单、明了的功能来说，用简单的方式实现要比复杂方式合理。
设计者在程序中使用指针的目的往往是让程序具有可移植性，但8051单片机的功能是有限的，它实现的功能相对固化，如时间显示、数据采集等等，这些功能确定后，几乎不会做出更改，基于此特点，8051单片机的代码代码量都不长。因此即便是不同构架的单片机程序互相移植，代码的修改并不复杂，移植过程中，也几乎都是针对不同构架单片机的I/O工作方式不同、指令周期不同做常规修改；或是关键字的修改。因此合理的设计单片机程序，尽可能的提高程序的效率、稳定性、可阅读性才是程序设计的核心主旨。指针在8051单片机中固然可以使用，但并不能说明指针的使用就一定是高效、准确、易于他人理解。