單片機C語言模塊化編程方法

當你在一個項目小組做一個相對較複雜的工程時，意味著你不再獨自單幹。你需要和你的小組成員分工合作，一起完成項目，這就要求小組成員各自負責一部分工程。比如你可能只是負責通訊或者顯示這一塊。這個時候，你就應該將自己的這一塊程序寫成一個模塊，單獨調試，留出接口供其它模塊調用。最後，小組成員都將自己負責的模塊寫完並調試無誤後，由項目組長進行組合調試。像這些場合就要求程序必須模塊化。模塊化的好處是很多的，不僅僅是便於分工，它還有助於程序的調試，有利於程序結構的劃分，還能增加程序的可讀性和可移植性。
初學者往往搞不懂如何模塊化編程,其實它是簡單易學,而且又是組織良好程序結構行之有效的方法之一.
本文將先大概講一下模塊化的方法和注意事項，最後將以初學者使用最廣的keil c編譯器為例，給出模塊化編程的詳細步驟。
模塊化程序設計應該理解以下概述:
（1） 模塊即是一個.c 文件和一個.h 文件的結合，頭文件(.h)中是對於該模塊接口的聲明；
這一條概括了模塊化的實現方法和實質：將一個功能模塊的代碼單獨編寫成一個.c文件,然後把該模塊的接口函數放在.h文件中.舉例:假如你用到液晶顯示，那麼你可能會寫一個液晶驅動模塊，以實現字符、漢字和圖像的現實，命名為: led_device.c，該模塊的.c文件大體可以寫成:

#include …
…
//定義變量
unsigned char value；//全局變量
…
//定義函數
//這是本模塊第一個函數,起到延時作用,只供本模塊的函數調用,所以用到static關鍵字修飾

static void delay (uint us) //delay time
{}
//這是本模塊的第二個函數,要在其他模塊中調用

void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content)
{}
……
……

註：此處只寫出這兩個函數,第一個延時函數的作用範圍是模塊內,第二個，它是其它模塊需要的。為了簡化,此處並沒有寫出函數體.

.h文件中給出模塊的接口.在上面的例子中,向LCD寫入字符函數：wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content)就是一個接口函數,因為其它模塊會調用它,那麼.h文件中就必須將這個函數聲明為外部函數（使用extrun關鍵字修飾），另一個延時函數：void delay (uint us)只是在本模塊中使用（本地函數，用static關鍵字修飾），因此它是不需要放到.h文件中的。
.h文件格式如下：

//聲明全局變量
extern unsigned char value；
//聲明接口函數
extern void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content); //向LCD寫入字符
……

這裡注意三點:
1. 在keil 編譯器中，extern這個關鍵字即使不聲明,編譯器也不會報錯,且程序運行良好,但不保證使用其它編譯器也如此。強烈建議加上，養成良好的編程規範。
2. .c文件中的函數只有其它模塊使用時才會出現在.h文件中,像本地延時函數static void delay (uint us)即使出現在.h文件中也是在做無用功,因為其它模塊根本不去調用它,實際上也調用不了它(static關鍵字的限制作用)。
3.注意本句最後一定要加分號」;」,相信有不少同學遇到過這個奇怪的編譯器報錯: error C132: 'xxxx': not in formal parameter list，這個錯誤其實是.h的函數聲明的最後少了分號的緣故。

模塊的應用：假如需要在LCD菜單模塊lcd_menu.c中使用液晶驅動模塊lcd_device.c中的函數void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content),只需在LCD菜單模塊的lcd_menu.c文件中加入液晶驅動模塊的頭文件lcd_device.h即可.

#include「lcd_device.h //包含液晶驅動程序頭文件，之後就可以在該.c文件中調用//lcd_device.h中的全局函數，使用液晶驅動程序裡的全局//變量（如果有的話）。
…
//調用向LCD寫入字符函數
wr_lcd (0x01,0x30)；
…
//對全局變量賦值
value=0xff；
…
（2） 某模塊提供給其它模塊調用的外部函數及數據需在.h 中文件中冠以extern 關鍵字聲明；
這句話在上面的例子中已經有體現，即某模塊提供給其它模塊調用的外部函數和全局變量需在.h 中文件中冠以extern 關鍵字聲明，下面重點說一下全局變量的使用。使用模塊化編程的一個難點（相對於新手）就是全局變量的設定，初學者往往很難想通模塊與模塊公用的變量是如何實現的，常規的做法就是本句提到的，在.h文件中外部數據冠以extern關鍵字聲明。比如上例的變量value就是一個全局變量，若是某個模塊也使用這個變量，則和使用外部函數一樣，只需在使用的模塊.c文件中包含#include「lcd_device.h」即可。
另一種處理模塊間全局變量的方法來自於嵌入式作業系統uCOS-II，這個作業系統處理全局變量的方法比較特殊，也比較難以理解，但學會之後妙用無窮，這個方法只需用在頭文件中定義一次。方法為：
在定義所有全局變量（uCOS-II將所有全局變量定義在一個.h文件內）的.h頭文件中：
#ifdef xxx_GLOBALS
#define xxx_EXT
#else
#define xxx_EXT extern
#endif
.H 文件中每個全局變量都加上了xxx_EXT的前綴。xxx 代表模塊的名字。
該模塊的.C文件中有以下定義：
#define xxx_GLOBALS
#include "includes.h"
當編譯器處理.C文件時，它強制xxx_EXT（在相應.H文件中可以找到）為空，（因為xxx_GLOBALS已經定義）。所以編譯器給每個全局變量分配內存空間，而當編譯器處理其他.C 文件時，xxx_GLOBAL沒有定義，xxx_EXT 被定義為extern，這樣用戶就可以調用外部全局變量。為了說明這個概念，可以參見uC/OS_II.H,其中包括以下定義：
#ifdef OS_GLOBALS
#define OS_EXT
#else
#define OS_EXT extern
#endif
OS_EXT INT32U OSIdleCtr;
OS_EXT INT32U OSIdleCtrRun;
OS_EXT INT32U OSIdleCtrMax;
同時，uCOS_II.H 有中以下定義：
#define OS_GLOBALS
#include 「includes.h」
當編譯器處理uCOS_II.C 時，它使得頭文件變成如下所示，因為OS_EXT 被設置為空。
INT32U OSIdleCtr;
INT32U OSIdleCtrRun;
INT32U OSIdleCtrMax;
這樣編譯器就會將這些全局變量分配在內存中。當編譯器處理其他.C 文件時，頭文件變成了如下的樣子，因為OS_GLOBAL沒有定義，所以OS_EXT 被定義為extern。
extern INT32U OSIdleCtr;
extern INT32U OSIdleCtrRun;
extern INT32U OSIdleCtrMax;
在這種情況下，不產生內存分配，而任何 .C文件都可以使用這些變量。這樣的就只需在 .H文件中定義一次就可以了。
（3） 模塊內的函數和全局變量需在.c 文件開頭冠以static 關鍵字聲明；
這句話主要講述了關鍵字static的作用。Static是一個相當重要的關鍵字，他能對函數和變量做一些約束，而且可以傳遞一些信息。比如上例在LCD驅動模塊.c文件中定義的延時函數static void delay (uint us)，這個函數冠以static修飾，一方面是限定了函數的作用範圍只是在本模塊中起作用，另一方面也給人傳達這樣的信息：該函數不會被其他模塊調用。下面詳細說一下這個關鍵字的作用，在C 語言中，關鍵字static 有三個明顯的作用：
1.在函數體，一個被聲明為靜態的變量在這一函數被調用過程中維持其值不變。
2.在模塊內（但在函數體外），一個被聲明為靜態的變量可以被模塊內所用函數訪問，但不能被模塊外其它函數訪問。它是一個本地的全局變
量。
3.在模塊內，一個被聲明為靜態的函數只可被這一模塊內的其它函數調用。那就是，這個函數被限制在聲明它的模塊的本地範圍內使用。
前兩個都比較容易理解，最後一個作用就是剛剛舉例中提到的延時函數（static void delay (uint us)），本地化函數是有相當好的作用的。
（4） 永遠不要在.h 文件中定義變量！
呵呵，似乎有點危言聳聽的感覺，但我想也不會有多少人會在.h文件中定義變量的。
比較一下代碼：
代碼一：

int a = 5;

#include "module1.h"


#include "module1.h"


#include "module1.h"
以上程序的結果是在模塊1、2、3 中都定義了整型變量a，a 在不同的模塊中對應不同的地址元，這個世界上從來不需要這樣的程序。正確的做法是：
代碼二：

extern int a;


#include "module1.h"
int a = 5;


#include "module1.h"


#include "module1.h"
這樣如果模塊1、2、3 操作a 的話，對應的是同一片內存單元。
註：
一個嵌入式系統通常包括兩類（注意是兩類，不是兩個）模塊：
（1）硬體驅動模塊，一種特定硬體對應一個模塊；
（2）軟體功能模塊，其模塊的劃分應滿足低偶合、高內聚的要求。
下面以keil C 編譯器為例，講一下模塊化編程的步驟。
下面這個程序分為三層，共7個模塊，共同為主程序服務（它們之間也會相互調用）。
程序的結構圖如下所示：


程序主要模塊和功能簡介:
一. 底層驅動
1. 紅外鍵盤:程序通過紅外鍵盤進行操作。紅外鍵盤獨佔定時器0和外部中斷0，以實現紅外解碼和鍵盤鍵值的識別。紅外鍵盤定義了五個按鍵，分別為上翻、下翻、左翻、右翻和確認鍵。
2. LCD液晶顯示：程序主要通過LCD顯示信息，LCD液晶顯示驅動提供顯示漢字、圖形和ASCII碼的函數接口。可以全屏、單行顯示漢字，任意位置顯示ASCII碼，還可以全屏、半屏顯示圖形。
二. 功能模塊
1. LCD菜單程序：菜單程序可以使人機互動更加方便、容易。本菜單程序的菜單級別深度受RAM大小的限制，每增加一級菜單將多消耗4位元組的RAM。菜單程序主要完成菜單功能函數的調度，LCD顯示刷新。
2. 計算器程序：實現65536以內的加、減、乘、除，超出範圍會出現溢出，溢出發生時，LCD顯示「錯誤：出現溢出」的錯誤提示，同時本次運算被忽略。對於負數會顯示「-」號，除數為零時LCD顯示「錯誤：除數為零」的錯誤提示。
3. 開機次數記憶程序:主要對基於IIC總線的EEPROM進行讀寫,單片機每次上電後,將開機次數寫入EEPROM.
4. 串口測試程序:進入該程序後,單片機向電腦發送字符串「Hello Word！」，發送數字24（以字符的形式顯示）。編寫此程序的目的是為了能夠方便的向電腦發送字符串和變量，便於程序的調試。串口佔用串口資源，與頻率測量程序共享定時器1
5. 頻率測量:復用定時器1，佔用外部中斷1，實現5~20KHZ頻率的測量.
三. 主程序
主程序主要完成程序的初始化，LCD菜單顯示，監視鍵盤程序並根據鍵值更新菜單。
步驟為：
1.新建工程。
2.點擊File—New（或者點擊快捷圖標：），新建一個文檔。
3.點擊File—Save（或者點擊快捷圖標：），保存新建的文檔，在文件名後填寫LCD_device.c（液晶驅動模塊: LCD_device，提供顯示漢字、字符和圖像的接口），點擊確定。
在該文檔內編寫LCD驅動程序。
4. 點擊File—New（或者點擊快捷圖標：），再新建一個文檔。
5. 點擊File—Save（或者點擊快捷圖標：），保存新建的文檔，在文件名後填寫LCD_device.h（液晶驅動模塊的頭文件，模塊的接口和全局變量在這裡定義）。點擊確定。在該文檔中整理全局變量和接口函數。以上步驟之後的效果見下圖：

至此，液晶驅動模塊書寫完畢，可以對這個模塊單獨的調試。
6.重複以上步驟2~5，定義 紅外鍵盤模塊：key.c與key.h
菜單模塊：menu.c與menu.h
串口通信模塊：uart_.c與uart.h
計算器模塊：counter.c與counter.h
頻率測量模塊:mea_fre.c與mea_fre.h
開機次數記憶模塊:eepram.c與eepram.h
7.重複以上步驟2~3，定義主程序main.c
最終效果如下圖所示：

完成1~7個步驟後，有些小白就習慣性的點擊編譯按鈕了，這時候會出現兩個警告信息：
*** WARNING L1: UNRESOLVED EXTERNAL SYMBOL
*** WARNING L2: REFERENCE MADE TO UNRESOLVED EXTERNAL
這是因為你只是編寫好了程序模塊，卻沒有把他們加入到工程的緣故。
解決方法：在Project Workspace框中，右擊Source group 1文件夾，選擇Add Files to Group『Source Group 1』，在彈出的對話框中添加你的.c文件即可。

關鍵字：單片機  C語言  模塊化編程 編輯：什麼魚 引用地址：http://news.eeworld.com.cn/mcu/article_2017112036122.html

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