怎樣分析單片機(jī)程序
要：分析單片機(jī)程序是為編寫程序做準(zhǔn)備，包括對(duì)硬件電路和軟件功能的分析，提出了實(shí)用的分析方法，并總結(jié)出分析程序的一般步驟和應(yīng)注意的問(wèn)題。
設(shè)計(jì)單片機(jī)程序不是從零開始，而是先對(duì)已有的相關(guān)程序進(jìn)行閱讀分析。分析程序是設(shè)計(jì)、修改、優(yōu)化、維護(hù)的重要步驟。因此，掌握單片機(jī)程序的分析方法是非常必要的。
１ 詳細(xì)閱讀設(shè)備使用說(shuō)明書
可投產(chǎn)（使用）的單片機(jī)系統(tǒng)都附有使用說(shuō)明書（手冊(cè)），它介紹了該產(chǎn)品的（工作原理）技術(shù)指標(biāo)、使用步驟、操作方法和注意事項(xiàng)，同時(shí)還有系統(tǒng)的有關(guān)狀態(tài)、顯示、報(bào)警等信息。這為閱讀程序、劃分模塊分析功能提供了極大的幫助。若有該系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)其反復(fù)操作，熟悉使用步驟和操作方法。操作時(shí)應(yīng)全面詳細(xì)，確保程序和外圍電路的每一部分都執(zhí)行過(guò)。
２ 了解單片機(jī)芯片型號(hào)及功能
目前，具有代表性的單片計(jì)算機(jī)有：８位單片機(jī)，即５１系列；１６位單片機(jī)，即９６系列；３２位嵌入式微處理器，即Ｘ８６結(jié)構(gòu)的ｉ３８６ＥＸ系列；超低功耗ｉ４８６系列和ＲＩＳＣ結(jié)構(gòu)的ｉ９６０系列等。由于ＭＣＳ—５１系列單片機(jī)具有集成度高，處理功能強(qiáng)，可靠性好，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，它在智能儀器儀表、控制工程、測(cè)試技術(shù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。繁多的單片機(jī)品種，使閱讀者必須首先知道該電路中具體使用了哪一種單片機(jī)芯片，弄清其引腳功能、存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)等。
３ 分析掌握外圍電路各部分的作用
在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，硬件是基礎(chǔ)，軟件的功能是對(duì)硬件進(jìn)行合理調(diào)配和使用。在控制系統(tǒng)的開發(fā)中，軟件和硬件設(shè)計(jì)基本上是同步進(jìn)行的。
３．１ 單片機(jī)常用的外圍電路
單片機(jī)常用的外圍電路包括程序擴(kuò)展電路、內(nèi)存擴(kuò)展電路、并行口擴(kuò)展電路、Ｗａｔｃｈｄｏｇ電路、串行通訊電平轉(zhuǎn)換電路、ＬＥＤ（ＬＣＤ）數(shù)碼顯示電路、鍵盤電路、Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換電路、Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)化電路、指示燈電路等，同時(shí)還必須明確該電路的實(shí)現(xiàn)方式。單片機(jī)外圍電路簡(jiǎn)圖見圖１。
３．２ 其他電路及連線
為了阻抗匹配，增設(shè)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)大電流電路時(shí)采用的光電隔離電路，ＣＭＯＳ電路多余輸入端的處理（接正電源或接地），地線系統(tǒng)（系統(tǒng)地，機(jī)殼地或屏蔽地，數(shù)字地，模擬地）的安排，信號(hào)線包括讀、寫信號(hào)線、片選信號(hào)線、時(shí)鐘信號(hào)線、讀選通信號(hào)（ＰＳＥＮ）、地址鎖存信號(hào)（ＡＬＥ）、復(fù)位信號(hào)等的連接及Ｉ/Ｏ地址的分配，掌握這些對(duì)程序的閱讀至關(guān)重要。
４ 閱讀分析程序
４．１ 單片機(jī)程序所用語(yǔ)言
由于匯編語(yǔ)言精煉高效，小型的單片機(jī)程序常采用匯編語(yǔ)言。而Ｃ語(yǔ)言既有高級(jí)語(yǔ)言的各種特點(diǎn)，又可對(duì)硬件進(jìn)行操作，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)。對(duì)ＭＣＳ—５１單片機(jī)，目前采用比較多的有ＡＳＭ５１，Ｃ５１等。此外，還有匯編語(yǔ)言與ＢＡＳＩＣ語(yǔ)言混編的單片機(jī)程序。
４．２ 單片機(jī)程序的基本結(jié)構(gòu)與組成
在整個(gè)單片機(jī)程序中初始化、自檢部分安排在單片機(jī)程序的開始，隨后便是主（監(jiān)控）程序，各模塊和子程序，此外還有字形表及數(shù)據(jù)表等。
４．２．１ 傳統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)
單片機(jī)程序一般采用模塊化設(shè)計(jì)。其中心思想是將一個(gè)功能較多、程序量較大的程序整體按其功能劃分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的程序段。通常把控制單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作的整個(gè)程序稱為監(jiān)控程序。監(jiān)控程序按模塊分為監(jiān)控主程序和命令處理子程序。命令處理子程序完成各種命令所規(guī)定的具體操作，它按各種命令再分為不同的子程序模塊。它的編程方法與功能要求與系統(tǒng)硬件密切相關(guān)，沒有通用的方法。而監(jiān)控主程序是接受和分析來(lái)自鍵盤的命令，進(jìn)而把控制轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理子程序的入口，起引導(dǎo)作用。
在一鍵多義的情況下，監(jiān)控主程序要確定控制的轉(zhuǎn)向，除了要知道當(dāng)前按鍵外，還得明確系統(tǒng)目前的“狀況”，即“狀態(tài)”。可用狀態(tài)表法設(shè)計(jì)監(jiān)控主程序，其核心是設(shè)計(jì)一張狀態(tài)表，規(guī)定應(yīng)用系統(tǒng)在某一狀態(tài)下各按鍵的含義，包括應(yīng)執(zhí)行哪一個(gè)命令處理子程序和完成狀態(tài)的正確變遷。狀態(tài)表的格式見表１。
設(shè)計(jì)時(shí)，在內(nèi)存開辟一個(gè)現(xiàn)態(tài)單元記憶當(dāng)前的狀態(tài)。當(dāng)有鍵按下時(shí)，監(jiān)控主程序根據(jù)當(dāng)前按鍵的編碼和現(xiàn)態(tài)這兩個(gè)關(guān)鍵字去查閱狀態(tài)表，從而確定系統(tǒng)該執(zhí)行哪一個(gè)處理子程序及系統(tǒng)的下一個(gè)狀態(tài)是什么，立即修改現(xiàn)態(tài)單元的內(nèi)容，以便有新的按鍵時(shí)系統(tǒng)能做出正確的響應(yīng)。在每個(gè)狀態(tài)下并非所有的按鍵都有定義，即有空鍵。
當(dāng)某個(gè)中斷發(fā)生時(shí)，中斷服務(wù)程序設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志，而主程序不斷地判斷這些標(biāo)志，以決定啟動(dòng)哪一個(gè)處理程序。相應(yīng)的處理程序處理完相關(guān)的任務(wù)后，清除此標(biāo)志，然后把控制權(quán)交還給主程序。對(duì)于延時(shí)或定時(shí)處理，可用一個(gè)定時(shí)器來(lái)完成。
４．２．２ 基于時(shí)間片的單片機(jī)程序
在單片機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中引入了現(xiàn)代操作系統(tǒng)的多任務(wù)思想，采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法對(duì)傳統(tǒng)單片機(jī)編程思想進(jìn)行了改進(jìn)，并應(yīng)用在分布式系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)清晰、調(diào)度靈活，適用于定時(shí)要求復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的系統(tǒng)。
4．３ 閱讀程序并畫出程序流程圖
程序流程圖（簡(jiǎn)稱框圖）是用來(lái)描述程序處理過(guò)程的工具，推理過(guò)程清晰、直觀、邏輯性強(qiáng)，可用于刻畫程序的控制流邏輯，為程序測(cè)試和理解提供了一種重要的輔助手段。
只有分析者對(duì)程序進(jìn)行多次掃描，畫出每個(gè)模塊的詳細(xì)流程圖，才能明確各個(gè)模塊的任務(wù)和相互聯(lián)系及資源分配和整個(gè)程序的設(shè)計(jì)思路，各程序模塊的入口、出口和對(duì)ＣＰＵ內(nèi)部寄存器的占用情況。還有ＣＰＵ對(duì)啟動(dòng)Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換要發(fā)什么控制信號(hào)；端口地址是什么；ＣＰＵ用什么方法得知Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)束，以便輸入轉(zhuǎn)換結(jié)果；采樣周期多長(zhǎng)等。這是分析和設(shè)計(jì)程序最重要的一步，也是邏輯分析和優(yōu)化的基礎(chǔ)。單片機(jī)常用功能模塊有：定時(shí)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、控制算法、顯示、報(bào)警、打印等。
４．４ 算法分析
算法是為解決某一特定問(wèn)題而采取的確定的有限的步驟，是求解某一問(wèn)題所使用的一組定義明確的規(guī)則，在實(shí)際應(yīng)用中又稱為方法、方式、體制等。對(duì)有些較復(fù)雜的算法，最好用畫流程圖的方式來(lái)分析，這樣思路清晰，簡(jiǎn)潔直觀。
單片機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，是根據(jù)被控制對(duì)象的特性，合理選擇算法，以達(dá)到所要求的控制精度和指標(biāo)。例如數(shù)據(jù)采集時(shí)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，常用的數(shù)字濾波方式有：程序判斷濾波、中位置濾波、算術(shù)平均濾波、遞推平均濾波法、防脈沖干擾平均值濾波、一階滯后濾波等。因此，在閱讀程序前，必須對(duì)該問(wèn)題的解決方法有一定的了解，才能確定具體使用了哪一種算法。
４．５ 資源分配
確定資源分配，包括ＲＯＭ、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器、ＲＡＭ、中斷源等。其中最關(guān)鍵的是片內(nèi)ＲＡＭ的分配，如００Ｈ～２ＦＨ工作寄存器，常用作指針、計(jì)數(shù)器、循環(huán)變量等；２０Ｈ～２ＦＨ具有位尋址功能，用來(lái)存放各種標(biāo)志位、邏輯變量、狀態(tài)變量。對(duì)ＲＡＭ應(yīng)列出一張ＲＡＭ資源詳細(xì)分配表，以備閱讀查用。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，安排好采樣數(shù)據(jù)區(qū)、處理結(jié)果數(shù)據(jù)區(qū)、顯示和打印數(shù)據(jù)區(qū)、標(biāo)志區(qū)等。該分配表可手動(dòng)畫出，而用Ｅｘｃｅｌ表則更方便。
４．6 標(biāo)志位
單片機(jī)有豐富的位操作指令和位存儲(chǔ)資源。一類是為Ｉ/Ｏ操作服務(wù)的，如監(jiān)測(cè)到的各種邏輯信息可存入位資源中，隨時(shí)供程序使用。另一類是為程序本身服務(wù)，表明系統(tǒng)的各種狀態(tài)特點(diǎn)，傳遞各模塊之間的控制信息，控制程序流向等，這一部分稱為軟件標(biāo)志。閱讀程序時(shí)，對(duì)每個(gè)位資源必須進(jìn)行詳細(xì)記錄，繪出軟件標(biāo)志的使用說(shuō)明書。需要說(shuō)明的項(xiàng)目有：名稱和位地址：該軟件標(biāo)志在程序中的代號(hào)和存放的位單元。意義：說(shuō)明邏輯１和邏輯０代表的狀態(tài)或功能。對(duì)全局定義的軟件標(biāo)志，它有唯一的定義，對(duì)于局部定義的軟件標(biāo)志，必須注明其有效范圍。生命周期：分析每個(gè)軟件標(biāo)志初始化的狀態(tài)，程序運(yùn)行時(shí)發(fā)生變化的條件和時(shí)刻，并進(jìn)行記錄。用戶：對(duì)軟件標(biāo)志進(jìn)行讀操作的狀態(tài)或模塊稱為該軟件標(biāo)志的用戶。軟件標(biāo)志的使用有兩種，一種是非破壞性的，只讀不寫；另一種是破壞性使用，這種軟件標(biāo)志多為某種申請(qǐng)標(biāo)志，響應(yīng)后立即清除，可避免重復(fù)響應(yīng)。同一標(biāo)志位在不同的狀態(tài)下可有不同的含義。多位標(biāo)志表示多個(gè)狀態(tài)，這樣節(jié)省標(biāo)志位。
４．7 抗干擾處理
由于單片機(jī)工作環(huán)境比較惡劣和復(fù)雜，往往會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性、安全性。這些干擾有供電系統(tǒng)干擾、過(guò)程通道干擾、空間干擾等，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集誤差加大、控制狀態(tài)失靈、數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生改變、程序運(yùn)行失常。
為保證單片機(jī)控制系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，必須對(duì)各種干擾進(jìn)行處理，包括必要的硬件電路，如硬件看門狗技術(shù)；軟件抗干擾技術(shù)，如輸入通道抗干擾技術(shù)、數(shù)字濾波、ＲＡＭ數(shù)據(jù)冗余技術(shù)、軟件陷阱等。軟件和硬件抗干擾技術(shù)結(jié)合，這樣才能達(dá)到最佳效果。
５ 結(jié)語(yǔ)
程序設(shè)計(jì)是創(chuàng)造性的工作，而程序分析往往是為創(chuàng)造性的工作做準(zhǔn)備。閱讀程序是從已有的程序開始，分析其硬件、軟件功能，對(duì)其消化、吸收，才能對(duì)程序進(jìn)行修改、維護(hù)、優(yōu)化程序，從而擴(kuò)大系統(tǒng)的適應(yīng)范圍，提高技術(shù)指標(biāo)和性能參數(shù)。