模塊化設(shè)計(jì)在單片機(jī)編程中的應(yīng)用

貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張定祥

模塊化編程在嵌入式學(xué)習(xí)中是比較常用的方法。本文以單片機(jī)控制溫度傳感器為例，介紹模塊化設(shè)計(jì)在單片機(jī)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用，闡述了模塊化設(shè)計(jì)的概念、發(fā)展歷程以及模塊化設(shè)計(jì)在單片機(jī)學(xué)習(xí)中的編寫方法，為將來學(xué)習(xí)開發(fā)嵌入式項(xiàng)目打下良好的基礎(chǔ)。

學(xué)習(xí)單片機(jī)的同學(xué)都會遇到一個(gè)疑問。為什么我在課堂上學(xué)習(xí)單片機(jī)之后，卻不能做一個(gè)復(fù)雜的項(xiàng)目？這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)較復(fù)雜的程序時(shí)，一般采用自頂向下的方法，將問題劃分為幾個(gè)部分，各個(gè)部分再進(jìn)行細(xì)化，直到分解為較好解決問題為止。這就是模塊化設(shè)計(jì)，其基本思想是自頂向下、逐步分解、分而治之，即將一個(gè)較大的程序按照功能分割成一些小模塊，各模塊相對獨(dú)立、功能單一、結(jié)構(gòu)清晰、接口簡單。

模塊化設(shè)計(jì)，就是程序的編寫不是一開始就逐條錄入計(jì)算機(jī)語句和指令，而是首先用主程序、子程序、子過程等框架把軟件的主要結(jié)構(gòu)和流程描述出來，并定義和調(diào)試好各個(gè)框架之間的輸入、輸出鏈接關(guān)系逐步求精的結(jié)果，得到一系列以功能塊為單位的算法描述。以功能塊為單位進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其求解算法的方法稱為模塊化。

1 模塊化設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史

模塊化程序設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)密切相關(guān)，它們的全部目標(biāo)都是通過分解成較小的部分來促進(jìn)大型軟件程序和系統(tǒng)的構(gòu)建，并且都起源于1960 年代。1968 年7 月在信息和系統(tǒng)研究所由拉里·康斯坦丁組織的全國模塊化編程研討會上提出“模塊化編程”。1980 年代開始普及模塊化編程。最初的Pascal 語言不包含模塊，但后來的版本，尤其是UCSD Pascal 和Turbo Pascal，就像Pascal 一樣以“單元”的形式包含了它們。1990 年代，由于C++和Java 的流行，模塊化編程被面向?qū)ο蟮木幊趟谏w，并且常常與之混淆。例如，C 語言家族在C++中支持對象和類和Objective-C，僅支持30 年或更長時(shí)間的模塊。Java（1995）支持包形式的模塊，盡管代碼組織的主要單位是類。模塊化編程現(xiàn)已普及，并且?guī)缀蹩梢允褂?990 年代以來開發(fā)的所有主要語言。

2 模塊化編程

模塊化編程是指將大型、笨拙的編程任務(wù)分解為單獨(dú)的、更小更易于管理的子任務(wù)或模塊的過程。然后像構(gòu)建塊一樣拼湊單個(gè)模塊以創(chuàng)建更大的應(yīng)用程序。在傳統(tǒng)方法編程方式中，所有的函數(shù)均放在主函數(shù)（main.c）里，若使用的模塊比較多，則一個(gè)文件內(nèi)會出現(xiàn)很多的代碼，不利于代碼的組織和管理，而且很影響編程者的思路。而模塊化編程方式中，把各個(gè)模塊的代碼放在不同的.c 文件里，在.h 文件里提供外部可調(diào)用函數(shù)聲明，其他.c 文件想使用其中的代碼時(shí)，只需要#include“xxx.h”文件即可。模塊化編程強(qiáng)調(diào)將程序的功能分為獨(dú)立的，可互換的模塊，這使得模塊化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)比傳統(tǒng)的整體式設(shè)計(jì)具有更高的可重用性，因?yàn)樗心K都可以在其他項(xiàng)目中重復(fù)使用。模塊化編程在嵌入式中是必須要掌握的技能。

3 單片機(jī)編程中的模塊化設(shè)計(jì)

模塊化編程在編程當(dāng)中十分重要，因?yàn)槟K化編程的代碼可以重復(fù)使用，可以減輕編程工作者的工作量，在單片機(jī)的編程設(shè)計(jì)中尤為重要。這里以AT89C51 單片機(jī)，在編程軟件Keil 環(huán)境下實(shí)施一個(gè)工程，來說明模塊化編程具體操作的方法和步驟。例子要實(shí)現(xiàn)的功能：采用液晶顯示溫度傳感器DS18B20 提取的溫度值，并通過串口將溫度值發(fā)送出去。

（1）在同一文件夾下新建一個(gè)main.c 文件（或主文件或運(yùn)行文件）和xxx.c 文件（或功能文件）和xxx.h 文件（頭文件），其中xxx.c 文件（或功能文件）和xxx.h 文件（頭文件）的文件名“xxx”要有意義，最好可以體現(xiàn)該文件的功能。如圖1 所示。

圖1 代碼（code）文件夾下文件Fig.1 Files in the code folder

（2）編寫xxx.c 文件（或功能文件）內(nèi)容（如圖2所示）：

圖2 延時(shí)功能模塊的C 文件內(nèi)容Fig.2 C file content of delay function module

1）包含xxx.h 文件（或頭文件）；

2）聲明變量或定義變量；

3）編寫功能函數(shù)。

注意事項(xiàng)：

模塊內(nèi)不想被外部引用的函數(shù)和全局變量需在“.c”文件頭冠以static 關(guān)鍵字聲明。函數(shù)的聲明有無extern都行，變量的聲明必須加上extern，否則編譯器無法識別聲明[1]。

（3）編寫xxx.h 文件（或頭文件）內(nèi)容（如圖3 所示）：

圖3 延時(shí)頭文件Fig.3 Delayed header file

注意事項(xiàng)：

函數(shù)默認(rèn)是extern 屬性，也就是我們聲明函數(shù)的時(shí)候前面的extern 可有可無。“.h”文件中不可以定義變量，在“.h”中只能聲明，不能定義。聲明變量不會占用內(nèi)存，定義變量才會[2]。

（4）編寫main.c 文件（或主文件或運(yùn)行文件）內(nèi)容（如圖4 所示）:

圖4 函數(shù)包含文件Fig.4 Main function contains files

圖5 讀取溫度傳感器DS18B20 液晶顯示并串口發(fā)送的仿真結(jié)果Fig.5 Reading the simulation results of temperature sensor DS18B20 LCD display and serial port transmission

4 結(jié)語

通過上述實(shí)例分析，可以了解模塊化編程的方法是將工程劃分為不同模塊。主函數(shù)只調(diào)用函數(shù)，而不定義函數(shù)。在各模塊文件中定義功能函數(shù)，并將要用到的函數(shù)利用同名頭文件申明外部函數(shù)供其他文件調(diào)用。使用模塊化編程可以使代碼更有序，可以便捷地編寫大型項(xiàng)目。模塊化將不需要的細(xì)節(jié)盡可能對外部隱藏，實(shí)現(xiàn)函數(shù)的封裝。便于重復(fù)利用代碼，實(shí)現(xiàn)某一功能代碼可以在多處調(diào)用，可以在別的項(xiàng)目使用。便于分工合作，團(tuán)隊(duì)共同開發(fā)一個(gè)項(xiàng)目，也可以將程序分為多個(gè)模塊，每個(gè)人只完成一個(gè)模塊的內(nèi)容。

引用

[1] 王靜霞.單片機(jī)基礎(chǔ)與應(yīng)用(C語言版)(第2版)[M].北京:高等教育出版社,2016.

[2] 宋戈,黃鶴松,員玉良,等.51單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)范例大全[M].北京:人民郵電出版社,2010.