1 MCS-51系列單片機結構化程序設計概述

結構化程序指程序組成結構化、功能模塊化、運行流程化。結構化程序要求將處理特定任務的代碼和數據與程序其余部分隔離，在MCS-51系列單片機結構化程序中，實現隔離的方法是將處理特定任務的指令和數據設計成子程序或中斷服務子程序。這些子程序或中斷服務子程序稱作功能模塊，其具有確定功能，處理特定任務，解決專門問題。

在MCS-51系列單片機結構化程序設計時，按照總體規劃和總體設計，由若干軟件設計人員分別編程設計各功能模塊，再依據軟件結構和程序流程，由若干功能模塊組成結構化程序，實現應用程序整體功能，解決復雜的實際問題。

MCS-51系列單片機結構化程序具有結構清晰、邏輯性強、易于維護、便于共享、運行穩定、可靠性高等特點。按照結構化程序設計要求編程，有助于規范軟件設計人員的編程工作，有助于提高軟件設計人員的編程效率，有助于提升軟件設計人員的編程水平。

2 三種基本結構及程序實現方法

MCS-51系列單片機結構化程序由若干功能模塊構成，功能模塊由三種基本結構組成，即順序結構、選擇結構、循環結構。由這三種基本結構組成的功能模塊，能實現各種程序算法，解決復雜實際問題。

2.1 順序結構

在順序結構程序中，按先后順序，CPU逐條執行指令或逐段執行程序段。順序結構分為逐條順序結構和逐段順序結構兩種。逐條順序結構如圖1所示，逐段順序結構如圖2所示。


2.2 選擇結構

在選擇結構程序中，CPU執行條件判斷指令(或間接轉移指令)，依據條件(或轉移目的地址)執行對應分支程序段。選擇結構分為二分支選擇結構和多分支選擇結構。

2.2.1 二分支選擇結構

在二分支選擇結構程序中，CPU執行條件判斷指令，判斷轉移條件。當條件滿足時，CPU執行程序段1；當條件不滿足時，CPU執行程序段2，實現了二分支選擇功能。條件轉移類指令、比較不相等轉移類指令均可作為條件判斷指令。二分支選擇結構如圖3所示。程序實現方法參見范例1。

范例1：
CJNE A，# DATA,PGM2
PGM1：{程序段1}
LJMP EXIT
PGM2：{程序段2}
EXIT：┇

2.2.2 多分支選擇結構

在多分支選擇結構程序中，CPU執行間接轉移指令，計算多分支轉移目標地址，依據多分支轉移目標地址，CPU執行對應分支程序段，實現了多分支選擇功能。在多分支選擇結構程序實現方法范例2中，A中保存有多分支選擇條件值n，多分支選擇結構如圖4所示。程序實現方法參見范例2。

范例2：
PGM： MOV R1，A
RL A
ADD A，R1
MOV DPTR，# PGMTB
JMP @A+DPTR
PGMTB： LJMP PGM0
LJMP PGM1
┇
LJMP PGMn
┇
PGM0： {程序段0}
LJMP EXIT
PGM1： {程序段1}
LJMP EXIT
┇
PGMn： {程序段n}
LJMP EXIT
EXIT： ┇

2.3 循環結構

在循環結構程序中，CPU執行條件轉移指令，依據條件決定是否繼續執行循環體。循環結構分為當型循環結構和直到型循環結構兩種，下面分別介紹。

2.3.1 當型循環結構

在當型循環結構程序中，CPU首先執行條件轉移指令，判斷循環條件。當條件滿足時，CPU繼續執行循環體程序；當條件不滿足時，CPU退出循環結構程序，接著執行后續程序。當型循環結構如圖5所示，程序實現方法參見范例3、范例4。

范例3：
LOP1： JB BIT，LOP2
LJMP EXIT
LOP2： {循環體}
LJMP LOP1
EXIT： ┇
范例4：
LOP1： JNB BIT，EXIT
{循環體}
LJMP LOP1
EXIT： ┇

2.3.2 直到型循環結構

在直到型循環結構程序中，CPU首先執行循環體程序，再執行條件轉移指令，判斷循環條件。當條件滿足時，CPU繼續執行循環體程序；當條件不滿足時，CPU退出循環結構程序，接著執行后續程序。直到型循環結構如圖6所示，程序實現方法參見范例5、范例6。

范例5：
MOV R2，#COUNT
LOP1： {循環體}
DJNZ R2，LOP1
┇
范例6：
LOP1：{循環體}
JB BIT，LOP1
┇
說明：條件轉移類指令、比較不相等轉移類指令、減1不為0轉移指令均可作為條件判斷指令，由CPU決定是否繼續執行循環體，從而實現了循環執行程序段功能。

3 MCS-51系列單片機結構化程序設計步驟

MCS-51系列單片機結構化程序設計步驟如圖7所示，現對各部分具體設計要求分別敘述。


(1)需求分析

通過現場調研及與用戶交流，全面、深入、準確地分析MCS-51系列單片機結構化程序設計所要解決的實際問題，搞清實際問題所涉及的應用環境、應用對象、應用過程、應用要求、應用聯系，從整體上得出結構化程序設計所要達到的目標及系統所要實現的功能、完成的具體任務、產品的形式，最后形成需求分析報告。

(2)總體規劃

在需求分析的基礎之上，制訂出MCS-51系列單片機結構化程序設計的總體規劃。總體規劃中應確定MCS-51系列單片機結構化程序設計的設計原則、設計目標、設計任務、設計方式、設計進度和設計協作。

(3)總體設計

基于需求分析，按照總體規劃進行總體設計，確定出MCS-51系列單片機結構化程序設計的具體技術方案。總體設計包括系統性能設計、功能設計、工作原理設計、軟件結構設計、程序流程設計和通信協議設計。

(4)模型建立

總體設計確定了軟件結構的所有功能模塊，某些功能模塊涉及處理復雜實際問題，應根據相關理論和專業知識，對復雜實際問題建立數學模型，為后續算法設計提供依據。

(5)數據結構

依據功能模塊所要完成的指定功能、所要執行的具體任務、所要處理的具體問題，針對為特定功能模塊所建立的數學模型，應確定出功能模塊的輸入數據、暫存數據、輸出數據、數據關系。對于MCS-51系列單片機結構化程序設計，應統籌規劃內部RAM、確定數據類型、定義程序變量、分配數據存儲單元，為后續算法設計打好基礎。

(6)算法設計

結構化程序設計包括結構化算法設計。在建立了特定功能模塊的數學模型、規劃了特定功能模塊的數據結構之后，應對數學模型進行結構化算法設計，結構化算法設計的原則如下：
①自頂向下、逐步求精。基于需求分析制訂出總體規劃，依據總體規劃完成總體設計，按照總體設計自頂向下對總任務逐層分解細化，直到每個子任務僅處理一個特定問題。
②模塊化設計。由自頂向下、逐步求精得出的子任務處理程序稱為功能模塊，處理復雜實際問題的應用程序由多層若干功能模塊組成。
③功能模塊特性。功能模塊僅處理一個特定子任務；功能模塊由順序、選擇和循環三種基本結構組成；功能模塊可獨立編程、獨立編譯、獨立調試；功能模塊可被上層功能模塊調用。

(7)程序編輯

按照數據結構規劃，對軟件結構中各層功能模塊應分別進行編程。對于建有數學模型、設有算法的功能模塊，應依據算法設計進行編程。

(8)程序編譯

利用集成開發調試工具軟件，對各層功能模塊源程序分別編譯，檢查程序語法。若發現語法錯誤，應修改源程序重新編譯，直到所有功能模塊源程序編譯通過為止。

基于總體設計，參照軟件結構圖及程序流程圖，將各層功能模塊集成到一起，形成一個完整應用程序，并進行統一編譯。若發現語法錯誤，應修改應用程序重新編譯，直到應用程序編譯通過為止。

(9)程序調試

利用集成開發調試工具軟件，首先對各層功能模塊分別進行調試，檢查各功能模塊的功能是否正確。若發現功能邏輯錯誤，應修改程序錯誤后重新調試，直到所有功能模塊調試通過為止。然后對應用程序進行統調，檢查應用程序的總體功能是否正確。若發現功能邏輯錯誤，應跟蹤查找錯誤原因，確定引起錯誤的位置，修改程序錯誤后重新調試，直到應用程序調試通過為止。

(10)文檔整理

應用程序調試通過后，應對應用程序進行測試，測試通過后，應整理出應用程序的整套技術文檔。技術文檔包括需求分析報告、總體規劃報告、總體設計報告、源程序文件和使用說明。

本文探討了MCS-51系列單片機結構化程序設計相關問題，對于其他系列單片機，軟件程序設計人員可參照本文進行對應結構化程序設計。對于本文所述功能模塊，軟件設計人員應結合實際、準確理解、整體考慮、總體設計、按功能分層次設計好各層功能模塊。本程序的設計步驟及硬件設計部分，對MCS-51系列單片機應用系統設計同樣適用。