ANSIC程序到KeilC51的移植心得

摘要：本文讲述了将ANSIC程序移植到KeilC51上应该注意的事项。文章讲述了存储
类型、指针类型、重入函数、根据目标系统RAM的分布的段定位和仿真栈设置、函数
指针、NULL指针问题、字节顺序、交叉汇编等移植时需要注意的事项。对存储类型、
指针类型、重入函数对程序的效率的影响进行了分析。最后文章以将ucosii移植到
KeilC51的小模式下为实例，讲述了移植的一般步骤。

1 引言
C语言是应用很广泛的计算机语言。因为它具有很强的移植性等优点，在编写单片
机程序时，有时系统的可读性、易维护性往往比程序的效率更重要，这时候我们可
以选择C语言作为程序语言。使用C语言的另一个优点是可以利用大量的程序资源，
为X8086等CPU编写的C程序只要稍加修改就可以拿过来用，避免了重复开发。Keil
C51是51系列单片机上的优秀的C编译器，了解KeilC的特点将有利于编写和移植高
效的C51程序。

2 指定存储类型，尽量使用小模式编译
KeilC中的变量除了可以设置数据类型以外还可以设置存储类型(Memory type)。
对于变量常需要在data，idata，pdata和xdata这几个存储类型之间做一个选择，
它们分别将变量放在内部RAM，间接寻址内部RAM，用R0、R1寻址的外部RAM，用DP
TR寻址的外部RAM。KeilC编译器使用的存储模式(memory model)有小模式、紧凑模
式和大模式。在各个模式下，如果变量没有指定存储类型，默认分别对应data、p
data、xdata存储类型。四种存储类型访问速度依次降低，但是可用空间依次增多
。
稍大的C程序有较多的外部变量，如果从ANSI移植到KeilC不给变量指定存储类型
，那么一般只能使用大模式编译，这样程序速度较慢。为了能在小模式下编译，我
们可以将数据量大、访问量小的变量定义为xdata类型，我的做法是将所有的外部
变量都定义为xdata或者pdata，局部变量不指定存储类型，这样一般能在小模式下
编译。

3 尽量使用指定存储类型的指针(memory-specific pointer)不使用一般指针(gen
eric pointer)
如果程序移植的时候不做修改，所有的指针将都是"一般指针"，我们的建议是尽
量修改为"指定存储类型"的指针，因为它的效率要高很多。
首先一般指针使用三个字节，第一个字节指示是什么存储类型，后两个字节是指
针指向的地址。"指定存储类型"的指针则只用一个或者两个字节。可见"一般指针
"占用内存多。
另外，为了取得"一般指针"指向的数据，程序必须调用?C?CLDPTR函数，在？C？
CLDPTR中根据指针第一字节指示的存储类型采取不同的读取RAM的方式。而使用"指
定存储类型"的指针时，采取哪种读取RAM的方式在编译时已经确定，不用在运行时
动态判断。可见"一般指针"运行效率低。
"指定存储类型"的指针指向的变量必须要有明确的存储类型。一般情况下程序中
使用指针是为了指向大块内存，而KeilC中大块内存一般定义为外部变量。依照第
一点移植建议，所有的外部变量都定义为xdata或者pdata类型了，有明确的存储类
型，这说明程序中的指针基本都可以改为"指定存储类型"的指针。

4 需重入函数增加reentrant关键字
X8086CPU上运行的Dos和Windows程序中的函数都是可重入函数。但是为提高效率
，KeilC默认情况下使用寄存器传递参数，局部变量放在固定的内存空间，这样函
数就不可重入了。如果不加修改的将ANSI程序移植到KeilC，发生不可重入函数被
重入时，程序运行将出错。这时我们需要将可能被重入的函数后增加reentrant关
键字。
但是我们往往对需要移植的程序的流程不太了解，这样也就不清楚哪个函数可能
被重入。这里提供一个方法：首先不添加reentrant，在KeilC下编译连接，将会有
警告。如果提示"recursive call to non-reentrant function"，说明此函数被递
归调用而重入；如果提示"multiple call to segment"，说明此函数很可能是被中
断函数和非中断函数都调用而重入。然后，在有以上警告的函数后增加reentrant
关键字。但是以上的设置方法并不是万无一失，比如有函数指针存在的程序，函数
调用树(call tree)不能反映真实调用情况；又如程序中改变压入堆栈的程序指针
，使得函数返回时不回到原来的调用点，例如ucosii就是采用这种方式进行任务切
换，这时KeilC编译器无法建立正确的函数调用树，无法判断是否被重入。
既然判断函数是否会被重入较麻烦，为何不将所有的函数都设置为reentrant类型
？为了明白这点，我们首先要了解一下reentrant函数的执行速度和代码量。
为了使函数可重入，KeilC使用了仿真栈(simulated stack)，它区别于SP寄存器
指向的硬件栈(hardware stack)。在大模式、紧凑模式和小模式下仿真栈分别被定
义在XDATA、PDATA、IDATA空间中。仿真栈从上向下生长。有一个全局变量（编译
器自动定义的）指向栈顶，对于不同的存储模式该变量分别是：?C_XBP、 ?C_PBP
、 ?C_IBP。仿真栈的作用和Dos操作系统下的堆栈作用是类似的。重入函数和非重
入函数运行时的区别主要有：

-----------------------------------------------------------------------
情况                                非重入函数          重入函数

-----------------------------------------------------------------------
函数参数无法全部通过寄存器传递时    通过局部数据段传递      通过仿真栈传递
需要局部变量时             局部变量放在局部数据段中    局部变量放在仿真栈中
函数返回时                          调整仿真栈顶

-----------------------------------------------------------------------
X0886CPU支持类似于mov eax, dword ptr [esp+20]的汇编语言来读取堆栈的内容
，而51单片机没有读取仿真栈的配套指令，所以仿真栈的额外操作使得速度变慢、
代码量增大。如果你的移植系统对速度和代码量有要求，要避免设置不必要的函数
为reentrant类型。

5目标系统的外部RAM起始地址影响段定位和仿真栈设置
例如你的系统的外部RAM为32K，而KeilC默认情况下认为外部RAM为64K，如果移植
程序使用了超过32K的RAM，编译器不会报错，但是程序运行将会出错；又如，你的
系统为了某种需要将RAM范围设置为0x8000-0xFFFF，这时也需要告诉KeilC地址范
围。
设置xdata段定位的方法。例如外部RAM地址分布为0x0000-0x4000和0xC000-0xFF
FF。命令行方式下使用BL51的选项XDATA：BL51 MyProgram.obj XDATA(0x0000
-0x4000,0xC000-0xFFFF)。在KeilC集成开发环境中，找到菜单project－》optio
n for target1－》BL51 location，在Xdata输入框中输入0x0000-0x4000,0xC000
-0xFFFF。
设置pdata段定位的方法。如果让pdata使用0x8000-0x80FF之间的外部RAM，在命
令行方式下使用BL51的选项PDATA：BL51 MyProgram.obj PDATA(0x8000)。在集
成开发环境下，找到菜单project－》option for target1－》BL51 location，在
Pdata输入框中输入0x8000。其中0x8000就是pdata的起始地址。还要修改Startup
.a51，修改如下： ① 增加Startup.a51到工程：将KeilC\C51\LIB\Startup.a51拷
贝一份到你的工作目录下，然后添加到你的工程中。② 找到startup.a51中的
PPAGEENABLE EQU 0   ; set to 1 if pdata object are used.
PPAGE       EQU 0   ; define PPAGE number.
修改为：
PPAGEENABLE EQU 1   ; set to 1 if pdata object are used.
PPAGE       EQU 80H ; define PPAGE number.
初始化时，PPAGE将被赋予单片机P2口寄存器，当程序使用类似MOVX A,@R0时，高
8位地址就是PPAGE的值。使用pdata类型数据时，要特别注意不能随意在程序中修
改P2寄存器的值。
大模式下设置仿真栈顶。在大模式下仿真栈在xdata空间。如果外部RAM地址范围
是0x0000到0x8000。此时需要设置栈顶为0x8000，默认情况下的(0xFFFF+1 )将会
使程序出错。设置方法是：① 增加startup.a51。② 修改startup.a51中的部分代
码为如下代码：
XBPSTACK        EQU 1   ; set to 1 if large reentrant is used.
XBPSTACKTOP EQU 7FFFH+1; set top of stack to highest location+1..
紧凑模式下设置仿真栈顶。默认的情况下为0xFF+1。但是某些时候采用默认值会
出错。比如pdata所有变量占用0x80字节的空间，并且你的程序中有0x80字节的xd
ata类型的数据。那么默认情况下pdata数据放到0-0x007F，xdata放到0x0080-0x0
0FF。这时默认的仿真栈顶在0x00FF，它和xdata数据区冲突。一个解决的办法是将
pdata段定位到xdata段的后面，例如这里将pdata段起始地址定位在0x100。
6 KeilC中的函数指针
如果被移植的程序中使用了函数指针，那么就要注意覆盖分析的出错问题。问题
的产生在于"覆盖分析"(overlay)技术。在小模式下编译的C51程序局部变量都放在
data空间中，为了重复利用data空间，KeilC采用了overlay技术：一个程序中函数
的层层调用会形成一个函数"调用树"(call tree)，处于函数调用树的不同树枝上
的函数可以共享一块内存空间（即覆盖），这样就节省了内存空间的使用。KeilC
能够根据函数调用树进行正确的覆盖分析。使用函数指针一般有两种操作：① 将
一个函数名赋给一个函数指针，这时KeilC误认为调用了这个函数名对应的函数。
② 使用函数指针调用函数，这时KeilC不能发现调用了函数。这都使得函数调用树
出错，由此调用树进行的覆盖分析也将出错，致使局部变量冲突，程序出错。对此
有两种措施：① 手动修正调用树：使用BL51的OVERLAY选项增删调用树的树枝。②
将通过函数指针调用的函数都设置为reentrant类型，由于reentrant类型局部变
量在仿真栈中，不会引起局部变量冲突。
ANSIC中，通过函数指针调用的函数的参数的个数没有限制，但是KeilC对此有限
制，至多3个参数。因为，KeilC编译时，无法通过函数指针找到该函数的局部数据
段，也就无法通过局部数据段传递参数，只能通过寄存器传递参数，所以参数个数
是有限制的。碰到这个问题时解决办法是：① 将该函数改为reentarnt类型。② 
修改源程序，将多个参数放在一个结构体中传递。

7 NULL指针问题
C程序一般规定任何变量都不能使用地址为0的内存。但是单片机的xdata空间的0
地址内存在默认的情况下是可以被使用的。现假如有内存分配函数malloc(int si
ze)，malloc函数成功分配了一块0地址开始的内存，返回首地址0，当程序发现返
回值等于NULL时误认为内存分配失败。为了防止以上错误，我们移植时要增加以下
一个全局变量：
Char xdata NULLAddr _at_ 0
这里使用了KeilC的_at_关键字将一个变量NULLAddr指定在0地址，从而避免了其它
变量占用0地址。

8 字节顺序(byte order)
X8086等CPU在内存中双字节变量：高字节在高地址，低字节在低地址。KeilC51默
认双字节变量则顺序相反。字节顺序引起修改的一个典型例子：TCP/IP程序中的h
tons()函数将主机字节顺序转化为网络字节顺序，对于X8086和KeilC51这个htons
()函数是不同的。

9 交叉汇编
移植的时候可能还需要编写少量的51汇编程序。汇编和C互相调用应该遵守KeilC
的参数传递和返回值传递规则。为了使汇编程序也能够进行overlay分析，汇编的
书写要有一定的格式。另外需要强调的一点是：被C程序调用的汇编函数可以使用
所有的寄存器，而不用担心会修改C程序中使用的寄存器。

10 关键字
pdata、data等KeilC关键字可能被ANSIC程序中用作变量名，必须修改之。

11 实例：Ucosii到KeilC小模式下的移植
Ucosii已经由杨屹移植到KeilC的大模式下，本文讲述将其修改为小模式的方法。
移植步骤如下：
(1)将所有的外部变量定义为xdata储存类型。
(2)修改指针：查找'*'符号，发现是指针定义的地方在'*'号前加xdata。
(3)在所有的函数申明后增加reentrant关键字。对Ucosii，无法用上文提到的方法
判断哪些函数可能被重入，只好全部设置为可重入函数。
(4)根据你的目标系统的外部RAM起始地址定义xdata段的起始地址。下面具体讲一
下移植到小模式下仿真栈的使用。
在小模式下仿真栈顶默认设置在内部RAM空间的顶端0xFF。硬件栈顶初始值由Keil
C自动分配，实际上在决定栈顶以前KeilC先安排所有的data类型变量，然后设置S
P指向空余data空间的开始。这时两个堆栈上下相对增长。对于堆栈是否会溢出，
KeilC本身不提供编译警告，只能在程序运行时调试。
Ucosii任务栈中是否需要保存堆栈，因移植系统的不同而不同。① 移植到堆栈在
外部RAM中的系统上（例如Dos）时，只要保存当前堆栈的指针就可以了。② 移植
到KeilC大模式下时，需要保存硬件栈的内容和仿真栈的指针。③ 移植到KeilC小
模式下，需要保存硬件栈的内容和仿真栈的内容，它的任务栈的结构如右图所示。

通过？C_IBP可以知道仿真栈所在的内部RAM区间。用以下的方法可以获得初始硬
件栈顶，在汇编程序中增加以下代码：
?STACK SEGMENT IDATA
RSEG ?STACK
StkBottom:
标号StkBottom即为硬件栈的初始栈顶。通过硬件栈大小和初始栈顶可以知道硬件
栈所在内部RAM的区间。图中的寄存器的排列顺序和KeilC在进入中断以后保存寄存
器的顺序是一致的，和中断时寄存器压栈顺序一致是ucosii所要求的。
函数指针问题。Ucosii有任务切换，KeilC得到函数调用树是错误的。另外在m
ain函数中一般将任务函数(例如Task1)作为参数传递给OSTaskCreate函数，KeilC
误认为main函数调用了Task1。由于已经将所有的函数都申明为reentrant类型，所
以没有必要手动修正调用树，实际上也很难修正。
(6)NULL指针问题。使用以上提到的方法，避免NULL指针问题。
(7)交叉汇编。Ucosii移植的需要编译一部分51汇编程序。
(8)关键字。Ucosii中使用pdata、data作为变量名，修改这些变量名。