引言

对于嵌入式系统的单片机程序设计，其目标代码的运行效率是很令人关注的[1-2]。开关语句switch是C51程序设计中的一个重要语句，其逻辑清晰、层次结构分明、易读性和可维护性都很好，因此受到程序设计者的青睐。本文分析目前流行的Keil C51编译，分析其对switch的编译方法及其编译效果。

Keil C51编译switch-case语句，对于分支少于8的switchcase语句，其转移控制程序一般情况是将候选值（即case之常量）逐一比较，即编译成比较跳转指令形式，代码率很高；但对分支超过8个的较为复杂的switchcase语句，考虑到代码的执行效率，其转移控制程序要调用不同的系统库函数进行处理，其运行效率差强人意。

1复杂式switch控制转移编译方法

分支大于8的情形，如果其Δx（即case值之间的差）小于255，则采用复杂式编译。因为51单片机是8位单片机，执行字符型运算只要一条指令，执行整型运算至少要两条指令，长型运算则要4条指令。基于代码的执行效率考量，Keil编译对于选择因子是字符型（8 位）、整型（16 位）或长型（32 位），所提供的编译略有不同，对应的函数库分别是CCASE 、 ICCASE或LCASE。 编译的目标代码虽然不同，但算法基本相同。

本编译方式所产生的开关语句switch结构分4层：开关头码、转移控制代码、转移表、开关体，其结构如图1所示。

图1 开关语句编译后代码结构

转移表由地址域和值域构成，按照case值上升排序，其结构如表1所列。

控制转移算法描述如下：

① 扫描开关转移表；

② 判断地址域是否为0；

③ 不为0，则跳转至⑤；

④ 表终止标志，计算switch出口地址在表中位置，跳转至⑥；

⑤ 判断值域是否与A相等，若不等，则跳转至①；

⑥ 从表中取出相应的入口，间址转移至分支处理程序。详细算法，参见图2。

图2 转移控制算法流程

下面选择字符型为例，说明复杂式switch编译的目标代码及其代码结构。

例：复杂式switch源程序段如下：

switch(x){

case 3: y=2*x;break;

case 7: y=5+x;break;

case 32: y=7/x;break;

case 21: y=x; break;

case 30: y=25;break;

case 40: y=x*3;break;

case 47: y=x*4;break;

case 50: y=x/2;break;

case 43: y=x/3;break;

}

编译后的目标代码分解如下：

（1） 转移控制库函数CCASE

C:0x0381D083 POPDPH(0x83) ;转移表首址≥DPTR

C:0x0383D082 POPDPL(0x82)

C:0x0385F8 MOVR0,A;选择因子送R0

C:0x0386E4 CLRA

C:0x038793 MOVCA,@A+DPTR;取入口地址码高字节

C:0x03887012 JNZ C:039C;如果非空转移39C

C:0x038A7401 MOVA,#0x01;取入口地址码低字节

C:0x038C93 MOVCA,@A+DPTR

C:0x038D700D JNZC:039C;为0，表终止，否则转39C

C:0x038FA3 INCDPTR;本层结束，计算switch出口地址

C:0x0390A3 INCDPTR

C:0x039193 MOVCA,@A+DPTR;取转移地址

C:0x0392F8 MOV R0,A

C:0x03937401 MOV A,#0x01

C:0x039593 MOVCA,@A+DPTR

C:0x0396F582 MOVDPL(0x82),A;转移地址送DPTR

C:0x03988883 MOVDPH(0x83),R0

C:0x039AE4 CLR A;转移到相应的处理程序

C:0x039B73 JMP @A+DPTR

C:0x039C7402 MOVA,#0x02;取case的值

C:0x039E93 MOVCA,@A+DPTR

C:0x039F68 XRL A,R0;判断是否与选择因子相同

C:0x03A060EF JZC:0391;相同，跳转

C:0x03A2A3 INC DPTR;推进表指针，指向下一条记录

C:0x03A3A3 INC DPTR

C:0x03A4A3 INC DPTR

C:0x03A580DF SJMPC:0386;下一轮判定

（2） switch的开关头码

40: switch(x)

C:0x041FEFMOVA,R7;switch的开关头码

C:0x0420120381LCALLCCASE(C:0381);转移控制函数CCASE

（3）转移表

C:0x04230442;转移表，分支地址即地址域

C:0x042503;3 ，分支值域

C:0x04260445;分支地址0x0445

C:0x042707;7 ，分支值域

C:0x04290452

C:0x042A15;21

C:0x042C0456

C:0x042E1E;30

C:0x042F044C

C:0x043120;32

C:0x0432045B

C:0x043428;40

C:0x04350475

C:0x04372B;43

C:0x04380464

C:0x04392F;47

C:0x0440046D;分支地址即地址域

C:0x043D32;50，分支值域

C:0x043E0000;表终止标志

C:0x0440047E;本层switch结束出口

（4） 开关体

开关体代码物理排序没有变化。

41: {

42:case 3: y=2*x;break;

C:0x0442EFMOVA,R7;值域为3的处理程序

C:0x04438022SJMPC:0467

……

50: case 43: y=x/3;break;

C:0x0475EFMOVA,R7;值域为43的处理程序

C:0x047675F003MOVB(0xF0),#0x03

C:0x047912035FLCALLC?SCDIV(C:035F)

C:0x047CF508MOV0x08,A

}

（5） 本层的出口地址

C:0x047E;

2简式switch转移控制编译方法

对于分支不大于8的情形，且Δx小于255，则采用简单形式编译转移控制代码。方法如下:

设xn为n个case值，且xn>xn-1，则有

Δxn=xn-∑h-1i=1xi(n=2,3,…,8)

简式的算法是：将选择因子逐一与Δx相减，若结果为0，则转移到相应的分支处理程序。

例：简式switch源程序如下：

switch(x){

case 3: y=2*x;break;

case 7: y=5+x;break;

case 32: y=7/x;break;

case 21: y=x; break;

case 30: y=25;break;

case 40: y=x*3;break;

case 47: y=x*4;break;

case 50: y=x/2;break;

}

表2为case值的编排结果,相应的Δx如表3所列。

程序中减法采用补码加法运算，最后一项为第一个值域的值差。

（1） 开关转移控制代码

40: switch(x)

C:0x041FEFMOVA,R7

C:0x042024F9ADDA,#0xF9；补码加，即减7

C:0x0422601FJZ C:0443；相等，则转到相应分支程序

C:0x042424F2ADDA,#0xF2；补码加Δx3，即减14

C:0x0426602DJZ C:0455

C:0x042824F7ADDA,#0xF7；补码加Δx4，即减9

C:0x042A602DJZ C:0459

C:0x042C24FEADDA,#0xFE；补码加Δx5，即减2

C:0x042E601AVJZC:044A

C:0x043024F8ADDA,#0xF8；补码加Δx6，即减8

C:0x0432602AJZC:045E

C:0x043424F9ADDA,#0xF9；补码加Δx7，即减7

C:0x0436602FJZC:0467

C:0x043824FDADDA,#0xFD；补码加Δx8，即减3

C:0x043A6034JZC:0470

C:0x043C242FADDA,#0x2F；最后一项，加上与第一项case值之增量

C:0x043E7036JNZC:0476；不相等，switch结束，否则顺序执行第一项case

（2） 开关体

41: {

42: case 3: y=2*x;break;

C:0x0440EFMOVA,R7

C:0x04418027SJMPC:046A

结语

考虑到嵌入式软件运行效率要高的特点，Keil对switch的编译，根据选择因子的数据类型，采用4种方式。其中，简式编译效率最高，其设计方式比较精巧，很值得程序员学习[7，8]。但在简式switch程序中，程序员对case值的排列是毫无用处的，因此，当根据事件发生频度来设计程序时，最好采用if语句。对于复杂式的编译，其代码结构很符合程序设计的风格，即代码与数据分离，建立一个由地址域和值域构成的转移表，然后根据选择因子的数据类型，构造算法相同的扫描转移表完成代码的编译，算法简洁，但由于是顺序扫描，效率较差[3]。对于长型的选择因子，其编译后的代码较长，效率比较低，因此，在程序设计时，要慎用长型。当不得已使用长型选择因子时，如果选择因数（case 值）不是很多，选取if-then-lese的语句效果会更好。

许多参考文献都在讨论嵌入式软件设计的运行效率[4-8]。单片机程序的一个重要设计目标是对硬件的控制，因此，用汇编语言设计程序可以取得较好的效果，但汇编语言程序较难掌握，对于较为抽象的算法，用汇编语言更难，并且其可读性和可维护性较差，因此，用混合编程方法是一个好办法。另外一个途径就是，利用C语言先行设计，然后根据Keil编译的结果进行修改，也可以得到非常满意的效果。