深入淺出AMetal之LED 數(shù)碼管接口

周立功教授新書《面向AMetal框架與接口的編程（上）》，對(duì)AMetal框架進(jìn)行了詳細(xì)介紹，通過閱讀這本書，你可以學(xué)到高度復(fù)用的軟件設(shè)計(jì)原則和面向接口編程的開發(fā)思想，聚焦自己的“核心域”，改變自己的編程思維，實(shí)現(xiàn)企業(yè)和個(gè)人的共同進(jìn)步。經(jīng)周立功教授授權(quán)，即日起，致遠(yuǎn)電子公眾號(hào)將對(duì)該書內(nèi)容進(jìn)行連載，愿共勉之。

第五章為深入淺出AMetal，本文內(nèi)容為5.2 LED 數(shù)碼管接口。

5.2 LED 數(shù)碼管接口

>>> 5.2.1 靜態(tài)顯示

在這里以圖4.10 所示的由2 個(gè)共陽極的LN3161BS 組成的LED 數(shù)碼管電路為例，當(dāng)輸出低電平至com0 端，且同時(shí)輸出低電平至b、c 段，則點(diǎn)亮LED 得到字符“1”，其相應(yīng)的代碼詳見程序清單5.22。

程序清單5.22 數(shù)碼管靜態(tài)顯示1 范例程序（1）

為了方便訪問，不妨將段碼存放到一個(gè)數(shù)組中，段碼傳送函數(shù)詳見程序清單5.23。

程序清單5.23 段碼傳送函數(shù)

如果要求輸出數(shù)字3，可以使用以下代碼實(shí)現(xiàn)：

如果還需要加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)呢？“與”上0x7F 就是將最高位清零。即：

如果要求輸出段碼表中沒有的數(shù)字呢？則直接傳入對(duì)應(yīng)的段碼。即：

那到底讓那個(gè)數(shù)碼管顯示呢？這就是位碼傳送問題，其相應(yīng)函數(shù)詳見程序清單5.24。

程序清單5.24 位碼傳送函數(shù)

有了段碼和位碼傳送函數(shù)，則在com0 顯示數(shù)字1 就非常簡(jiǎn)單了，詳見程序清單5.25。

程序清單5.25 數(shù)碼管靜態(tài)顯示數(shù)字1 范例程序（2）

顯然合并上述兩個(gè)函數(shù)，即可同時(shí)傳送段碼和位碼信息，詳見程序清單5.26。

程序清單5.26 digitron_disp_code()顯示函數(shù)

在這里主要就是顯示數(shù)字，為了避免每次重復(fù)從段碼表中獲取相應(yīng)數(shù)字的段碼，可以寫一個(gè)用于在指定位置顯示指定數(shù)字的函數(shù)，詳見程序清單5.27。

程序清單5.27 digitron_disp_num()顯示函數(shù)

由于只支持0~9 的顯示，因此需要做判斷處理，即當(dāng)num 值小于等于9 時(shí)，才做顯示操作。為何不判斷大于等于0 的判斷呢？由于num 的類型是無符號(hào)類型，因此一定大于等于0，顯然還需要一個(gè)初始化函數(shù)，因此將這些管腳的初始化全部放到程序清單5.28。

程序清單5.28 數(shù)碼管板級(jí)初始化函數(shù)

此時(shí)編程完畢，將相關(guān)函數(shù)接口聲明到digitron0.h 中，詳見程序清單5.29。當(dāng)后續(xù)需要調(diào)用時(shí)，只需要#include "digitron0.h"就可以了。

程序清單5.29 digitron0.h 文件內(nèi)容

>>> 5.2.2 動(dòng)態(tài)顯示

如程序清單5.30 所示的就是此前大家已經(jīng)熟練掌握的digitron1.h 接口，其相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)代碼詳見程序清單5.31。

程序清單5.30 digitron1.h 文件內(nèi)容

程序清單5.31 digitron1.c 文件內(nèi)容

>>> 5.2.3 代碼重構(gòu)

重構(gòu)是提高代碼質(zhì)量的方法，即在不改變外部接口下優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法。在進(jìn)行重構(gòu)時(shí)，必須優(yōu)先編寫單元測(cè)試代碼，只有這樣才能確保重構(gòu)不會(huì)破壞原有的功能。C 語言中的對(duì)外接口通常是指頭文件的內(nèi)容，即外部調(diào)用我們編寫的代碼時(shí)所必須的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、函數(shù)、宏的簽名（名字、參數(shù)和返回值的類型和順序）、常量的定義和行為等。而靜態(tài)函數(shù)和.c 文件中的宏和結(jié)構(gòu)體的定義，則不屬于對(duì)外接口。只要對(duì)外接口沒有改變，則調(diào)用者無需修改任何代碼。如果調(diào)用者與創(chuàng)建者屬于同一部門，則沒有必要拘泥于形式禁止修改對(duì)外接口。

由于人們習(xí)慣用1 代表點(diǎn)亮LED，0 代表熄滅LED，所以無論數(shù)碼管是共陰極還是共陽極，段碼表的設(shè)計(jì)都應(yīng)該符合人們的日常習(xí)慣，即將與之相應(yīng)的“段碼表”中的數(shù)據(jù)設(shè)定為1 來表示點(diǎn)亮相應(yīng)的段。如果用1 來表示點(diǎn)亮LED，這恰好是共陰極數(shù)碼管的段碼。如果是共陽極的數(shù)碼管，則直接使用“~”將段碼取反，于是段碼表也就統(tǒng)一起來了。

接下來開始設(shè)計(jì)段碼表了，當(dāng)前想到的有：0123456789.-ABCDEFabcdefORPNorpn，除O 和o 之外，大小寫顯示都相同。由于字符和段碼均為一個(gè)字節(jié)表示，為了保存字符信息和其對(duì)應(yīng)的段碼信息，可以將顯示的字符與段碼數(shù)值組合在一起成為一個(gè)二維數(shù)組，建立與此相應(yīng)的段碼表，詳見程序清單5.32。

程序清單5.32 字符段碼表

訪問段碼表的接口函數(shù)詳見程序清單5.33。

程序清單5.33 段碼訪問接口函數(shù)

在解碼函數(shù)digitron_char_decode()中，使用了for 循環(huán)遍歷段碼數(shù)組，當(dāng)找到對(duì)應(yīng)的字符時(shí)，返回該字符對(duì)應(yīng)的段碼。顯然這種解碼方式簡(jiǎn)單易懂，但效率較低。

由于字符本質(zhì)上是一個(gè)整數(shù)，可以比較大小。如果段碼表按照字符大小進(jìn)行有序排列，則可以使用二分法進(jìn)行快速查找，即每次將待查找的字符與搜索范圍的中間字符進(jìn)行比較：若小于中間字符，則將搜索范圍縮小一半為下半部分，然后繼續(xù)搜索；若大于中間字符，則將搜索范圍縮小一半為上半部分，然后繼續(xù)搜索；若恰好相等，則查找到相應(yīng)字符。

為了使用二分法進(jìn)行查找，需要將斷碼表按照字符的大小進(jìn)行有序排列，這就需要知道段碼表中各個(gè)字符對(duì)應(yīng)的整數(shù)值，這些值可以通過查詢ASCII 碼表得到，ASCII 碼表詳見表5.7，表中僅列出了可顯示字符（32 ~ 126），共計(jì)95 個(gè)，其它不可顯示字符（0 ~ 31 及127）由于不能顯示，與數(shù)碼管無關(guān)，因此沒有在表中定義。

表5.7 ASCII 表（95 個(gè)可顯示字符）

基于ASCII 碼表中各個(gè)字符的對(duì)應(yīng)的整數(shù)值，可以重新定義段碼表，詳見程序清單5.34。

程序清單5.34 字符段碼表（升序排列）

字符段碼有序排列后，即可使用二分法查找，更新解碼函數(shù)的實(shí)現(xiàn)詳見程序清單5.35。

程序清單5.35 基于二分法查找的解碼函數(shù)

由此可見，相對(duì)于順序遍歷查找法，二分法實(shí)現(xiàn)的代碼略顯復(fù)雜。當(dāng)查找的范圍較小時(shí)，如段碼表僅僅33 個(gè)查找項(xiàng)，二分法的效率優(yōu)勢(shì)并不明顯。有沒有更好的辦法呢？

在前面定義段碼表時(shí)，使用了二維數(shù)組的方式，將字符和對(duì)應(yīng)的段碼存儲(chǔ)到數(shù)組中，一個(gè)字符就占用了2 個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間，共計(jì)占用了66 字節(jié)空間。

ASCII 碼表有95 個(gè)顯示字符，對(duì)應(yīng)十進(jìn)制數(shù)的范圍為32 ~ 126。如果在建立段碼表時(shí)，從第一個(gè)可顯示字符開始，按照字符順序依次將所有可顯示字符的段碼編排到一個(gè)數(shù)組中，則數(shù)組的索引就包含了字符信息，比如，0 號(hào)元素代表了32 對(duì)應(yīng)的字符，即空格，1 號(hào)元素代表了33 對(duì)應(yīng)的字符，即‘!’……如此一來，由于索引與字符存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過索引就可以得到相應(yīng)的字符信息，因此在段碼表只需要使用一維數(shù)組存儲(chǔ)每個(gè)字符對(duì)應(yīng)的段碼就可以了。此時(shí)，在對(duì)一個(gè)字符解碼時(shí)，直接將字符轉(zhuǎn)換為數(shù)組索引，然后取出對(duì)應(yīng)的段碼即可，無需任何查找過程，范例程序詳見程序清單5.36。

程序清單5.36 使用一維數(shù)組存儲(chǔ)段碼（1）

由此可見，這種方式使段碼查找的時(shí)間效率達(dá)到了最優(yōu)。在段碼表中，由于很多ASCII碼數(shù)碼管并不能顯示，為了保證索引與字符的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也必須使用0x00 表示其對(duì)應(yīng)的段碼。這在一定程度上造成了空間的浪費(fèi)，95 個(gè)字符對(duì)應(yīng)的編碼數(shù)組占用的存儲(chǔ)空間大小為95 字節(jié)，相比于使用二維數(shù)組的方式，多占用了29 字節(jié)。

觀察段碼數(shù)組的定義可以發(fā)現(xiàn)，起始和結(jié)尾都存在一大段0x00（起始存在連續(xù)的13 個(gè)0x00，結(jié)尾存在連續(xù)的12 個(gè)0x00），為此在定義段碼數(shù)組時(shí)，可以不以空格作為起始字符，將第一個(gè)段碼不為0x00 的字符（'-'，十進(jìn)制為45，段碼為0x40）作為段碼的起始字符，同時(shí)，將段碼表末尾連續(xù)的0x00 移出，以節(jié)省內(nèi)存空間，詳見程序清單5.37。

程序清單5.37 使用一維數(shù)組存儲(chǔ)段碼（2）

此時(shí)，整個(gè)一維數(shù)組占用的空間為70 個(gè)字節(jié)，相對(duì)于使用二維數(shù)組的方式，僅僅多占用了4 個(gè)字節(jié)。雖然多占用了4 個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間，但是效率的提升卻是非常明顯的。

由于現(xiàn)在是直接使用段碼或字符，因此要顯示數(shù)字3 時(shí)，不能再像以前那樣直接寫數(shù)字3，而應(yīng)寫字符3。比如：

比如，顯示自定義段碼，則使用以下方式編程：

比如，顯示'3.'，則使用以下方式編程：

由于段碼統(tǒng)一使用1 表示點(diǎn)亮LED 段，而實(shí)際中，MiniPort-View 使用的是共陽極數(shù)碼管，因此需要將段碼取反后使用，則進(jìn)一步修改igitron_disp_scan()函數(shù)，詳見程序清單5.38。

程序清單5.38 動(dòng)態(tài)掃描顯示函數(shù)

最后，將這些接口全部聲明到程序清單5.39 所示的digitron2.h 文件，實(shí)現(xiàn)相關(guān)代碼全部放到程序清單5.40 所示的digitron2.c 文件。

程序清單5.39 digitron2.h 文件內(nèi)容

程序清單5.40 digitron2.c 文件內(nèi)容

使用digitron2.h 中的接口函數(shù)，同樣可以實(shí)現(xiàn)0~59 秒的計(jì)數(shù)器，代碼詳見程序清單5.41。

程序清單5.41 0~59 秒計(jì)數(shù)器范例程序（4）

程序清單5.41（17~18）加上'0'的目的是將數(shù)字變?yōu)樽址?/p>