黑猫-SuKi
嵌入式C语言位操作的移植与优化单片机的应用越来越广泛，种类也越来越多。由于嵌入式C语言可读性强、移植性好，与汇编语言相比大大减轻了软件工程师的劳动强度，因而越来越多的单片机工程师开始使用C语言编程。但C语言的可移植性仅限于与硬件无关的子程序，而与具体硬件有关的子程序则无法移植。在单片机应用中，位操作（特别是对引脚的位操作）非常普遍，如EEPROM数据和IC卡数据的读写、字段式LCD显示等，很多带串口的集成电路都需要单片机用软件来做I/O口读写程序。如何让这些子程序既有很好的通用性，生成代码的效率又高，是很多软件工程师都在考虑的问题。这里介绍两种C语言位操作的移植方法。1 用逻辑运算实现位操作请看下面这个子程序：INT8U Card102RdByte(void) { INT8U Temp8U， n = 8; do{ Temp8U <<= 1; if( PIN_CARD_SDA_RD() ) Temp8U |= 0x01; PIN_CARD_CLK_H();PIN_CARD_CLK_L(); }while(--n); return Temp8U;} 这是通过单片机引脚从88SC102卡中读一个字节的子程序。程序采用μC/OSII中的书写风格，即变量和函数采用“驼峰”写法，由define定义的常量和内联函数采用全部大写加下划线的写法。 此程序驱动一个引脚输出CARD_CLK高低信号，从另一个引脚一位一位读取CARD_SDA数据。1 用于MSP430系列单片机 此程序应用到MSP430单片机上（本文用的是MSP430F413单片机），头文件中要有如下定义：typedefunsigned charINT8U;#include#definePIN_CARD_SDA_RD()(P6IN & 0x01)#definePIN_CARD_CLK_H()P6OUT |=0x04#definePIN_CARD_CLK_L()P6OUT &= ~0x04汇编结果如下： In segment CODE， align 2， keep�with�next__code unsigned char Card102RdByte(void) Card102RdByte:0000007E42MOVB#0x8， R14 ??Card102RdByte_0:0000024C5CRLABR12000004D2B33400BITB#0x1， &0x340000080128JNC??Card102RdByte_100000A5CD3BISB#0x1， R12 ??Card102RdByte_1:00000CE2D23500BISB#0x4， &0x35000010E2C23500BICB#0x4， &0x350000147E53ADDB#0xff， R140000164E93CMPB#0x0， R14000018F423 JNE??Card102RdByte_000001A3041RET 这与手工汇编编程的结果几乎一样，代码效率很高。2 用于51系列单片机 在51系列单片机中应用此程序，头文件要加入以下定义：#include"Rh"//Philips LPC932单片机sbitCradClk=P0^1;sbitCardSDA=P0^0;#definePIN_CARD_SDA_RD()CardSDA#definePIN_CARD_CLK_H()CradClk=1#definePIN_CARD_CLK_L()CradClk=0 原来的程序不作任何改动，汇编结果如下： ; FUNCTION Card102RdByte (BEGIN);-- Variable 'Temp8U' assigned to Register 'R7' --;-- Variable 'n' assigned to Register 'R6' --00007E08MOVR6，#08H0002?C0007:0002EFMOVA，R7000325E0ADDA，ACC0005FFMOVR7，A0006308003JNBCardSDA，?C00080009430701ORLAR7，#01H000C?C0008:000CD281SETBCradClk000EC281CLRCradClk0010DEF0DJNZR6，?C00070012?C0009:001222RET ; FUNCTION Card102RdByte (END) 由汇编结果可知，对位的直接清零和置位已达到最简，只是读位值不够理想。3 用于196/296系列单片机 在80C196MC、80C296SA等单片机中，片上I/O口是可以窗口映射到低端地址的。采用这种方式，I/O口可以直接寻址，因而程序代码最短，执行速度也最快，但这样做C程序就无法移植了。若不用窗口技术，则片上I/O口是内存地址映射的，与普通内存地址一样操作。头文件中加入如下定义，即可利用原来的程序：INT8UPOUT，PIN;#pragmalocate(POUT=0x880)#pragmalocate(PIN=0x881)//外扩I/O口地址定位#definePIN_CARD_SDA_RD()(PIN & 0x01)#definePIN_CARD_CLK_H()POUT |=0x04#definePIN_CARD_CLK_L()POUT &= ~0x04 汇编后的代码是56字节，代码效率也很高。 采用逻辑运算实现位操作，C程序简单明了，移植性好，可读性更好。但96系列单片机无法利用JBC和JBS位操作指令，51系列单片机也无法利用JB和JNB等其特有的位操作指令来提高代码效率。用位段结构实现位操作可以弥补这个不足。2 用位段结构实现位操作 把原来的程序改写如下：INT8U Card102RdByte(void)①{② INT8U n = 8;③ #ifndef C51_ASM④ bdata ACCImg;⑤ #endif⑥ do{ ACC <<= 1;⑦ GET_CARD_SDA();⑧ PIN_CARD_CLK_H() ; PIN_CARD_CLK_L() ;⑨ }while(--n) ;⑩ return ACC ;}1 在51系列单片机中的应用 在C51中使用ACC是不必在每个子程序中定义的，所以要在文件的开头加上 #define C51_ASM。这样，第④、⑤、⑥句会被忽略。在头文件中加上以下定义:sbitACC_0=ACC^0 ;#defineGET_CARD_SDA()ACC_0 = CardSDA 其余定义如本文第一部分所述。结果第⑧句汇编变为“MOV C，CardSDA”和“MOV ACC_0，C”两句。句，函数要通过R7返回参数，程序已达到最简。 ; FUNCTION Card102RdByte (BEGIN);-- Variable 'n' assigned to Register 'R7'--00007F08MOVR7，#08H0002?C0007:000225E0ADDA，ACC0004A281MOVC，CardSDA000692E0MOVACC_0，C0008D280SETBCardClk000AC280CLRCardClk000CDFF4DJNZR7，?C0007000EFFMOVR7，A000F?C0008:000F22RET ; FUNCTION Card102RdByte (END) 还可以像196/296那样定义一个位段结构，使用JB指令，有兴趣的读者可以自己试一下。2 在196/296系列单片机中的应用 在196/296中应用这段程序，要增加一个局部变量ACCImg的定义，就是前面程序中的第④、⑤、⑥三句。再在头文件中增加一个如下的位段结构定义：typedef struct {unsigned Bit0:1; unsigned Bit1:1; unsigned Bit2:1; unsigned Bit3:1; unsigned Bit4:1; unsigned Bit5:1; unsigned Bit6:1; unsigned Bit7:1; }Divide_to_bit;typedef union {INT8U Byte; Divide_to_bit DivBit; }bdata; 端口地址变量要定义成以下数据类型：bdata PIN; 同时，在头文件中加上宏定义：#defineACC ACCIByte#defineACC_0 ACCIDivBBit0#defineGET_CARD_SDA() if(PINDivBBit0) ACC |=0x01; 这样ACCImg就定义成了一个低端寄存器，ACC是它的字节访问形式。源程序中的第⑧句读引脚，汇编的结果使用了JBC指令，整个程序比不用位段减少了字节，达到了优化代码的目的。 cseg0000Card102RdByte: ; Statement30000B10800Rldbn，#8 ; Statement70003 @ 0004 : 0003740101RaddbACCImg，ACCImg ; Statement80006B30181081CldbTmp0，PIN000B 331C03jbcTmp0，3，@0005000E 910101 RorbACCImg，#10011 @ 0005 : ; Statement90011 B30180081CldbTmp0，POUT0016 91041CorbTmp0，#40019 C70180081CstbTmp0，POUT001E 71FB1C andbTmp0，#0FBH0021 C70180081C stbTmp0，POUT ; Statement10 00261500Rdecbn0028980000RcmpbR0，n002BD7D6bne @ 0004 ; Statement11002DB0011C RldbTmp0，ACCImg00302000 br @ 0001 ; Statement120032 @ 0001 :0032F3 在MSP430系列单片机中的应用 MSP430系列单片机没有位操作指令，所以不必定义位段结构，直接把ACC定义成一个无符号8位数即可。头文件中是这样定义的：#ifndef C51_ASM//此句使头文件也可以与C51的共用 typedef INT8U bdata ; #define ACC ACCImg #define GET_CARD_SDA() if(P6IN & 0x01) ACC |=0x01;#endif 汇编的结果与用逻辑运算的方法进行位操作竟完全一样。结语 对引脚的位操作有3种： 直接置位或清零，从端口输入数据和从端口输出数据。前两种上文已介绍过了。从端口输出数据的C程序如下：do{ OUT_SIO_DA(); CLK_H(); ACC <<= 1;//移位可扩展时钟脉冲宽度 CLK_L();}while其中： 第一句OUT_SIO_DA()，51系列可定义成位操作SIO_SDA = ACC_7；196/296和430系列可如上文定义成一个if语句。 位段操作程序中采用了ACC这个名字作为一个局部变量。在C51中这刚好是主累加器，对于2401、IC卡等半双工器件的程序很实用，但当SPI总线输入/输出同时操作时，就没这么方便了。 用逻辑运算实现位操作不存在任何移植的障碍。μC/OS-II中的位操作就是全用逻辑运算实现的。位段定义可能存在不同编译器分配顺序不同的问题，但考虑到32位高速CPU不会用软件模拟这种串口的操作，这样的程序只会用在51、196/296、MSP430等无片内Cache的中低速单片机中，所以用位段操作引脚的方法仍有意义。具体是使用逻辑运算还是使用位段进行位操作，完全看个人喜好。本文程序采用的编译器是Keil C51 V03、IAR C430 V10A和 Tasking C96 V0。 
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