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嵌入式C语言位操作的移植与优化            【字体:
嵌入式C语言位操作的移植与优化
作者:上海芯兆…    文章来源:单片机与嵌入式系统应用    点击数:    更新时间:2007-5-16

引言

  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。

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。

1.1  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<msp430x41x.h>
#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:
0000007E42MOV.B#0x8, R14
  ??Card102RdByte_0:
0000024C5CRLA.BR12
000004D2B33400BIT.B#0x1, &0x34
0000080128JNC??Card102RdByte_1
00000A5CD3BIS.B#0x1, R12
  ??Card102RdByte_1:
00000CE2D23500BIS.B#0x4, &0x35
000010E2C23500BIC.B#0x4, &0x35
0000147E53ADD.B#0xff, R14
0000164E93CMP.B#0x0, R14
000018F423 JNE??Card102RdByte_0
00001A3041RET

  这与手工汇编编程的结果几乎一样,代码效率很高。

1.2  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"Reg932.h"//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,#08H
0002?C0007:
0002EFMOVA,R7
000325E0ADDA,ACC
0005FFMOVR7,A
0006308003JNBCardSDA,?C0008
0009430701ORLAR7,#01H
000C?C0008:
000CD281SETBCradClk
000EC281CLRCradClk
0010DEF0DJNZR6,?C0007
0012?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。

1.3  用于196/296系列单片机

  在80C196MC80C296SA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JBCJBS位操作指令,51系列单片机也无法利用JBJNB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。

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 ;
}

2.1  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。结果第句汇编变为“MOV C,CardSDA”“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,#08H
0002?C0007:
000225E0ADDA,ACC
0004A281MOVC,CardSDA
000692E0MOVACC_0,C
0008D280SETBCardClk
000AC280CLRCardClk
000CDFF4DJNZR7,?C0007
000EFFMOVR7,A
000F?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。

2.2  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 ACCImg.Byte
#defineACC_0 ACCImg.DivBit.Bit0
#defineGET_CARD_SDA() if(PIN.DivBit.Bit0) 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。

  cseg
0000Card102RdByte:
  ; Statement3
0000B10800Rldbn,#8
  ; Statement7
0003 @ 0004 :
0003740101RaddbACCImg,ACCImg
  ; Statement8
0006B30181081CldbTmp0,PIN
000B 331C03jbcTmp0,3,@0005
000E 910101 RorbACCImg,#1
0011 @ 0005 :
  ; Statement9
0011 B30180081CldbTmp0,POUT
0016 91041CorbTmp0,#4
0019 C70180081CstbTmp0,POUT
001E 71FB1C andbTmp0,#0FBH
0021 C70180081C stbTmp0,POUT
  ; Statement10
00261500Rdecbn
0028980000RcmpbR0,n
002BD7D6bne @ 0004
  ; Statement11
002DB0011C RldbTmp0,ACCImg
00302000 br @ 0001
  ; Statement12
0032 @ 0001 :
0032F0ret

2.3  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_7196/296430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2401IC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51196/296MSP430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 V7.03IAR C430 V2.10A Tasking C96 V5.0

参考文献

[1]  程军. Intel 80C196单片机应用实践与C语言开发[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社,2000.
[2]  [
] Labrosse J. 嵌入式实时操作系统μC/OS-II[M]. 2. 邵贝贝,等译. 北京: 北京航空航天大学出版社,2003.

王东征,主要研究方向为SoC应用。

 

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