嵌入式C语言位操作的移植与优化

2007-10-11

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嵌入式C语言位操作的移植与优化

作者：	上海芯兆电子科技有限公司王东征

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。 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 ltlt= 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<
>＃i ncludeltmsp430x41x.hgt<
>definePIN_CARD_SDA_RD()(P6IN amp 0x01)<
>definePIN_CARD_CLK_H()P6OUT =0x04<
>definePIN_CARD_CLK_L()P6OUT amp= ~0x04 汇编结果如下： In segment CODE align 2 keep with next<
>__code unsigned char Card102RdByte(void)<
> Card102RdByte<
>0000007E42MOV.B0x8 R14<
> Card102RdByte_0<
>0000024C5CRLA.<
/>12<
>000004D2B33400BIT.B0x1 amp0x34<
>0000080128JNCCard102RdByte_1<
>00000A5CD3BIS.B0x1 R12<
> Card102RdByte_1<
>00000CE2D23500BIS.B0x4 amp0x35<
>000010E2C23500BIC.B0x4 amp0x35<
>0000147E53ADD.B0xff R14<
>0000164E93CMP.B0x0 R14<
>000018F423 JNECard102RdByte_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：＃i ncludeReg932.h//Philips LPC932单片机<
>sbitCradClk=P01<
>sbitCardSDA=P00<
>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 emp8U__xassigned to Register 7__x--<
>-- Variable __xassigned to Register 6__x--<
>00007E08MOVR608H<
>0002C0007<
>0002EFMOVAR7<
>000325E0ADDAACC<
>0005FFMOVR7A<
>0006308003JNBCardSDAC0008<
>0009430701ORLAR701H<
>000CC0008<
>000CD281SETBCradClk<
>000EC281CLRCradClk<
>0010DEF0DJNZR6C0007<
>0012C0009<
>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： INT8UPOUTPIN<
>pragmalocate(POUT=0x880)<
>pragmalocate(PIN=0x881)//外扩I/O口地址定位<
>definePIN_CARD_SDA_RD()(PIN amp 0x01)<
>definePIN_CARD_CLK_H()POUT =0x04<
>definePIN_CARD_CLK_L()POUT amp= ~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 = 8③<
> ifndef C51_ASM④<
> bdata ACCImg⑤<
> endif⑥<
> do ACC ltlt= 1⑦<
> GET_CARD_SDA()⑧<
> PIN_CARD_CLK_H() PIN_CARD_CLK_L() ⑨<
> while(--n) ⑩<
> return ACC <
> 2.1 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=ACC0 <
>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 CCardSDA”和“MOV ACC_0C”两句。句，函数要通过R7返回参数，程序已达到最简。 FUNCTION Card102RdByte (BEGIN)<
>-- Variable __xassigned to Register 7-<
>00007F08MOVR708H<
>0002C0007<
>000225E0ADDAACC<
>0004A281MOVCCardSDA<
>000692E0MOVACC_0C<
>0008D280SETBCardClk<
>000AC280CLRCardClk<
>000CDFF4DJNZR7C0007<
>000EFFMOVR7A<
>000FC0008<
>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 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 Bit01<
> unsigned Bit11<
> unsigned Bit21<
> unsigned Bit31<
> unsigned Bit41<
> unsigned Bit51<
> unsigned Bit61<
> unsigned Bit71<
> 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。 cseg<
>0000Card102RdByte<
> Statement3<
>0000B10800Rldbn8<
> Statement7<
>0003 0004 <
>0003740101RaddbACCImgACCImg<
> Statement8<
>0006B30181081CldbTmp0PIN<
>000B 331C03jbcTmp030005<
>000E 910101 RorbACCImg1<
>0011 0005 <
> Statement9<
>0011 B30180081CldbTmp0POUT<
>0016 91041CorbTmp04<
>0019 C70180081CstbTmp0POUT<
>001E 71FB1C andbTmp00FBH<
>0021 C70180081C stbTmp0POUT<
> Statement10 <
>00261500Rdecbn<
>0028980000RcmpbR0n<
>002BD7D6bne 0004<
> Statement11<
>002DB0011C RldbTmp0ACCImg<
>00302000
0001<
> Statement12<
>0032 0001 <
>0032F0ret 2.3 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 amp 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 ltlt= 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 V7.03、IAR C430 V2.10A和 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 美 La
osse J. 嵌入式实时操作系统μC/OS-IIM. 第2版. 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。