嵌入式系統C語言位操作的移植與優化

　　單片機的應用越來越廣泛，種類也越來越多。由于嵌入式C語言可讀性強、移植性好，與匯編語言相比大大減輕了軟件工程師的勞動強度，因而越來越多的單片機工程師開始使用C語言編程。但C語言的可移植性僅限于與硬件無關的子程序，而與具體硬件有關的子程序則無法移植。在單片機應用中，位操作（特別是對引腳的位操作）非常普遍，如EEPROM數據和IC卡數據的讀寫、字段式LCD顯示等，很多帶串口的集成電路都需要單片機用軟件來做I/O口讀寫程序。如何讓這些子程序既有很好的通用性，生成代碼的效率又高，是很多軟件工程師都在考慮的問題。這里介紹兩種C語言位操作的移植方法。

1? 用邏輯運算實現位操作

請看下面這個子程序：

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;
}

　　這是通過單片機引腳從88SC102卡中讀一個字節的子程序。程序采用μC/OSII中的書寫風格，即變量和函數采用“駝峰”寫法，由define定義的常量和內聯函數采用全部大寫加下劃線的寫法。

　　此程序驅動一個引腳輸出CARD_CLK高低信號，從另一個引腳一位一位讀取CARD_SDA數據。

1.1? 用于MSP430系列單片機

　　此程序應用到MSP430單片機上（本文用的是MSP430F413單片機），頭文件中要有如下定義：

typedefunsigned charINT8U;
#include
#definePIN_CARD_SDA_RD()(P6IN & 0x01)
#definePIN_CARD_CLK_H()P6OUT |=0x04
#definePIN_CARD_CLK_L()P6OUT &= ~0x04

匯編結果如下：

　　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

　　這與手工匯編編程的結果幾乎一樣，代碼效率很高。

1.2? 用于51系列單片機

　　在51系列單片機中應用此程序，頭文件要加入以下定義：

#include"Reg932.h"http://Philips LPC932單片機
sbitCradClk=P0^1;
sbitCardSDA=P0^0;
#definePIN_CARD_SDA_RD()CardSDA
#definePIN_CARD_CLK_H()CradClk=1
#definePIN_CARD_CLK_L()CradClk=0

　　原來的程序不作任何改動,匯編結果如下：

　　; 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)

　　由匯編結果可知，對位的直接清零和置位已達到最簡，只是讀位值不夠理想。

1.3? 用于196/296系列單片機

　　在80C196MC、80C296SA等單片機中，片上I/O口是可以窗口映射到低端地址的。采用這種方式，I/O口可以直接尋址，因而程序代碼最短，執行速度也最快，但這樣做C程序就無法移植了。若不用窗口技術，則片上I/O口是內存地址映射的，與普通內存地址一樣操作。頭文件中加入如下定義,即可利用原來的程序：

INT8UPOUT,PIN;
#pragmalocate(POUT=0x880)
#pragmalocate(PIN=0x881)//外擴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

　　匯編后的代碼是56字節，代碼效率也很高。

　　采用邏輯運算實現位操作，C程序簡單明了，移植性好，可讀性更好。但96系列單片機無法利用JBC和JBS位操作指令，51系列單片機也無法利用JB和JNB等其特有的位操作指令來提高代碼效率。用位段結構實現位操作可以彌補這個不足。

2? 用位段結構實現位操作

　　把原來的程序改寫如下：

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? 在51系列單片機中的應用

　　在C51中使用ACC是不必在每個子程序中定義的，所以要在文件的開頭加上 #define C51_ASM。這樣，第④、⑤、⑥句會被忽略。在頭文件中加上以下定義:

sbitACC_0=ACC^0 ;
#defineGET_CARD_SDA()ACC_0 = CardSDA

　　其余定義如本文第一部分所述。結果第⑧句匯編變為“MOV C,CardSDA”和“MOV ACC_0,C”兩句。句，函數要通過R7返回參數，程序已達到最簡。

　　; 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)

　　還可以像196/296那樣定義一個位段結構，使用JB指令，有興趣的讀者可以自己試一下。

2.2? 在196/296系列單片機中的應用

　　在196/296中應用這段程序，要增加一個局部變量ACCImg的定義，就是前面程序中的第④、⑤、⑥三句。再在頭文件中增加一個如下的位段結構定義：

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;

　　端口地址變量要定義成以下數據類型：

bdata PIN;

　　同時，在頭文件中加上宏定義：

#defineACC ACCImg.Byte
#defineACC_0 ACCImg.DivBit.Bit0
#defineGET_CARD_SDA() if(PIN.DivBit.Bit0) ACC |=0x01;

　　這樣ACCImg就定義成了一個低端寄存器,ACC是它的字節訪問形式。源程序中的第⑧句讀引腳，匯編的結果使用了JBC指令，整個程序比不用位段減少了字節，達到了優化代碼的目的。

　　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? 在MSP430系列單片機中的應用

　　MSP430系列單片機沒有位操作指令，所以不必定義位段結構，直接把ACC定義成一個無符號8位數即可。頭文件中是這樣定義的：

#ifndef C51_ASM//此句使頭文件也可以與C51的共用
　　typedef INT8U bdata ;
　　#define ACC ACCImg
　　#define GET_CARD_SDA() if(P6IN & 0x01) ACC |=0x01;
#endif

　　匯編的結果與用邏輯運算的方法進行位操作竟完全一樣。

結語

　　對引腳的位操作有3種： 直接置位或清零，從端口輸入數據和從端口輸出數據。前兩種上文已介紹過了。從端口輸出數據的C程序如下：

do{
　　OUT_SIO_DA();
　　CLK_H();
　　ACC <<= 1;//移位可擴展時鐘脈沖寬度
　　CLK_L();
}while

其中： 第一句OUT_SIO_DA()，51系列可定義成位操作SIO_SDA = ACC_7；196/296和430系列可如上文定義成一個if語句。

　　位段操作程序中采用了ACC這個名字作為一個局部變量。在C51中這剛好是主累加器，對于2401、IC卡等半雙工器件的程序很實用，但當SPI總線輸入/輸出同時操作時，就沒這么方便了。

　　用邏輯運算實現位操作不存在任何移植的障礙。μC/OS-II中的位操作就是全用邏輯運算實現的。位段定義可能存在不同編譯器分配順序不同的問題，但考慮到32位高速CPU不會用軟件模擬這種串口的操作，這樣的程序只會用在51、196/296、MSP430等無片內Cache的中低速單片機中，所以用位段操作引腳的方法仍有意義。具體是使用邏輯運算還是使用位段進行位操作，完全看個人喜好。本文程序采用的編譯器是Keil C51 V7.03、IAR C430 V2.10A和 Tasking C96 V5.0。