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嵌入式C语言位操作的移植与优化
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 <<= 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, keepwithnext
__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 ;
}
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=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,#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 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 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
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 V7.03、IAR C430 V2.10A和 Tasking C96 V5.0。
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