嵌入式系统C语言位操作的移植与优化
嵌入式系统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。
1.1 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:
0000007e42mov.b#0x8, r14
card102rdbyte_0:
0000024c5crla.br12
000004d2b33400bit.b#0x1, &0x34
0000080128jnccard102rdbyte_1
00000a5cd3bis.b#0x1, r12
card102rdbyte_1:
00000ce2d23500bis.b#0x4, &0x35
000010e2c23500bic.b#0x4, &0x35
0000147e53add.b#0xff, r14
0000164e93cmp.b#0x0, 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：
#includereg932.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。
气密性检测仪设备有哪些主要用途和使用领域
制动单元的工作原理_制动单元的作用
opencv库几个内置函数的功能和使用
内存条如何安装与拆卸
共模电压是什么意思_共模电压怎么算
嵌入式系统C语言位操作的移植与优化
传日本Rapidus将为加拿大公司代工2nm AI芯片
顺络电子LTCC双工器再获美国高通认证
加速推进云智一体，移动云邀人工智能、大模型共舞云端
人工智能已统治围棋？ 阿尔法狗击败世界第一棋手柯洁九段
万物互联时代：盘点人机交互四大变革浪潮
国网投资1128亿元特高压建设项目
三星讲解红米AMOLED屏幕：最低蓝光比例仅为LCD的三分之一
T3出行首创V.D.R安全防护系统
下午发布的荣耀V9将更名荣耀8 Pro亮相MWC
奖员工3万搬迁费 小米“南飞”真相：深化武汉南京两大中心
智能家居使用IoTwebOS：物联网与浏览器的完美结合！
怎么在D-Flash/EEPROM中加载初始化的变量
关于并网光伏逆变器的基本设计
索尼首席执行官表示不会拆分图像传感器业务
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
#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
0000080128jnccard102rdbyte_1
00000a5cd3bis.b#0x1, r12
card102rdbyte_1:
00000ce2d23500bis.b#0x4, &0x35
000010e2c23500bic.b#0x4, &0x35
0000147e53add.b#0xff, r14
0000164e93cmp.b#0x0, 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：
#includereg932.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。
气密性检测仪设备有哪些主要用途和使用领域
制动单元的工作原理_制动单元的作用
opencv库几个内置函数的功能和使用
内存条如何安装与拆卸
共模电压是什么意思_共模电压怎么算
嵌入式系统C语言位操作的移植与优化
传日本Rapidus将为加拿大公司代工2nm AI芯片
顺络电子LTCC双工器再获美国高通认证
加速推进云智一体，移动云邀人工智能、大模型共舞云端
人工智能已统治围棋？ 阿尔法狗击败世界第一棋手柯洁九段
万物互联时代：盘点人机交互四大变革浪潮
国网投资1128亿元特高压建设项目
三星讲解红米AMOLED屏幕：最低蓝光比例仅为LCD的三分之一
T3出行首创V.D.R安全防护系统
下午发布的荣耀V9将更名荣耀8 Pro亮相MWC
奖员工3万搬迁费 小米“南飞”真相：深化武汉南京两大中心
智能家居使用IoTwebOS：物联网与浏览器的完美结合！
怎么在D-Flash/EEPROM中加载初始化的变量
关于并网光伏逆变器的基本设计
索尼首席执行官表示不会拆分图像传感器业务