AVR单片机端口位操作方法分析
来源:未知作者:工程师周亮2018年11月22日 16:07?3708次阅读
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一、常规方法
AVR单片机的各种教种教材或编程应用参考资料，介绍的端口位操作方法无非是宏定义、整体和常量相或相和相，以实现单位状态的变化。
PORT＆=-(1为：PORTB＆=oxfd；作用是PB1清零，其余不变。类似之处在于:
PORTBl=（1《4）；PB4位置，其余位置不变。
PORTB=（k《4）；PB4翻转，其余不变。
上述方法，无论是常数值参与还是移位操作，使用总是太麻烦，不够直观，具体的常数值也需要手动计算，容易出错。移位操作生成的目标代码太大，占用系统内存或大量使用flash执行效率低的空间。
从实际应用效果来看，宏定义比较好。还喜欢使用宏定义。C编译器在编译之前会事先进行宏替换，所以，如果宏定义讲究一些技巧，则代码执行效率将得到较大提升，编程时，操作也得心应手。
建议使用以下宏定义常规参考手册或资料：
上图最后几行操作可参考以下内容，因为水印看不清楚
#define Set_Bit(val, bitn) (val |=(1<<(bitn))) #define Clr_Bit(val, bitn) (val&=~(1<<(bitn))) #define Get_Bit(val, bitn) (val &(1<<(bitn)) ) 三个用于设置一个，清除一个，取一个值. 使用方法为.Set_Bit(PORTA,3); Clr_Bit(PORTB,2); Get_Bit(val,5);
根据第一张图片添加一个位取反的宏定义
#define Cpl_Bit(val, bitn) (val ^=(1<<(bitn))) 2021.10.15
宏定义后，可以构成一个头文件，然后添加到新的工程文件中(编译器使用)ICC的ICC6.31A），但之前需要包含相应单片机的头文件，如:MCU为AT-MEGA48，先包括iom48V.h之后，可以在程序中使用此自制头文件：
该方法在使用时仍采用移位操作，只是为了方便程序操作，只在小规模程序中使用。
下面，我们将充分利用C语言本身强大的位置运算能力和指针，构建一个ICC6.31A平台下的定义头文件，希望能给大家一些启示。
首先明确几个基本概念:位置、地址绑定、和VolaTIle限定关键字。
在ICC6.31A有一个安装目录in-clude文件夹中有大量的编译器开发人员为我们开发了各种各样的文件夹AVR以下是单片机预订头文件。iom48v.h头文件。
注：每个端口都有PIN、DDR、PORT三八位寄存器。
总结如下：
VolaTIle -单词用于规定C编译器不允许优化其有限的变量。
结合这个宏定义iom48v.h根据第一个文件，前面有这个文件对每个端口寄存器的定义。在上述宏语句中，ox25被迫转化为指针常量，事实上，上述宏定义的意义如下：PORTB地址被强制定义ox25上定义了无符号字符变量PORTB，被迫绑定ox25地址。其他句子等等。
有了这个概念，我们再来看看。C定义语言中的位置。特殊结构可以在标准C语言中定义，定义结构中的单位结构中的单位。基本构成如下：
在自定义操作头文件中，下面给出的位域定义等头文件定义了一个位域BYTE_BIT。
自定义avt_bit.h头文件(节选，以ATMEGA以48为例，定义B口)
每个端口都可以按照同定义每个端口。
结合头文件的相关定义，结合位置的概念，重新绑定其特定地址。然后将每个寄存器从一个字节逐步分成可控的8个位置。在上述文件中，仅表示B端口。另外，Atmega48的端口不完全，只有B、C、D没有A口，D口8位，C口为6位．B口为7位，如果外部晶体，PB6和PB7不能用作另一个端口。因此，端口非常不完整，但为了保持位置的完整性和一致性，便于理解，它将被使用B、C、D三口均作8bit对待。在实际操作中，注意不要操作实际不存在的位置。当然，如果你感兴趣，你可以改变文件的相关定义来改进它。
为了验证这个头文件，我很快编写了一个测试程序Beep.e，具体如下：
在电路拓扑中，在ATMEGA48的PBO脚，即(14)脚外接三极管(b极)，蜂鸣器由三极管控制。程序很简单。为了更直观，在PORTB发光二极管连接到口中其他未使用的引脚上。此时，在测试过程中，将端口初始化函数语句改为：
DDRB=oxff；PORTB=ox00；（或PORTB=oxff；视二极管连接法而定)，用蜂鸣器观察二极管PBO位置是否可以单独移动。当然，使用此定义头文件可以实现单片机任何一口的位置操作。
二、扩展应用
基于上述原理，结合C语言取地址运算符&，实现一个通用定义头文件并不难，适合所有人AVR单片机，但代码比较复杂。你不妨自己试试。
注：以上文件为参考ICC6.31A编译器的include在使用文件夹之前，请先包含系统提供的内容MCU将自定义的头文件复制到所建工程中，然后自由使用。
就目前的使用情况而言，使用情况AT-MEGA48/16/128的MCU因此，即使定义了三个相应的位置操作头文件，也可以。一般文件往往体积大，编制麻烦，可读性差，不适合普通爱好者。
AVR的两种位操作的比较（位域方式和移位宏方式）测试环境如下：硬件:AT90S2313软件: WiinAVR gcc3.3 -Os级优化(最小size)。说明： 由于AVR不支持位操作，所以必须通过软件来实现。下面对我所知道的两种方法进行一个简单的比较。 1、位域方式。先定义一个位域， typedef struct _bit_struct { unsigned char bit0 : 1 ; unsigned char bit1 : 1 ; unsigned char bit2 : 1 ; unsigned char bit3 : 1 ; unsigned char bit4 : 1 ; unsigned char bit5 : 1 ; unsigned char bit7 : 1 ; unsigned char bit6 : 1 ; }bit_field; 再用一个宏 ,来指向要操作的位。 #define LED GET_BITFIELD(PORTB).bit0 #define BUTTON GET_BITFIELD(PINB).bit7 使用时只需要直接赋值即可：如LED = 0 ,LED = 1, 或者直接判断 LED==0 , LED ==1. 这种方法类似C51中的位操作。直接。 2、位移宏方式。主要有三个. #define Set_Bit(val, bitn) (val |=(1<<(bitn))) #define Clr_Bit(val, bitn) (val&=~(1<<(bitn))) #define Get_Bit(val, bitn) (val &(1<<(bitn)) ) 三个分别用来设置某一位，清除某一位，取某一位的值. 使用方法为.Set_Bit(PORTA,3); Clr_Bit(PORTB,2); Get_Bit(val,5);
根据最开始的第一张图片再加一个位取反的宏定义 #define Cpl_Bit(val, bitn) (val ^=(1<<(bitn)))
2021.10.15 cpl取反指令的全称是三个字母首字母简写Converse Position Logical, 3、测试程序. 说明，假设PORTB.7接按纽，PORTB.0 接LED 测试程序完成如下操作。 当BUTTON == 0时 ,LED输出1 否则输出0， 这样的目的是即测试了输入，又测试了输出1和输出0，相对全面一点。 C代码如下. // testled.c 测试AVR的位操作. // 这是gcc；如是其它编译器，请修改。 #include <avr/io.h> // 定义一个寄存器（Register）或端口（Port）的八个位 typedef struct _bit_struct { unsigned char bit0 : 1 ; unsigned char bit1 : 1 ; unsigned char bit2 : 1 ; unsigned char bit3 : 1 ; unsigned char bit4 : 1 ; unsigned char bit5 : 1 ; unsigned char bit7 : 1 ; unsigned char bit6 : 1 ; }bit_field; //定义一个宏，用来得到每一位的值 #define GET_BITFIELD(addr) (*((volatile bit_field *) (addr))) //定义每一个位 #define LED GET_BITFIELD(PORTB).bit0 #define BUTTON GET_BITFIELD(PINB).bit7 #define Set_Bit(val, bitn) (val |=(1<<(bitn))) #define Clr_Bit(val, bitn) (val&=~(1<<(bitn))) #define Get_Bit(val, bitn) (val &(1<<(bitn)) ) int main( void ) { DDRB = 0x41; //配置PB0为输出,PB7为输入 if ( BUTTON==0 ) LED = 1; else LED = 0; //if(!Get_Bit(PINB,7) ) Set_Bit(PORTB,0); else Clr_Bit(PORTB,0);//宏定义后面做语句也要加分号2021.10.16 while(1); } // ---------------------- end ----------------------------- 4、测试过程。 a.先使用位域方式。 主程序中使用 if ( BUTTON==0 ) LED = 1; else LED = 0; 结果如下： int main( void ) { 4a: cf ed ldi r28, 0xDF ; 223 4c: d0 e0 ldi r29, 0x00 ; 0 4e: de bf out 0x3e, r29 ; 62 50: cd bf out 0x3d, r28 ; 61 DDRB = 0x41; //配置PB0为输出,PB7为输入 52: 81 e4 ldi r24, 0x41 ; 65 54: 87 bb out 0x17, r24 ; 23 if ( BUTTON==0 ) LED = 1; else LED = 0; 56: 86 b3 in r24, 0x16 ; 22 58: e8 2f mov r30, r24 5a: ff 27 eor r31, r31 5c: 80 81 ld r24, Z 5e: 86 fd sbrc r24, 6 60: 07 c0 rjmp .+14 ; 0x70 62: 88 b3 in r24, 0x18 ; 24 64: e8 2f mov r30, r24 66: ff 27 eor r31, r31 68: 80 81 ld r24, Z 6a: 81 60 ori r24, 0x01 ; 1 6c: 80 83 st Z, r24 6e: 06 c0 rjmp .+12 ; 0x7c 70: 88 b3 in r24, 0x18 ; 24 72: e8 2f mov r30, r24 74: ff 27 eor r31, r31 76: 80 81 ld r24, Z 78: 8e 7f andi r24, 0xFE ; 254 7a: 80 83 st Z, r24 while(1); 7c: ff cf rjmp .-2 ; 0x7c main函数共52Bytes.其中，从lst文件看得出:main函数的初始化用了4条指令，8Bytes. 最后一句while(1);用了1条指令2Bytes.( for循环和do-while也是) DDRB=0x41用了2条指令4Bytes. 计算一下：52-8-4-2=38Bytes,即if ( BUTTON==0 ) LED = 1; else LED = 0; 这句用了19条指令38Bytes. (居然运用了3个寄存器白r24,r30,r31,和一个Z，代码真是苦涩，，我看不懂，准备以后作代码加密用
. ) b.使用移位宏方式。 将 if ( BUTTON==0 ) LED = 1; else LED = 0; 换为等效的 if(!Get_Bit(PINB,7) ) Set_Bit(PORTB,0); else Clr_Bit(PORTB,0); 结果,main函数仅24Bytes.其它代码一样，略去. 所以，上面这句代码仅用了24-14=10Bytes ,5条指令。生成的代码如下: 56: b7 99 sbic 0x16, 7 ; 22 58: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x5e 5a: c0 9a sbi 0x18, 0 ; 24 5c: 01 c0 rjmp .+2 ; 0x60 5e: c0 98 cbi 0x18, 0 ; 24 5. 菜论：鱼和熊掌。 由于AVR可以对I/O脚进行sbic,sbi,cbi,这样的位操作，所以使用I/O脚操作时，移位宏可以产生高效的代码。 例如，要实现上面的几个简单的指令，为了实现LED=1这样的类似C51的sbit的效果，我必须多付出(38-10=28Bytes)的代价。 6...... 对于I/O脚，可以产生这样高效的代码，是因为有sbi和cbi这样的指令（但是这两指令仅限于地址在00-1F之间的地址），那么对于一般的变量，又如何呢？.
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