嵌入式C語(yǔ)言位操作的移植與優(yōu)化

引 言
    單片機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，種類(lèi)也越來(lái)越多。由于嵌入式C語(yǔ)言可讀性強(qiáng)、移植性好，與匯編語(yǔ)言相比大大減輕了軟件工程師的勞動(dòng)強(qiáng)度，因而越來(lái)越多的單片機(jī)工程師開(kāi)始使用C語(yǔ)言編程。但C語(yǔ)言的可移植性僅限于與硬件無(wú)關(guān)的子程序，而與具體硬件有關(guān)的子程序則無(wú)法移植。在單片機(jī)應(yīng)用中，位操作(特別是對(duì)引腳的位操作)非常普遍，如EEPROM數(shù)據(jù)和IC卡數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)、字段式LCD顯示等，很多帶串目的集成電路都需要單片機(jī)用軟件來(lái)做I／O口讀寫(xiě)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(wèn)題。這里介紹兩種C語(yǔ)言位操作的移植方法。

1 用邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)位操作
    請(qǐng)看下面這個(gè)子程序：

   
    這是通過(guò)單片機(jī)引腳從88SC102卡中讀一個(gè)字節(jié)的子程序。程序采用μC／OS-II中的書(shū)寫(xiě)風(fēng)格，即變量和函數(shù)采用“駝峰”寫(xiě)法，由define定義的常量和內(nèi)聯(lián)函數(shù)采用全部大寫(xiě)加下劃線的寫(xiě)法。
    此程序驅(qū)動(dòng)一個(gè)引腳輸出CARD_CLK高低信號(hào)，從另一個(gè)引腳一位一位讀取CARD_SDA數(shù)據(jù)。
1.1 用于MSP430系列單片機(jī)
    此程序應(yīng)用到MSP430單片機(jī)上(本文用的是MSP430F413單片機(jī))，頭文件中要有如下定義：

   

    匯編結(jié)果如下：

   
    這與手工匯編編程的結(jié)果幾乎一樣。代碼效率很高。
1.2 用于51系列單片機(jī)
    在51系列單片機(jī)中應(yīng)用此程序，頭文件要加入以下定義：

   

   
    由匯編結(jié)果可知，對(duì)位的直接清零和置位已達(dá)到最簡(jiǎn)，只是讀位值不夠理想。
1.3 用于196／296系列單片機(jī)
    在80C196MC、80C296SA等單片機(jī)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(zhí)行速度也最快，但這樣做C程序就無(wú)法移植了。若不用窗口技術(shù)，則片上I／O口是內(nèi)存地址映射的，與普通內(nèi)存地址一樣操作。頭文件中加入如下定義，即可利用原來(lái)的程序：

   
    匯編后的代碼是56字節(jié)，代碼效率也很高。
    采用邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)位操作，C程序簡(jiǎn)單明了，移植性好，可讀性更好。但96系列單片機(jī)無(wú)法利用JBC和JBS位操作指令，51系列單片機(jī)也無(wú)法利用JB和JNB等其特有的位操作指令來(lái)提高代碼效率。用位段結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)位操作可以彌補(bǔ)這個(gè)不足。

2 用位段結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)位操作
    把原來(lái)的程序改寫(xiě)如下：

   

2．1 在51系列單片機(jī)中的應(yīng)用
    在C51中使用ACC是不必在每個(gè)子程序中定義的，所以要在文件的開(kāi)頭加上#define C51_ASM。這樣，第④、⑤、⑥句會(huì)被忽略。在頭文件中加上以下定義：

   
    其余定義如本文第一部分所述。結(jié)果第⑧句匯編變?yōu)椤癕OV C，CardSDA”和“MOV ACC_0，C”兩句。⑩句，函數(shù)要通過(guò)R7返回參數(shù)，程序已達(dá)到最簡(jiǎn)。

   
    還可以像196／296那樣定義一個(gè)位段結(jié)構(gòu)，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(jī)中的應(yīng)用
    在196／296中應(yīng)用這段程序，要增加一個(gè)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(gè)如下的位段結(jié)構(gòu)定義：

   
    端口地址變最要定義成以下數(shù)據(jù)類(lèi)型：bdata PIN；
    同時(shí)，在頭文件中加上宏定義：

    這樣ACCImg就定義成了一個(gè)低端寄存器，ACC是它的字節(jié)訪問(wèn)形式。源程序中的第⑧句讀引腳，匯編的結(jié)果使用了JBC指令，整個(gè)程序比不用位段減少了字節(jié)，達(dá)到了優(yōu)化代碼的目的。

   
2．3 在MSP430系列單片機(jī)中的應(yīng)用
    MSP430系列單片機(jī)沒(méi)有位操作指令，所以不必定義位段結(jié)構(gòu)，直接把ACC定義成一個(gè)無(wú)符號(hào)8位數(shù)即可。頭文件中是這樣定義的：

    匯編的結(jié)果與用邏輯運(yùn)算的方法進(jìn)行位操作競(jìng)完全一樣。

結(jié)語(yǔ)
    對(duì)引腳的位操作有3種：直接置位或清零，從端口輸入數(shù)據(jù)和從端口輸出數(shù)據(jù)。前兩種上文已介紹過(guò)了。從端口輸出數(shù)據(jù)的C程序如下：

其中：第一句OUT_SIO_DA()，5l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(gè)if語(yǔ)句。
    位段操作程序中采用了ACC這個(gè)名字作為一個(gè)局部變量。在C51中這剛好是主累加器，對(duì)于240l、IC卡等半雙工器件的程序很實(shí)用，但當(dāng)SPI總線輸入／輸出同時(shí)操作時(shí)，就沒(méi)這么方便了。
    用邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)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(yùn)算實(shí)現(xiàn)的。位段定義可能存在不同編譯器分配順序不同的問(wèn)題，但考慮到32位高速CPU不會(huì)用軟件模擬這種串口的操作，這樣的程序只會(huì)用在5l、196／296、MSP430等無(wú)片內(nèi)Cache的中低速單片機(jī)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(yùn)算還是使用位段進(jìn)行位操作，完全看個(gè)人喜好。本文程序采用的編譯器是KeiI C51 V7．03、IARC430 V2．10A和Tasking C96 V5．0。