嵌入式C语言位操作的移植与优化

嵌入式C语言位操作的移植与优化

  
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，很多带串目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：
    
    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／OS-II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：
    
    汇编结果如下：
    
    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：
    
    
    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：
    
    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：
    

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：
    
    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。⑩句，函数要通过R7返回参数，程序已达到最简。
    
    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：
    
    端口地址变最要定义成以下数据类型：bdata PIN；
    同时，在头文件中加上宏定义：

    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。
    
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：

    汇编的结果与用逻辑运算的方法进行位操作竞完全一样。

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：

其中：第一句OUT_SIO_DA()，5l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240l、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5l、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KeiI C51 V7．03、IARC430 V2．10A和Tasking C96 V5．0。

    本文可能所用到的IC型号： MC145540DW AT29C040A-12TI QMV233AT5 AM27C128-150DC SP5301CY M27C256B-12C6 OP400HS AM29C985JC MAX3241CWI