Работа с регистрами AVR микроконтроллера на Си, битовые операции

Показаны принципы работы с отдельными битами регистра порта в AVR микроконтроллере. Подробно рассмотрены битовые операции и операции сдвига битов в языке Си. Приведены примеры установки и сброса битов в регистре порта, чтение состояния битов и их инверсии.

Для записи и чтения отдельных битов в портах микроконтроллера необходимо научиться выполнять битовые операции, уметь использовать битовые маски и выполнять запись в порт.

Содержание:

1. Структура байта
2. Порты, байты и биты
3. Операции битового сдвига
4. Битовые операторы в языке Си
5. Установка битов в регистре порта
6. Сброс битов в регистре порта
7. Проверка разрядов регистра
8. Инверсия состояния бита в регистре
9. Заключение

Структура байта

Один байт состоит из 8-ми бит. Каждый бит может иметь только два значения: 1 или 0. Нумерацию битов в байте принято вести справа налево, начиная с нуля (0).

Первый бит (номер 0, справа) является младшим, а последний (номер 7, слева) - старшим.

1 Байт
(старший бит) 7	6	5	4	3	2	1	0 (младший бит)

Порты, байты и биты

Представьте себе на минуточку, что регистр порта в микроконтроллере - это аппаратная панель, на которой расположены один за другим восемь одинаковых переключателей, каждый из которых может иметь два состояния: включен (1) или выключен (0).

В языке Си для AVR,  установка значения 1 для бита в порте - это как перевод нужного переключателя в состояние "включено". На выходе канала для указанного порта, к которому подвязан наш виртуальный выключатель, появится высокий уровень, а это в свою очередь подаст напряжение на какое-то устройство, например на светодиод, который сразу же засветится.

Порты в AVR микроконтроллерах имеют свое имя в виде "Pxx", например "PD1", где "D" это название порта, а "1" - номер бита (канала) в этом порте. Номера каналов начинаются с нуля (0).

Ниже показан пример битовой структуры порта PORTD:

	Регистр порта PORTD, 1 байт
Номер бита в регистре	7	6	5	4	3	2	1	0
Название канала	PD7	PD6	PD5	PD4	PD3	PD2	PD1	PD0

Аналогично по структуре выглядят и другие порты - PORTA, PORTB, DDRD, PINA...

Предустановленные значения констант PD0, PD1, PB5, PA4 (и многих других) для каждого типа AVR-микроконтроллера указаны в специальном заголовочном файле библиотеки avr-libc.

Например, чтобы вывести на экран значения всех констант из IO-файла для микроконтроллера ATmega8, содержащих сочетание символов "PD" (ищем константы для порта с названием D, PORTD), достаточно выполнить следующую команду:

cat /usr/lib/avr/include/avr/iom8.h | grep PD

Увидим следующий результат:

#define SPDR    _SFR_IO8(0x0F)
#define PD7      7
#define PD6      6
#define PD5      5
#define PD4      4
#define PD3      3
#define PD2      2
#define PD1      1
#define PD0      0

Теперь, при использовании константы PD0 в своей программе на Си, вы знаете что в ней содержится число 0, а в PD3 - 3 и т.д.

Операции битового сдвига

А сейчас, давайте подробно и с примерами разберемся с тем, как работают операторы битового сдвига.

Существует несколько разновидностей операций битового сдвига:

• логический (сдвинутые в направлении биты теряются, а освободившиеся позиции заполняются нулями);
• арифметический (сдвиг влево аналогичен логическому, а при сдвиге вправо - свободные позиции заполняются значениями крайнего левого бита, который еще называют знаковым);
• циклический (потерянные с одной стороны биты перемещаются на освободившиеся позиции с другой, как замкнутое кольцо).

Операторы битового сдвига в языке программирования Си обозначаются как ">>" и "<<" и выполняют логический сдвиг битов в используемой переменной в указанном направлении и на указанное число элементов.

Важный нюанс: при сдвиге вправо (">>") битов в числе с отрицательным знаком (signed) выполняется арифметический сдвиг - освободившиеся позиции слева заполняются единичками (перенос знака). Это важно помнить!

Сокращенные обозначения:

• Bin - от слова Binary, двоичная система счисления;
• Dec - от слова Decimal, десятичная система счисления;
• Hex - от слова Hexadecimal, шестнадцатеричная система счисления.

Для примера выполним сдвиги битов в разных числах, предварительно представив их в двоичном виде.

Для числа 1 (Dec, в десятичной системе 1) - 00000001 (Bin, в двоичной системе 0b00000001):

• 1 << 0 = 1 (00000001);
• 1 << 1 = 2 (00000010);
• 1 << 2 = 4 (00000100)
• 1 << 5 = 32 (00100000);
• 1 >> 2 = 0 (00000000).

Сдвиг влево на один разряд выполняет умножение числа на 2, а сдвиг вправо - деление числа на 2.

Для числа 209 (Dec, в десятичной системе 209) - 11010001 (Bin, в двоичной системе 0b11010001):

• 209 = 11010001;
• 209 << 3 = 136 (10001000);
• 209 << 5 = 32 (00100000);
• 209 >> 5 = 6 (00000110)

Для пересчета из одной системы счисления в другую в Linux удобно использовать калькулятор, об этом я уже раньше писал.

Битовые операторы в языке Си

То как двигать биты в байте мы теперь знаем, дальше разберемся с битовыми операторами в Си:

• "&" (логическое И, AND) или умножение - бинарная операция, результат которой равен 1 только в том случае если оба операнда равны 1, в противном случае будем иметь 0;
• "|" (логическое ИЛИ, OR) или сложение - бинарная операция, результат которой равен 1 в том случае если хотя бы один из операндов равен 1;
• "~" (логическое НЕ) или инверсия - унарная операция, результат которой равен 0 если операнд равен 1, и наоборот - результат равен 1, если операнд равен 0;
• "^" (исключающее ИЛИ, XOR) - бинарная операция, результат которой равен 1 в том случае если только один из двух операндов равен 1.

Рассмотрим примеры битовых операций над числами 209, 7 и их битовыми представлениями:

1101 0001 (209) & 0000 0111 (7) ---------------- 0000 0001 (1)

1101 0001 (209) | 0000 0111 (7) ---------------- 1101 0111 (215)

1101 0001(209) ~ ---------------- 0010 1110(46)

1101 0001 (209) ^ 0000 0111 (7) ---------------- 1101 0110 (214)

Как видите, битовые операции позволяют установить или сбросить отдельные биты числа.

Установка битов в регистре порта

А теперь немного практики: в регистре порта PORTB установим значение "1" для бита с номером 5, что в свою очередь установит высокий уровень для канала этого порта с названием PB5 (5-й бит в регистре).

Допустим что сейчас в регистре PORTB содержится байт с двоичным значением 10001000 (задан высокий уровень на каналах PB7 и PB3, биты с номерами 7 и 3 установлены в единицу). В переводе на десятичную систему счисления это число 136.

Для установки бита с номером 5 в этом числе (10001000) и так чтобы не затронуть значения других бит - будем использовать битовую операцию логического ИЛИ в комплексе с битовой маской.

Что такое битовая маска? - по сути это специально подготовленное число, байт в котором биты установлены так, что в сочетании с подобранной логической операцией над битами конкретного числа позволяет установить в нем значения нужных битов в 0 или 1.

Для получения битовой маски, при помощи которой позже будет изменен один бит (переключим с 0 на 1), мы выполним сдвиг битов числа 1 (00000001) на 5 разрядов влево:

0000 0001 (1)
<< 5
----------------
0010 0000 (32)

В результате битовой операции сдвига получим число 32 (00100000) - это и есть наша битовая маска для данной операции. Хочу заметить что это число равняется числу 2 в 5-й степени. Каждый сдвиг разрядов байта на одну позицию влево умножает его результирующее значение на 2, а такой же сдвиг вправо - делит на 2.

Чтобы переключить значение бита с номером 5 на "1" остается выполнить битовую операцию ИЛИ над текущим числом в регистре и получившимся числом-маской. Эта операция затронет в регистре только те биты, которые в маске имеют значение "1", а все остальные останутся без изменений:

1000 1000 (136)
|
0010 0000 (32)
----------------
1010 1000 (168)

Теперь можно сравнить состояния регистра перед операцией и после - все значения бит сохранены и дополнительно переключен с 0 на 1 бит с номером 5 (помним что отсчет номеров битов ведется справа налево, начиная с нуля).

Чтобы для данного примера записать "1" в бит с номером 5 и загрузить результирующий байт в регистр порта PORTB (установка высокого уровня для канала PB5) можно использовать любую из следующих, равнозначных по результату конструкций операторов:

PORTB = PORTB | 32;
PORTB = PORTB | (1 << 5);
PORTB = PORTB | (1 << PB5);
PORTB |= (1 << PB5);

Наиболее удобно использовать последний вариант - он краток, в нем используется комбинация из операций логического ИЛИ и присваивания.

Используемая в примере константа PB5 (канал 5 порта B, бит номер 5 в регистре) определена в файле /usr/lib/avr/include/avr/iom8.h (для микроконтроллера ATmega8) и численно имеет значение "5".

Как установить несколько бит в регистре? - можно поочередно вызвать две конструкции с операторами и потом записать значение в регистр, а можно все выполнить одной командой.

Допустим нам нужно установить биты с номерами 1 и 5 в регистре порта PORTD, что соответствуют каналам PD1 и PD5:

PORTD |= ( 1 << 1 ) | ( 1 << 5 );
PORTD |= ( 1 << PD1 ) | ( 1 << PD5 );

Сброс битов в регистре порта

Для сброса разрядов (установки значения в "0") в регистре порта мы будем использовать битовую операцию "&" (логическое "И"), которая применяется к двум битам (бинарная операция) и даёт единицу только в том случае если оба исходных бита имеют единичное значение, также нам пригодится битовая операция "~" (логическое "НЕ", инверсия).

Давайте выполним сброс бита с номером 4 (запишем значение 0) в регистре порта PORTD, что в свою очередь выполнит установку низкого уровня на канале PD4. Допустим что сейчас в регистре PORTD содержится байт с двоичным значением 10011101, что равно десятичному числу 157.

Для того чтобы сбросить (переключить на 0) 4-й бит в байте регистра порта PORTD (10011101) мы сделаем следующее:

1. Подготовим маску, задав значения бит для которых будем производить манипуляции в байте порта;
2. Инвертируем биты в маске с помощью операции "~" (логическое "НЕ", инверсия);
3. Выполним битовую операцию "&" (логическое "И") над текущим значением регистра и полученной после инверсии маской.

Для подготовки битовой маски выполним левосторонний сдвиг разрядов в числе 1 (00000001) на 4 позиции.

0000 0001 (1)
<< 4
----------------
0001 0000 (16)

Маска готова, получили число 16 (00010000), что равно 2 в 4-й степени.

Теперь выполним инверсию битов в полученном числе:

0001 0000 (16)
~
----------------
1110 1111 (239)

Готово, осталось применить маску к содержимому регистра порта PORTB используя битовую операцию "&":

1001 1101 (157)
&
1110 1111 (239)
----------------
1000 1101 (141)

Записав число 10001101 в регистр PORTD мы тем самым изменим значение бита с номером 4 на 0 с сохранением положений всех остальных бит.

В языке Си данные операции можно выполнить используя любую из приведенных ниже, идентичных по результату записей:

PORTD = PORTD & ~ 16;
PORTD = PORTD & 239;
PORTD = PORTD & ~( 1 << 4 );
PORTD = PORTD & ~( 1 << PD4 );
PORTD &= ~( 1 << PD4 );

Для одновременного сброса нескольких битов регистра (установки их значений в 0) можно использовать следующие конструкции из операторов:

PORTD = PORTD & ~( ( 1 << PD4 ) | ( 1 << PD6 ) );
PORTD &= ~( ( 1 << PD4 ) | ( 1 << PD6 ) );

Проверка разрядов регистра

Теперь разберемся как проверить разряды регистра на наличие в них "1" или "0". Это может понадобиться при получении состояний битов в регистрах специального назначения (флагов) микропроцессора, а также для чтения состояния битов в байтах для различной периферии и устройств, которые представляют свое состояние в бытовой структуре.

Чтобы используя язык Си проверить значение определенного бита в регистре нужно составить комбинацию из битовых операций, результатом работы которой будет одно из двух значний: правда (True) или ложь (False).

Получив в результате булево (bool) значение его можно использовать в языка Си для работы с циклами и условными операторами.

Например, нам нужно проверить содержит ли единицу (1) бит с номером 2 в байте регистра PORTD, тем самым мы проверим задан ли высокий уровень на соответствующем каналу PD2 порта PORTD пине МК.

Допустим что текущее значение регистра PORTD - 10010101 (десятичное 149).

Для проверки используем выражение которое состоит из: битовой маски с установленным битом для проверки и проверяемого регистра, к которым применен битовый оператор "&" (логическое И).

Готовым маску, в которой только бит с номером 2 установлен в "1". Для этого выполним сдвиг битов числа "1" на 2 разряда влево:

0000 0001 (1)
<< 2
----------------
0000 0100 (4)

Теперь применим битовую операцию "&" (логическое И) к содержимому регистра PORTD и получившейся маске:

1001 0101 (149)
&
0000 0100 (4)
----------------
0000 0100 (4)

В результате выражения получим число 00000100 (десятичное 4).

В языке Си все числа которые НЕ равны "нулю" (-100, -5, 1, 500) являются логической истиной (True), а число 0 - логической ложью (False).

Результат нашего выражения - число 4, которое является логической истиной (True), а это значит что бит с номером 2 в байте регистра PORTD содержит единицу.

Вот как будет выглядеть данное выражение из двух логических операций на языке Си:

PORTD & (1 << 2)

Такое выражение можно использовать в условных операторах (if) и операторах циклов (while), например:

while( PORTD & (1 << 2) ) { ... }
if( PORTD & (1 << PD2) ) { ... }

Для проверки состояния бита в регистре на ноль (0) используем такую же конструкцию, только к результату выражения применим логическую операцию инверсии "!" (логическое НЕ).

Логическая операция "!" в языке Си изменяем значение числа с правды (True) на ложь (False), и наоборот. В отличие от битовой операции инверсии, которая переворачивает биты с 1 на 0 и наоборот, логическая операция инверсии оперирует с логическими значениями: правда (True) на ложь (False).

Несколько примеров:

1 = True	0 = False	122 = True	(149 & (1 << 2)) = True
!1 = False	!0 = True	!(5-1) = False	!(149 & (1 << 2)) = False

Вот выражения на языке Си для проверки на ноль (0) бита с номером 2 в байте регистра для порта PORTD (канал PD2):

while( !(PORTD & (1 << 2)) ) { ... } 
if( !(PORTD & (1 << PD2)) ) { ... }

Здесь выражение "PORTD & (1 << 2)" берется в круглые скобки, что позволяет получить результат этого выражения, к которому потом и будет применен оператор логической инверсии.

Инверсия состояния бита в регистре

Иногда может понадобиться изменить состояние определенного бита в регистре на противоположное - выполнить инверсию состояния бита.

Для подобной операции отлично подходит битовый оператор "^" (исключающее ИЛИ, XOR). Чтобы выполнить инверсию определенного бита в регистре нужно создать маску, в которой бит под нужным номером установлен, а потом применить к содержимому регистра и полученной маске бинарный оператор "^", напосмледок останется записать полученный результат в регистр.

Например нам нужно погасить светодиод, который подключен к каналу PD5 порта PORTD. Если светодиод светится - то это значит что в на канале PD5 присутствует высокий уровень, соответственно бит под номером 5 в регистре порта PORTD установлен в 1.

Допустим что содержимое регистра порта PORTD сейчас - 10111010 (десятичное число 186).

Подготовим битовую маску: для операций с битим под номером 5 нам необходимо сдвинуть все биты числа 1 на 5 разрядов влево.

0000 0001 (1)
<< 5
----------------
0010 0000 (32)

Используя битовую операцию "^" (исключающее ИЛИ, XOR) применим маску к значению байта, который содержится в регистре порта PORTD:

1011 1010 (186)
^
0010 0000 (32)
----------------
1001 1010 (154)

В результате, если записать данное число в регистр PORTD, бит под номером 5 (который раньше был 1) будет установлен в 0 (1001 1010).

Примеры использования такой конструкции на языке Си:

PORTD = PORTD ^ 32;
PORTD = PORTD ^ (1<< 5);
PORTD = PORTD ^ (1<< PD5);
PORTD ^=(1<< PD5);

Как и в предыдущих примерах по установке и сбросу битов, последняя конструкция (я ее выделил) является наиболее краткой и понятной для использования.

Заключение

С первого взгляда выражения наподобие "&", "!", "PD1", ">>" с их комбинациями могут показаться очень сложными. Но если собрать все терпение с вниманием и один раз хорошенько разобраться, попробовав примеры на практике, то в будущем будет уже не сложно понять как работают такие конструкции в коде программы и какой результат от них ожидать.

Логические и битовые операции присутствуют во многих языках программирования, не только в Си. Поэтому данный опыт будет полезен практически любому программисту.

Начало цикла статей: Программирование AVR микроконтроллеров в Linux на языках Asembler и C.