AVR单片机IO口的位操作（类似于DSP）---鱼C首发

沉思的牛

我写这篇帖子的目的是让大家更好的理解指针，位域，共用体，希望大家把它们应用得更好；
所有源代码我会发出来，再后面的就不全部贴出来了；

用过51单片机的同学都知道可以用sbit定义一个位变量，从而操作一个管脚。
比如：

1. sbit LED0 = P0^0; //定义一个位变量，操作一个管脚

复制代码

再比如DSP的操作方式：

1. //设置GPIOD5管脚为高电平
   
2. GpioDataRegs.GPDDAT.bit.GPIOD5 = 1;

复制代码

  

以下我们单片机用ATMEGA128A，开发环境用Atmel Studio6.0为例子。

在AVR开发中有个头文件里面有个BIT（）的宏定义，但是用这个需要不停地取反，或等操作，也不是很爽。
其实AVR的IO口是可以位寻址的，DataSheet里面有说到（汇编语言）；

现在我们想把这种操作方式变成DSP这样，
既可以操作一个管脚，又可以操作整个端口。是不是爽歪歪


从DSP的操作方式可以看到，其实它就是用了 位域 和 共用体，
我想初学C语言的同学都有一个疑问，位域和共用体特么到底用来干什么 ，其实我是学了DSP过后才发现位域和共用体这么流弊~！ 。

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在写程序之前我们必须要弄懂的一个问题：
        我们是怎么利用C语言来进行对AVR IO口进行操作的？
        没错！ 那就是万能的指针。

我们先从官方的代码分析

1. #define DDRA    _SFR_IO8(0x1A)   //先打开DDRA端口的定义看看，居然还有宏定义，再继续翻 _SFR_IO8
   
2. 
   
3. //打开看到居然还有宏定义，再继续看_MMIO_BYTE，还有__SFR_OFFSET是什么鬼？(最后再说)
   
4. #define _SFR_IO8(io_addr)   _MMIO_BYTE((io_addr) + __SFR_OFFSET)
   
5. 
   
6. #define  _MMIO_BYTE(mem_addr)   (*(volatile uint8_t *)(mem_addr))    //_MMIO_BYTE宏的定义终于找到了

复制代码

我们来分析一下上面的代码
(*(volatile uint8_t *)(mem_addr)) 黄色部分是传进去的参数，从这个字面意思可以知道是内存的地址，
                                                                                         //其实传进去的就是io口的地址;
(*(volatile uint8_t *)(mem_addr))  再来看红色这部分是什么意思： 可以看出是类型强转，把这个地址值强转为指针类型;

(*(volatile uint8_t *)(mem_addr))  //类型重定义typedef unsigned char uint8_t;可以看到uint8_t其实就是unsigned char
(*(volatile uint8_t *)(mem_addr))  这个*号当然就是解引用，就是对这个地址指向的内存操作;

1. 
   
2. // __SFR_OFFSET官方定义，其实就是一个地址的偏移，保证兼容性
   
3. #ifndef __SFR_OFFSET
   
4. /* Define as 0 before including this file for compatibility with old asm
   
5.    sources that don't subtract __SFR_OFFSET from symbolic I/O addresses.  */
   
6. #  if __AVR_ARCH__ >= 100
   
7. #    define __SFR_OFFSET 0x00
   
8. #  else
   
9. #    define __SFR_OFFSET 0x20
   
10. #  endif
    
11. #endif
    

复制代码

最后说一下volatile关键字，其实就是为了不让编译器优化volatile修饰的代码，具体解释去百度。



既然知道了为什么良辰不介意陪大家玩玩~
DDRA的地址 = 0x1A
PORTA的地址 = 0x1B

1. 
   
2. //我们写这段代码来控制PA口
   
3. (*(volatile unsigned char *)(0x1A)) = 0xff;   //相当于DDRA=0xff;
   
4. (*(volatile unsigned char *)(0x1B)) = 0x55;  //相当于PORTA = 0x55;     
   

复制代码

在你的PA口接上LED看看效果，是不是能控制了！如果能，并且你已经理解的话我们继续往下！~

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总体思想如下：
现在我们就来详细的讲解位域和共用体的用法：
我们可以用位域把IO端口分成8个域，每个域占1个位;
然后在用一个位域把IO端口分成1个域，占8个位。
最后把这两个放到共用体来操作。

详细的内存结构如图：
附件下载： AVR_GPIO内存图.pdf (88.26 KB, 下载次数: 7)

2015-10-31 21:16 上传

点击文件名下载附件
AVR_GPIO内存结构图

/**********************************华丽的分割线*******************************/

这些代码都是AVR_GPIO.h文件里面的；
内存结构都有了，接下来我们就要按照这个结构来写程序了！
我们应该从右往左写过去：
1.根据内存结构图我们先建立两个位域：

1. //这个位域用来进行位操作，看内存结构图，我想你已经知道是哪个了
   
2. struct GpioBits
   
3. {
   
4.         volatile unsigned char Pin0 : 1;    //每个管脚占一位，就可以操作每个管脚了
   
5.         volatile unsigned char Pin1 : 1;
   
6.         volatile unsigned char Pin2 : 1;
   
7.         volatile unsigned char Pin3 : 1;
   
8.         volatile unsigned char Pin4 : 1;
   
9.         volatile unsigned char Pin5 : 1;
   
10.         volatile unsigned char Pin6 : 1;
    
11.         volatile unsigned char Pin7 : 1;
    
12. };
    

复制代码

1. //这个位域用来操作整个端口
   
2. struct GpioByte
   
3. {
   
4.         volatile unsigned char Byte : 8 ; //这个位域占8位，方便操作一个字节，一个端口8个管脚
   
5. };

复制代码

2.位域有了，看内存结构图，接下来应该是建立共用体了。

1. //共用体用来选择位操作和字节操作
   
2. union GpioByteOrBitSelect
   
3. {
   
4.         volatile struct GpioByte *All;    //操作整个端口(字节)
   
5.         volatile struct GpioBits *Bit;    //操作位
   
6. };

复制代码

3.现在就是要建立最大的那一个结构体了，包含所有的IO口，我们先键立PA口的为例子，后面的大家自己建立；
我会把源代码发布出来。

1. //这个就是最后的结构体类型定义了，定义了所有IO口
   
2. struct GpioRegisters
   
3. {
   
4.         volatile union GpioByteOrBitSelect *GpioDDRA;     //我们先以PA口作为例子
   
5.         volatile union GpioByteOrBitSelect *GpioPORTA;
   
6.         volatile union GpioByteOrBitSelect *GpioPINA;
   
7. 
   
8.         //其他的io各位自己定义，我源代码里面也有
   
9.        
   
10. };
    

复制代码

这些都是AVR_GPIO.C文件里面的
4.上面我们都是类型定义，最重要的下面，要建立内存实体，就是变量；
现在是最关键的一步，就是要让共用体里面的指针要指向io口的地址

1. 
   
2. //以下初始化为io口地址，强转为位域指针类型
   
3. //建立GpioByteOrBitSelect类型的共用体实体为gpioSelectDDRA，然后赋初值为DDRA的内存地址
   
4. //后面的都是类似
   
5. volatile union GpioByteOrBitSelect gpioSelectDDRA={(struct GpioByte *)(GPIO_DDRA_ADDRESS+__SFR_OFFSET)};   
   
6. volatile union GpioByteOrBitSelect gpioSelectPORTA={(struct GpioByte *)(GPIO_PORTA_ADDRESS+__SFR_OFFSET)};
   
7. volatile union GpioByteOrBitSelect gpioSelectPINA={(struct GpioByte *)(GPIO_PINA_ADDRESS+__SFR_OFFSET)};
   

复制代码

io地址定义

1. //关于IO地址定义
   
2. #define GPIO_DDRA_ADDRESS    0x1a
   
3. #define GPIO_PORTA_ADDRESS   0x1b
   
4. #define GPIO_PINA_ADDRESS    0x19

复制代码

5.然后建立GpioRegisters结构体的内存实体（变量）

1. 
   
2. volatile struct GpioRegisters gpios ={
   
3.          &gpioSelectDDRA,      //指向gpioSelectDDRA共用体，看我们的内存结构图
   
4.          &gpioSelectPORTA,    //指向gpioSelectPORTA共用体
   
5.          &gpioSelectPINA       //指向gpioSelectPINA共用体
   
6. 
   
7.         //后面的IO口自己添加
   
8. };
   

复制代码

6.最后方便我们使用起来看起都是指针操作，我们再建立一个GpioRegisters结构体指针；
其实你不用指针也可以，我有强迫症，要全部看起来用->指针符号才爽！！

1. //这个指针当然要指向GpioRegisters定义的gpios实体
   
2. volatile struct GpioRegisters *Gpios  = &gpios;
   

复制代码

7.最后在编译一下吧；

然后测试一下：
Gpios->GpioDDRA->All->Byte = 0xff;
Gpios->GpioPORTA->All->Byte = 0xff;
Gpios->GpioPORTA->Bit->Pin0 = 0;


/**********************************华丽的分割线*******************************/

最后祝你成功；
当然我们这样弄肯定是有利有弊的：
好处：我们使用io口更方便了。
弊端：我们建立的指针实体会占用一定的内存空间，不过对于RAM大一点的MCU来说也没有什么了。
/**********************************华丽的分割线*******************************/


源代码附上：
AVR_GPIO_DEMO.rar (157.99 KB, 下载次数: 24)

2015-11-2 21:12 上传

点击文件名下载附件
源代码

如果各位觉得还不够爽，后期我再加录个视频。

竹林小溪

文章写的非常的NICE，不错不错~

沉思的牛

竹林小溪 发表于 2015-11-4 21:51
文章写的非常的NICE，不错不错~

谢谢支持哦~~

零度非安全

是单片机耶，

沉思的牛

零度非安全 发表于 2015-11-5 09:55
是单片机耶，

必须是单片机！
这算是单片机IO口的高级应用吧

wangchunchun

我目前只见过一个共同体的应用，似乎是VC的串口通讯。。。反正没咋懂。

沉思的牛

wangchunchun 发表于 2015-11-5 17:10
我目前只见过一个共同体的应用，似乎是VC的串口通讯。。。反正没咋懂。

你要是把我这个看懂了，你就能熟练的应用共用体和位域了

zx3035

wangchunchun

沉思的牛 发表于 2015-11-7 14:37
你要是把我这个看懂了，你就能熟练的应用共用体和位域了

嗯，谢谢，楼主，依然看懂。:victory:

沉思的牛

wangchunchun 发表于 2015-11-10 14:38
嗯，谢谢，楼主，依然看懂。

xiaoqiango

学习了

xiaoqiango

谢谢

sbk100

来个视频把

昨非

硬件好难的

more_

膜拜大佬

yobdc

强啊

yanlf666

牛人， 初学msp430f5529开发板，用你这个位域，卡在GPIO_P1DIR_ADDRESS + __SFR_OFFSET这一句。
提示'__SFR_OFFSET' undeclared here (not in a function)。能详细解释一下吗？谢谢