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C语言、嵌入式位操作精华技巧大汇总

对于ST的芯片的使用,大家平时在学习、工作中大多使用库函数的方式来开发吧?我之前也是用库函数来进行配置,最近发现直接配置寄存器有时候好像更容易些,而且可读性也不会很差。下面分享关于寄存器配置的一些笔记:

一、位操作简单介绍

首先,以下是按位运算符:

======021

嵌入式编程中,常常需要对一些寄存器进行配置,有的情况下需要改变一个字节中的某一位或者几位,但是又不想改变其它位原有的值,这时就可以使用按位运算符进行操作。下面进行举例说明,假如有一个8位的TEST寄存器:

======022

当我们要设置第0位bit0的值为1时,可能会这样进行设置:

TEST = 0x01;

但是,这样设置是不够准确的,因为这时候已经同时操作到了高7位:bit1~bit7,如果这高7位没有用到的话,这么设置没有什么影响;但是,如果这7位正在被使用,结果就不是我们想要的了。

在这种情况下,我们就可以借用按位操作运算符进行配置。

对于二进制位操作来说,不管该位原来的值是0还是1,它跟0进行&运算,得到的结果都是0,而跟1进行&运算,将保持原来的值不变;不管该位原来的值是0还是1,它跟1进行|运算,得到的结果都是1,而跟0进行|运算,将保持原来的值不变。

所以,此时可以设置为:

TEST = TEST | 0x01;

其意义为:TEST寄存器的高7位均不变,最低位变成1了。在实际编程中,常改写为:

TEST |= 0x01;

这种写法可以一定程度上简化代码,是 C 语言常用的一种编程风格。设置寄存器的某一位还有另一种操作方法,以上的等价方法如:

TEST |= (0x01 << 0);

第几位要置1就左移几位。

同样的,要给TEST的低4位清0,高4位保持不变,可以进行如下配置:

TEST &= 0xF0;

二、嵌入式中位操作一些常见用法

1、一个32bit数据的位、字节读取操作

(1)获取单字节:

#define    GET_LOW_BYTE0(x)    ((x >>  0) & 0x000000ff)    /* 获取第0个字节 */
#define    GET_LOW_BYTE1(x)    ((x >>  8) & 0x000000ff)    /* 获取第1个字节 */
#define    GET_LOW_BYTE2(x)    ((x >> 16) & 0x000000ff)    /* 获取第2个字节 */
#define    GET_LOW_BYTE3(x)    ((x >> 24) & 0x000000ff)    /* 获取第3个字节 */

示例:

======001

======002

(2)获取某一位:

#define    GET_BIT(x, bit)    ((x & (1 << bit)) >> bit)    /* 获取第bit位 */

示例:

======003

======004

2、一个32bit数据的位、字节清零操作

(1)清零某个字节:

#define    CLEAR_LOW_BYTE0(x)    (x &= 0xffffff00)    /* 清零第0个字节 */
#define    CLEAR_LOW_BYTE1(x)    (x &= 0xffff00ff)    /* 清零第1个字节 */
#define    CLEAR_LOW_BYTE2(x)    (x &= 0xff00ffff)    /* 清零第2个字节 */
#define    CLEAR_LOW_BYTE3(x)    (x &= 0x00ffffff)    /* 清零第3个字节 */

示例:

======005

======006

(2)清零某一位:

#define    CLEAR_BIT(x, bit)    (x &= ~(1 << bit))    /* 清零第bit位 */

示例:

=======007

=======008

3、一个32bit数据的位、字节置1操作

(1)置某个字节为1:

#define    SET_LOW_BYTE0(x)    (x |= 0x000000ff)    /* 第0个字节置1 */    
#define    SET_LOW_BYTE1(x)    (x |= 0x0000ff00)    /* 第1个字节置1 */    
#define    SET_LOW_BYTE2(x)    (x |= 0x00ff0000)    /* 第2个字节置1 */    
#define    SET_LOW_BYTE3(x)    (x |= 0xff000000)    /* 第3个字节置1 */

示例:

======009

======010

(2)置位某一位:

#define    SET_BIT(x, bit)    (x |= (1 << bit))    /* 置位第bit位 */

======011

======012

4、判断某一位或某几位连续位的值

(1)判断某一位的值

举例说明:判断0x68第3位的值。

======013

======014

也就是说,要判断第几位的值,if里就左移几位(当然别过头了)。在嵌入式编程中,可通过这样的方式来判断寄存器的状态位是否被置位。

(2)判断某几位连续位的值

/* 获取第[n:m]位的值 */
#define BIT_M_TO_N(x, m, n)  ((unsigned int)(x << (31-(n))) >> ((31 - (n)) + (m)))

示例:

======015

======016

这是一个查询连续状态位的例子,因为有些情况不止有0、1两种状态,可能会有多种状态,这种情况下就可以用这种方法来取出状态位,再去执行相应操作。

以上是对32bit数据的一些操作进行总结,其它位数的数据类似,可根据需要进行修改。

三、STM32寄存器配置

STM32有几套固件库,这些固件库函数以函数的形式进行1层或者多层封装(软件开发中很重要的思想之一:分层思想),但是到了最里面的一层就是对寄存器的配置。我们平时都比较喜欢固件库来开发,大概是因为固件库用起来比较简单,用固件库写出来的代码比较容易阅读。最近一段时间一直在配置寄存器,越发地发现使用寄存器来进行一些外设的配置也是很容易懂的。使用寄存器的方式编程无非就是往寄存器的某些位置1、清零以及对寄存器一些状态位进行判断、读取寄存器的内容等。

这些基本操作在上面的例子中已经有介绍,我们依旧以实例来巩固上面的知识点(以STM32F1xx为例):

(1)寄存器配置

看一下GPIO功能的端口输出数据寄存器 (GPIOx_ODR) (x=A..E) :

======017

假设我们要让PA10引脚输出高、输出低,可以这么做:

方法一:

GPIOA->ODR |= 1 << 10;      /* PA10输出高(置1操作) */
GPIOA->ODR &= ~(1 << 10);  /* PA10输出低(清0操作) */

也可用我们上面的置位、清零的宏定义:

SET_BIT(GPIOA->ODR, 10);    /* PA10输出高(置1操作) */
CLEAR_BIT(GPIOA->ODR, 10);  /* PA10输出低(清0操作) */

方法二:

GPIOA->ODR |= (uint16_t)0x0400;   /* PA10输出高(置1操作) */
GPIOA->ODR &= ~(uint16_t)0x0400;  /* PA10输出低(清0操作) */

貌似第二种方法更麻烦?还得去细心地去构造一个数据。

但是,其实第二种方法其实是ST推荐我们用的方法,为什么这么说呢?因为ST官方已经把这些我们要用到的值给我们配好了,在stm32f10x.h中:

======018

这个头文件中存放的就是外设寄存器的一些位配置。

所以我们的方法二等价于:

GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_ODR10;   /* PA10输出高(置1操作) */
GPIOA->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR10;  /* PA10输出低(清0操作) */

两种方法都是很好的方法,但方法一似乎更好理解。

配置连续几位的方法也是一样的,就不介绍了。简单介绍配置不连续位的方法,以TIM1的CR1寄存器为例:

======019

设置CEN位为1、设置CMS[1:0]位为01、设置CKD[1:0]位为10:

TIM1->CR1 |= (0x1 << 1)| (0x1 << 5) |(0x2 << 8);

这是组合的写法。当然,像上面一样拆开来写也是可以的。

(2)判断标志位

以状态寄存器(USART_SR) 为例:

======020

判断RXNE是否被置位:

/* 数据寄存器非空,RXNE标志置位 */
if (USART1->SR & (1 << 5))
{
    /* 其它代码 */

    USART1->SR &= ~(1 << 5);  /* 清零RXNE标志 */
}

或者:

/* 数据寄存器非空,RXNE标志置位 */
if (USART1->SR & USART_SR_RXNE)
{
    /* 其它代码 */

    USART1->SR &= ~USART_SR_RXNE;  /* 清零RXNE标志 */
}

四、总结

以上就是本次关于位操作的一点总结笔记,有必要掌握。虽然说在用STM32的时候有库函数可以用,但是最接近芯片内部原理的还是寄存器。有可能之后有用到其它芯片没有像ST这样把寄存器相关配置封装得那么好,那就不得不直接操控寄存器了。

此外,使用库函数的方式代码占用空间大,用寄存器的话,代码占用空间小。之前有个需求,我能用的Flash的空间大小只有4KB,遇到类似这样的情况就不能那么随性的用库函数了。

最后,应用的时候当然是怎么简单就怎么用。学从“难”处学,用从易处用,与君共勉~

END:以上笔记中如有错误,欢迎指出!谢谢

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