在 ARM 中使用 32 位数据类型和 8 位数据类型

Question

我是 ARM LPC2148 微控制器的新手，也是 StackOverflow 的新手。我刚刚在其中一个评估板上看到了一段代码。我正在粘贴，如下所示。

端口引脚 P0.19 到 P0.22 映射到 LCD 的 D4 到 D7。以下函数用于向 4 位模式下运行的 LCD 发送命令：

void LCD_Command(unsigned int data)     // This function is used to send LCD commands
{
 unsigned int temp=0;
 EN_LOW();                      // Set EN pin of LCD to to Low
 COMMAND_PORT();
 WRITE_DATA();

 temp=data;
 IO0PIN&=0xFF87FFFF;
 IO0PIN|=(temp & 0xF0) << 15;

 EN_HI();   // Give strobe by enabling and disabling En pin of LCD
 EN_LOW();

 temp=data & 0x0F;
 IO0PIN&=0xFF87FFFF;
 IO0PIN|=(temp) << 19;

 EN_HI();
 EN_LOW();
 while(Busy_Wait());
 Delay(10);
} 

我的问题是：

1. 变量“数据”已经是 32 位宽。以这种方式转移数据是否有效？编码器可能已经传递了 32 位数据，然后被屏蔽 (&)/ORed (|)。还是有其他影响？

2. 如果我们使用 unsigned char 而不是 unsigned int，我们是否会在 LPC21xx 中保存任何内存？由于寄存器是 32 位宽的，我不确定内部是否进行了任何分段以节省内存。

3. 有什么方法可以轻松地将 8 位数据映射到 32 位数据的 8 位部分之一？在上面的代码中，移位是通过硬编码完成的（<<15 或<<19 等）。我们可以避免这种硬编码并使用一些#defines 来映射位吗？

Answer 1

1. 如果我们使用 unsigned char 而不是 unsigned int，是否会在 LPC21xx 中保存任何内存？

仅在将它们存储到 RAM 时，一旦优化器打开，这个小功能将不会执行。请注意，使用char 类型可能会引入要生成的附加代码以正确处理溢出。

1. [...] 我们可以避免这种硬编码并使用一些#defines 来映射位吗？

简单：

#define LCD_SHIFT_BITS 19

void LCD_Command(unsigned int data)     // This function is used to send LCD commands
{
 unsigned int temp=0;
 EN_LOW();                      // Set EN pin of LCD to to Low
 COMMAND_PORT();
 WRITE_DATA();

 temp=data;
 IO0CLR = 0x0F << LCD_SHIFT_BITS;
 IO0SET = (temp & 0xF0) << (LCD_SHIFT_BITS - 4);

 EN_HI();   // Give strobe by enabling and disabling En pin of LCD
 EN_LOW();

 temp=data & 0x0F;
 IO0CLR = 0x0F << LCD_SHIFT_BITS;
 IO0SET = temp << LCD_SHIFT_BITS;

 EN_HI();
 EN_LOW();
 while(Busy_Wait());
 Delay(10);
} 

我还更改了引脚设置并清除为原子。

Answer 2

1. 变量“data”已经是 32 位宽了。以这种方式转移数据是否有效？ Coder 可以传递 32 位数据，然后进行屏蔽 (&)/ORed (|)。还是有其他影响？

2. 如果我们使用 unsigned char 而不是 unsigned int，我们会在 LPC21xx 中保存任何内存吗？由于寄存器是 32 位宽的，我不确定是否在内部进行了任何分段以节省内存。

由于您使用的是 32 位 MCU，因此减少变量大小不会使代码更快。它可能会使其变慢，即使您也可以通过这种方式节省几个字节的 RAM。

但是，这些是您不应该关心的微优化。启用优化并将它们留给编译器。如果你出于某种未知的原因必须对你的代码进行微优化，那么你可以改用uint_fast8_t。它是一种至少 8 位的类型，编译器会选择最快的类型。

在 32 位 CPU 上尽可能多地使用 32 位整数通常是一个合理的想法，以避免 C 语言中各种复杂的隐式类型提升规则引起的许多细微错误。特别是在嵌入式系统中，整数提升和类型平衡因导致许多微妙的错误而臭名昭著。 （MISRA-C 检查器可以帮助防止这种情况发生。）

1. 有什么方法可以轻松地将 8 位数据映射到 32 位数据的 8 位部分之一？在上面的代码中，移位是通过硬编码（

通常你应该避免“幻数”之类的。不是出于性能原因，而是出于可读性。

最简单的方法是使用处理器的预制寄存器映射，如果你有编译器的话。如果没有，您必须手动#define 注册：

#define REGISTER (*(volatile uint32_t*)0x12345678)
#define REGISTER_SOMETHING 0x00FF0000 // some part of the register

然后定义所有可能的值，例如

#define REGISTER_SOMETHING_X 0x00010000
#define REGISTER_SOMETHING_Y 0x00020000
...

REGISTER = REGISTER_SOMETHING & REGISTER_SOMETHING_X;
// or just:
REGISTER |= REGISTER_SOMETHING_X;

REGISTER = REGISTER_SOMETHING_X | REGISTER_SOMETHING_Y;
// and so on

或者，如果寄存器的一部分是可变的：

#define REGISTER_SOMETHING_VAL(val) \
  ( REGISTER_SOMETHING & ((uint32_t)val << 16) )
...
REGISTER = REGISTER_SOMETHING_VAL(5);

您可以通过多种方式编写此类宏以及使用它们的代码。专注于使调用代码可读且没有“魔术数字”。对于更复杂的东西，请考虑使用内联函数而不是类似函数的宏。

同样对于嵌入式系统，考虑是否所有寄存器部分都使用一次访问写入是否有任何区别。在某些情况下，如果不这样做，您可能会遇到严重的错误，具体取决于特定寄存器的性质。清除中断掩码等时需要特别小心。最好总是反汇编此类代码并查看最终得到的机器代码。

---

一般建议：

始终考虑字节序、对齐和可移植性。您可能不会认为您的代码永远不会被移植，但可移植性可能意味着在其他项目中重用您自己的代码。

如果您将结构/联合用于任何形式的硬件或数据传输协议映射，则必须使用static_assert 以确保没有填充或其他对齐技巧。 Do not use struct bit-fields 在任何情况下！由于多种原因，它们很糟糕，不能在任何形式的程序中可靠地使用，尤其是在嵌入式微控制器应用程序中。

Answer 3

三个问题，很多很多编程风格。

此代码绝对是错误代码。没有原子访问...帮自己一个忙，不要将其用作参考。

1. 变量“数据”已经是 32 位宽。效率高吗...

没有其他影响。程序员只是在函数内部使用了一个额外的 4 字节局部变量。

1. 如果我们使用 unsigned char 而不是 unsigned int，是否会在 LPC21xx 中保存任何内存？

一般来说，您只能将内存保存在 RAM 中。大多数链接脚本以 4 或 8 个字节对齐数据。当然，您可以使用结构来绕过 RAM 和 Flash。前考虑：

// ...
struct lala {
   unsigned int  a  :12;
   unsigned int  b  :20;
   long          c;
   unsigned char d;
};
const struct lala l1;   // l1 is const so it lives in Flash.
// Also l1.d is 8byte long ;)
// ...

最后一个问题将我们带到问题 3。

1. 有什么方法可以轻松地将 8 位数据映射到 32 位数据的 8 位部分之一？ ...

NXP 的 LPC2000 是一个 little-endian CPU see here for details。这意味着您可以以成员适合您要访问的内存位置的方式创建结构。为此，您必须首先放置低内存地址。例如：

// file.h
// ...
#include <stdint.h>
typedef volatile union {
   struct {
      uint8_t  p0  :1;
      uint8_t  p1  :1;
      uint8_t  p2  :1;
      uint8_t  p3  :1;
      ...
      uint8_t  p30 :1;
      uint8_t  p31 :1;
   }pin;
   uint32_t port;
}port_io0clr_t;
// You have to check it make sure

// Now we can "put" it in memory.
#define REG_IO0CLR    ((port_io0clr_t *) 0xE002800C)
   //!< This is the memory address of IO0CLR in address space of LPC21xx

现在我们可以使用REG_IO0CLR 指针。例如：

// file.c
// ...
int main (void) {
   // ...
   REG_IO0CLR->port = 0x0080;   // Clear pin P0.7
   // or even better
   REG_IO0CLR->pin.p4 = 1;      // Clear pin p0.4
   // ...

return 0;
}