使用 AVR 端口的位域答案

【问题标题】：Using bit fields for AVR ports使用 AVR 端口的位域
【发布时间】：2013-07-05 18:22:37
【问题描述】：

我希望能够使用这样的东西来更清楚地访问我的端口：

typedef struct {
    unsigned rfid_en: 1;
    unsigned lcd_en: 1;
    unsigned lcd_rs: 1;
    unsigned lcd_color: 3;
    unsigned unused: 2;
} portc_t;

extern volatile portc_t *portc;

但它安全吗？它对我有用，但是...

1) 是否有可能出现竞争条件？

2) gcc 是否为修改单个字段的代码生成读-修改-写周期？

3) 是否有更新多个字段的安全方法？

4) 钻头包装和顺序是否有保证？（在这种情况下，我不关心可移植性，因此特定于 gcc 的选项可以做到我的意思。）

【问题讨论】：

标签： c bit-fields

【解决方案1】：

必须通过操作系统级别的调用来处理竞争条件（这确实会使用 read-modify-writes），GCC 不会这样做。
同上，没有 GCC 不会为 volatile 生成读-修改-写指令。但是，CPU 通常会以原子方式进行写入（仅仅是因为它是一条指令）。例如，如果位域保持在int 内，则这适用，但这取决于 CPU/实现；我的意思是有些人可以保证最多 8 字节的值，而其他人只能保证最多 4 字节的值。所以在这种情况下，不能混淆位（即一些从一个线程写入，而其他从另一个线程不会发生）。
同时设置多个字段的唯一方法，就是将这些值设置在一个中间变量中，然后将此变量赋值给volatile。
C 标准规定将位打包在一起（开始混合类型时似乎可能会有例外，但我从未见过；每个人都使用unsigned ...）。

注意：定义 volatile 不会导致编译器生成读取-修改-写入。 volatile 所做的是告诉编译器必须始终对该指针/地址进行分配，并且不能优化掉。

Here's another post 大致相同的主题。我发现还有很多其他地方可以找到更多详细信息。

【讨论】：

volatile 之所以存在，是因为主执行流程和中断处理程序都可以更改端口。
顺便说一下，（4）与比赛条件无关。
@Derecho 你说得对，我错过了（已经很晚了）。
您可以使用联合为端口创建位字段和字节/字组合结构，但恕我直言，它有点混乱。如果您谈论的是嵌入式代码，其中一些硬件中断也可能在您背后进行读取-修改-写入，那么竞争条件可能是一种风险。 Read-modify-write 也比向端口的 SET 或 CLEAR 寄存器写入 1 或 0 慢。

【解决方案2】：

关键字 volatile 与竞争条件或访问代码的线程无关。该关键字告诉编译器不要将值缓存在寄存器中。它告诉编译器生成代码，以便每次访问都转到分配给变量的位置，因为每次访问可能会看到不同的值。内存映射外设就是这种情况。如果您的 MPU 有自己的缓存，这将无济于事。内存映射通常有特殊指令或未缓存区域，以确保读取位置，而不是缓存副本。至于线程安全，请记住，即使是内存访问也可能不是线程安全的，因为它是在两条指令中完成的。例如。在 8051 汇编器中，您必须一次获得一个字节的 16 位值。指令序列可能被 IRQ 或其他线程中断，并且第二个字节被读取或写入，可能会损坏。

【讨论】：