AVR 單片機(jī)與GCC 編程之存儲器操作

AVR 系列單片機(jī)內(nèi)部有三種類型的被獨(dú)立編址的存儲器，它們分別為：Flash 程序存儲器、內(nèi)部SRAM 數(shù)據(jù)存儲器和EEPROM數(shù)據(jù)存儲器。
Flash存儲器為1K～128K 字節(jié)，支持并行編程和串行下載,下載壽命通常可達(dá)10,000 次。

由于AVR 指令都為16 位或32 位，程序計(jì)數(shù)器對它按字進(jìn)行尋址，因此FLASH存儲器按字組織的，但在程序中訪問FLASH 存儲區(qū)時專用指令LPM 可分別讀取指定地址的高低字節(jié)。

寄存器堆（R0～R31）、I/O 寄存器和SRAM 被統(tǒng)一編址。所以對寄存器和I/O 口的操作使用與訪問內(nèi)部SRAM 同樣的指令。其組織結(jié)構(gòu)如圖2-1 所示。

圖2-1 AVR SRAM 組織

32 個通用寄存器被編址到最前,I/O 寄存器占用接下來的64 個地址。從0X0060 開始為內(nèi)部SRAM。外部SRAM 被編址到內(nèi)部SRAM 后。

AVR單片機(jī)的內(nèi)部有64～4K 的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器，它們被獨(dú)立編址，按字節(jié)組織。擦寫壽命可達(dá)100，000 次。

2.2 I/O 寄存器操作

I/O 專用寄存器（SFR）被編址到與內(nèi)部SRAM 同一個地址空間，為此對它的操作和SRAM 變量操作類似。
SFR 定義文件的包含：
#include
io.h 文件在編譯器包含路徑下的avr 目錄下，由于AVR 各器件間存在同名寄存器地址有不同的問題，io.h 文件不直接定義SFR 寄存器宏，它根據(jù)在命令行給出的 –mmcu選項(xiàng)再包含合適的 ioxxxx.h 文件。

在器件對應(yīng)的ioxxxx.h 文件中定義了器件SFR 的預(yù)處理宏，在程序中直接對它賦值或引用的方式讀寫SFR，如：

PORTB=0XFF;
Val=PINB;

從io.h 和其總包含的頭文件sfr_defs.h 可以追溯宏P(guān)ORTB 的原型
在io2313.h 中定義：
#define PORTB _SFR_IO8(0x18)
在sfr_defs.h 中定義：

#define _SFR_IO8(io_addr) _MMIO_BYTE((io_addr) + 0x20)
#define _MMIO_BYTE(mem_addr) (*(volatile uint8_t *)(mem_addr))

這樣PORTB=0XFF; 就等同于 *(volatile unsigned char *)(0x38)=0xff;
0x38 在器件AT90S2313 中PORTB 的地址
對SFR 的定義宏進(jìn)一步說明了SFR 與SRAM 操作的相同點(diǎn)。
關(guān)鍵字volatile 確保本條指令不會因C 編譯器的優(yōu)化而被省略。

2.3 SRAM 內(nèi)變量的使用

一個沒有其它屬性修飾的C 變量定義將被指定到內(nèi)部SRAM，avr-libc 提供一個整數(shù)類型定義文件inttype.h，其中定義了常用的整數(shù)類型如下表：

定義值 長度（字節(jié)） 值范圍
int8_t 1 -128～127
uint8_t 1 0～255
int16_t 2 -32768～32767
uint16_t 2 0～65535
int32_t 4 -2147483648～2147483647
uint32_t 4 0～4294967295
int64_t 8 -9.22*10^18～-9.22*10^18
uint64_t 8 0～1.844*10^19

根據(jù)習(xí)慣，在程序中可使用以上的整數(shù)定義。
定義、初始化和引用

如下示例：

uint8_t val=8; 定義了一個SRAM 變量并初始化成8
val=10; 改變變量值
const uint8_t val=8; 定義SRAM 區(qū)常量
register uint8_t val=10; 定義寄存器變量

2.4 在程序中訪問FLASH 程序存儲器

avr-libc 支持頭文件：pgmspace.h
#include < avr/pgmspace.h >
在程序存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)定義使用關(guān)鍵字 __attribute__((__progmem__))。在pgmspace.h
中它被定義成符號 PROGMEM。

1． FLASH 區(qū)整數(shù)常量應(yīng)用

定義格式：
數(shù)據(jù)類型 常量名 PROGMEM = 值 ;
如：
char val8 PROGMEM = 1 ;
int val16 PROGMEM = 1 ;
long val32 PROGMEM =1 ;
對于不同長度的整數(shù)類型 avr-libc 提供對應(yīng)的讀取函數(shù)：
pgm_read_byte(prog_void * addr)

pgm_read-word(prg_void *addr)
pgm_read_dword(prg_void* addr)
另外在pgmspace.h 中定義的8 位整數(shù)類型 prog_char prog_uchar 分別指定在FLASH
內(nèi)的8 位有符號整數(shù)和8 位無符號整數(shù)。應(yīng)用方式如下：

char ram_val; //ram 內(nèi)的變量
const prog_char flash_val = 1; //flash 內(nèi)常量
ram_val=pgm_read_byte(&flash_val); //讀flash 常量值到RAM 變量

對于應(yīng)用程序FLASH 常量是不可改變的，因此定義時加關(guān)鍵字const 是個好的習(xí)慣。

2. FLASH 區(qū)數(shù)組應(yīng)用：

定義：
const prog_uchar flash_array[] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}; //定義
另外一種形式
const unsigned char flash_array[] RROGMEM = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
讀取示例：
unsigend char I, ram_val;
for(I=0 ; I<10 ;I ++) // 循環(huán)讀取每一字節(jié)
{
ram_val = pgm_read_byte(flash_array + I);
… … //處理
}

2． FLASH 區(qū)字符串常量的應(yīng)用

全局定義形式：
const char flash_str[] PROGMEM = “Hello, world!”;
函數(shù)內(nèi)定義形式：
const char *flash_str = PSTR(“Hello, world!”);
以下為一個FLASH 字符串應(yīng)用示例
#include
#include
#include
const char flash_str1[] PROGMEM = “全局定義字符串”;
int main(void)
{
int I;
char *flash_str2=PSTR(“函數(shù)內(nèi)定義字符串”);
while(1)
{
scanf(“%d”,&I);
printf_P(flash_str1);
printf(“/n”);
printf_P(flash_str2);
printf(“/n”);
}
}

2.5EEPROM數(shù)據(jù)存儲器操作

#include
頭文件聲明了avr-libc 提供的操作EEPROM存儲器的API 函數(shù)。
這些函數(shù)有：
EEPROM_is_ready() //EEPROM忙檢測（返回EEWE 位）
EEPROM_busy_wait() //查詢等待EEPROM準(zhǔn)備就緒
uint8_tEEPROM_read_byte (const uint8_t *addr) //從指定地址讀一字節(jié)
uint16_tEEPROM_read_word (const uint16_t *addr) //從指定地址一字
voidEEPROM_read_block (void *buf, const void *addr, size_t n) //讀塊
voidEEPROM_write_byte (uint8_t *addr, uint8_t val) //寫一字節(jié)至指定地址
voidEEPROM_write_word (uint16_t *addr, uint16_t val) //寫一字到指定地址
voidEEPROM_write_block (const void *buf, void *addr, size_t n)//寫塊

在程序中對EEPROM操作有兩種方式

方式一：直接指定EERPOM 地址
示例：
/*此程序?qū)?xaa 寫入到EEPROM存儲器0 地址處，
再從0 地址處讀一字節(jié)賦給RAM 變量val */
#include
#include
int main(void)
{
unsigned char val;
EEPROM_busy_wait(); //等待EEPROM讀寫就緒
EEPROM_write_byte(0,0xaa); //將0xaa 寫入到EEPORM 0 地址處
EEPROM_busy_wait();
val=EEPROM_read_byte(0); //從EEPROM0 地址處讀取一字節(jié)賦給RAM 變量val
while(1);
}

方式二：先定義EEPROM區(qū)變量法
示例：
#include
#include
unsigned char val1 __attribute__((section(".EEPROM")));//EEPROM變量定義方式
int main(void)
{
unsigned char val2;
EEPROM_busy_wait();
EEPROM_write_byte (&val1, 0xAA); /* 寫 val1 */
EEPROM_busy_wait();
val2 =EEPROM_read_byte(&val1); /* 讀 val1 */
while(1);
}
在這種方式下變量在EEPROM存儲器內(nèi)的具體地址由編譯器自動分配。相對方式一，數(shù)據(jù)在EEPROM中的具體位置是不透明的。
為EEPROM變量賦的初始值，編譯時被分配到.EEPROM段中,可用avr-objcopy 工具從.elf文件中提取并產(chǎn)生ihex 或binary 等格式的文件。

2.6 avr-gcc 段(section)與再定位(relocation)

粗略的講,一個段代表一無縫隙的數(shù)據(jù)塊（地址范圍）,一個段里存儲的數(shù)據(jù)都為同一性質(zhì),如“只讀”數(shù)據(jù)。as (匯編器)在編譯局部程序時總假設(shè)從0 地址開始,并生成目標(biāo)文件。最后ld（鏈接器）在連接多個目標(biāo)文件時為每一個段分配運(yùn)行時（run-time）統(tǒng)一地址。這雖然是個簡單的解釋，卻足以說明我門為為什么用段.

ld 將這些數(shù)據(jù)塊正確移動到它們運(yùn)行時的地址。 此過程非常嚴(yán)格,數(shù)據(jù)的內(nèi)部順序與長度均不能發(fā)生變化.這樣的數(shù)據(jù)單元叫做段，為段分配運(yùn)行時地址叫再定位，此任務(wù)根據(jù)目標(biāo)文件內(nèi)的參考地址將段數(shù)據(jù)調(diào)整到運(yùn)行時地址。

Avr-gcc 中匯編器生成的目標(biāo)文件（object-file）至少包含四個段，分別為: .text 段、.data段 、 .bss 段和.EEPROM段，它們包括了程序存儲器（FLASH）代碼，內(nèi)部RAM 數(shù)據(jù)，和EEPROM存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)。這些段的大小決定了程序存儲器（FLASH）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、EEPROM存儲器的使用量，關(guān)系如下：

程序存儲器（FLASH）使用量 = .text + .data
數(shù)據(jù)存儲器（RAM）使用量 = .data + .bss [+ .noinit] + stack [+ heap]
EEPROM存儲器使用量 = .EEPROM

一．.text 段

.text 段包含程序?qū)嶋H執(zhí)行代碼。另外，此段還包含.initN 和.finiN 兩種段，下面詳細(xì)討論。
段.initN 和段.finiN 是個程序塊，它不會象函數(shù)那樣返回，所以匯編或C 程序不能調(diào)用。
.initN、.finN 和絕對段（absolute section 提供中斷向量）構(gòu)成avr-libc 應(yīng)用程序運(yùn)行框架，用戶編寫的應(yīng)用程序在此框架中運(yùn)行。
.initN 段
此類段包含從復(fù)位到main()函數(shù)開始執(zhí)行之間的啟動(startup)代碼。
此類段共定義10 個分別是.init0 到.init9。執(zhí)行順序是從.init0 到.init9。
.init0：
此段綁定到函數(shù)__init()。用戶可重載__init()，復(fù)位后立即跳到該函數(shù)。
.init1：
未用，用戶可定義
.init2：
初始化堆棧的代碼分配到此段
.init3：
未用，用戶可定義
.init4：
初始化.data 段（從FLASH 全局或靜態(tài)變量初始值到.data），清零.bss 段。
像UNIX 一樣.data 段直接從可執(zhí)行文件中裝入。Avr-gcc 將.data 段的初始值存儲到flash
rom 里.text 段后，.init4 代碼則負(fù)責(zé)將這些數(shù)據(jù)SRAM 內(nèi).data 段。
.init5：
未用，用戶可定義
.init6：
C 代碼未用，C++程序的構(gòu)造代碼
.init7：
未用，用戶可定義
.init8：
未用，用戶可定義
.init9：
跳到main()
avr-libc 包含一個啟動模塊（startup module），用于應(yīng)用程序執(zhí)行前的環(huán)境設(shè)置，鏈接時它被分配到init2 和init4 中,負(fù)責(zé)提供缺省中斷程序和向量、初始化堆棧、初始化.data 段和清零.bss 段等任務(wù)，最后startup 跳轉(zhuǎn)到main 函數(shù)執(zhí)行用戶程序。
.finiN 段
此類段包含main()函數(shù)退出后執(zhí)行的代碼。
此類段可有0 到9 個, 執(zhí)行次序是從fini9 到 fini1。
.fini9
此段綁定到函數(shù)exit()。用戶可重載exit()，main 函數(shù)一旦退出exit 就會被執(zhí)行。
.fini8：
未用，用戶可定義
.fini7：
未用，用戶可定義
.fini6：
C 代碼未用， C++程序的析構(gòu)代碼
.fini5：
未用，用戶可定義
.fini4：
未用，用戶可定義
.fini3：
未用，用戶可定義
.fini2：
未用，用戶可定義
.fini1：
未用，用戶可定義
.fini0：
進(jìn)入一個無限循環(huán)。

用戶代碼插入到.initN 或.finiN
示例如下：
void my_init_portb (void) __attribute__ ((naked)) /
__attribute__ ((section (".init1")));
void my_init_portb (void)
{
outb (PORTB, 0xff);
outb (DDRB, 0xff);
}
由于屬性section(“.init1”)的指定，編譯后函數(shù)my_init_portb 生成的代碼自動插入到.init1段中，在main 函數(shù)前就得到執(zhí)行。naked 屬性確保編譯后該函數(shù)不生成返回指令，使下一個初始化段得以順序的執(zhí)行。

二．.data 段

.data 段包含程序中被初始化的RAM 區(qū)全局或靜態(tài)變量。而對于FLASH存儲器此段包含在程序中定義變量的初始化數(shù)據(jù)。類似如下的代碼將生成.data 段數(shù)據(jù)。
char err_str[]=”Your program has died a horrible death!”;
struct point pt={1,1};
可以將.data 在SRAM 內(nèi)的開始地址指定給連接器，這是通過給avr-gcc 命令行添加
-Wl,-Tdata,addr 選項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)的，其中addr 必須是0X800000 加SRAM 實(shí)際地址。例如 要將.data 段從0x1100 開始，則addr 要給出0X801100。

三．.bss 段

沒有被初始化的RAM 區(qū)全局或靜態(tài)變量被分配到此段，在應(yīng)用程序被執(zhí)行前的startup過程中這些變量被清零。
另外，.bss 段有一個子段 .noinit , 若變量被指定到.noinit 段中則在startup 過程中不會被清零。將變量指定到.noinit 段的方法如下：
int foo __attribute__ ((section (“.noinit”)));
由于指定到了.noinit 段中，所以不能賦初值，如同以下代碼在編譯時產(chǎn)生錯誤：
int fol __attribute__((section(“.noinit”)))=0x00ff;
四．.EEPROM 段
此段存儲EEPROM變量。
Static unsigned char eep_buffer[3] __attribute__((section(“.EEPROM”)))={1,2,3};
在鏈接選項(xiàng)中可指定段的開始地址，如下的選項(xiàng)將.noinit 段指定位到RAM存儲器
0X2000 地址處。
avr-gcc ... -Wl,--section-start=.noinit=0x802000
要注意的是，在編譯時Avr-gcc 將FLASH、RAM 和EEPROM內(nèi)的段在一個統(tǒng)一的地址空間內(nèi)處理，flash存儲器被定位到0 地址開始處，RAM存儲器被定位到0x800000 開始處，EEPROM存儲器被定位到0X810000 處。所以在指定段開始地址時若是RAM 內(nèi)的段或EEPROM內(nèi)的段時要在實(shí)際存儲器地址前分別加上0x800000 和0X810000。

除上述四個段外，自定義段因需要而可被定義。由于編譯器不知道這類段的開始地址，又稱它們?yōu)槲炊x段。必需在鏈接選項(xiàng)中指定自定義段的開始地址。如下例：
void MySection(void) __attribute__((section(".mysection")));
void MySection(void)
{
printf("hello avr!");
}
鏈接選項(xiàng)：
avr-gcc ... -Wl,--section-start=.mysection=0x001c00
這樣函數(shù)MySection 被定位到了FLASH存儲器0X1C00 處。