单片机如何用C语言操作寄存器？

嵌入式专栏

关注+星标公众号，不错过精彩内容直接来源| 瑞萨嵌入式小百科
C语言应用于嵌入式最大的特点就是可以直接操作寄存器，具有高效的特点。
本文结合瑞萨RA6M5单片机来给大家讲讲如何用C语言操作寄存器？1
存储器映射
讲述C语言操作寄存器之前，我们先来讲讲存储器映射。

寄存器与RAM、FLASH一样都是芯片内部的一种存储设备。那么，当我们需要访问它们的时候，我们需要知道它们的存储地址。

1
存储器映射表
如下图所示为RA6M5的存储器映射表，可以看到RA6M5芯片内部的存储器被映射到这一整块4G（0 ~0xFFFF FFFF）的地址空间中。我们还可以看到，除了寄存器和SRAM、Flash的地址空间区域以外，还存在着其他类型的地址空间区域，比如QSPI area和OSPI area。Reserved area表示的是保留区域，尚未用到。

0ckganup14n6405388033.png

2
存储器区域划分
存储器本身不具有地址信息，它的地址是由芯片厂商或用户分配，给存储器分配地址的过程就称为存储器映射。如果给存储器再次分配一个地址就叫存储器重映射。

对于RA6M5（176 pin）芯片，其内部线性地址空间划分为如下区域：

表2:线性地址空间区域划分

sx0h3i3kaba6405388133.png

表格中的“0x4000_0000~0x4018_0000-1”区域，也就是“0x4000_0000~0x4017_FFFF”区域，它映射到了绝大部分外设模块的寄存器。

3
外设基地址和外设寄存器地址
如下图所示：

siwftsx341q6405388233.png

图中①处为该外设的基地址，也就是IO端口的基地址。因为RA6M5的IO端口不止有一个，而是有16个端口（用PORTm表示，m=0~9,A,B），所以每一个端口都有一个基地址，每个端口的基地址都可以用图中的公式来计算出来。

图中②处为该外设寄存器的地址偏移，图中的寄存器为PCNTR1/PODR/PDR寄存器，而“Offset address：0x000”表示的是该寄存器相对于基地址的偏移量。

举例来说
当我们要读取PORT1的PCNTR1/PODR/PDR寄存器的值时，我们要先计算出该寄存器的地址为：（0x40080000+0x0020*1），然后再把该地址值转换为C语言的指针：（uint32_t*）（0x40080000+0x0020*1），最后再取值即可读出该寄存器的值：*（（uint32_t*）（0x40080000+0x0020*1））。


需要注意的是，每一种外设模块下面都会有多个寄存器，每个寄存器都有特定的功能。对于一些功能相对复杂的外设来说，它们的寄存器数量可以达到十几个甚至几十个。以IOPORT1为例，它的基地址为：0x40080020，下表则展示了它部分的寄存器名称、寄存器地址以及相对于基地址的偏移。

表3:IOPORT1寄存器及其地址

5omls24c4pu6405388333.png

注解
注：由于基地址不同，上述表格未包含PmnPFS等这些也和IOPORT1有关的寄存器。


4
外设寄存器
下图所示为外设寄存器的一般格式。

wcguxyb2z0c6405388433.png

说明：

寄存器名称。
外设模块基地址及其寄存器偏移地址。
寄存器位表格。32位MCU的寄存器大小一般为32位（bit），占四个字节。“Bit position”为位号，指示该位处于该寄存器中的位置；“Bit field”为位域，一般不同的位域有不同的作用；“Value after reset”为复位值，指示该位的复位值。
位域功能说明。这部分为对每一个位域的功能的详细说明。
[/ol]
2
如何用C语言操作寄存器
1
C语言对寄存器的封装
前面的所有关于存储器映射的内容，最终都是为大家更好地理解如何用C语言控制读写外设寄存器做准备，因此此处是本章的重点内容。

1.1
外设模块基地址定义
在编程上为了方便理解和记忆，我们要把外设模块基地址以相应的宏定义起来，外设基地址都以它们的名字作为宏名的组成部分。以下是IO端口外设基地址的宏定义。

列表1:代码清单3?1 IOPORT外设基地址宏定义
左右滑动查看完整内容

/* 外设基地址 */#define R_PORT0_BASE 0x40080000#define R_PORT1_BASE 0x40080020#define R_PORT2_BASE 0x40080040#define R_PORT3_BASE 0x40080060#define R_PORT4_BASE 0x40080080#define R_PORT5_BASE 0x400800A0#define R_PORT6_BASE 0x400800C0#define R_PORT7_BASE 0x400800E0#define R_PORT8_BASE 0x40080100#define R_PORT9_BASE 0x40080120#define R_PORT10_BASE 0x40080140#define R_PORT11_BASE 0x40080160#define R_PFS_BASE 0x40080800#define R_PMISC_BASE 0x40080D00
1.2
寄存器结构体定义
由于寄存器的数量是非常之多的，如果每个寄存器都用像*（（uint32_t*）（0x40080000+0x0020*1））这样的方式去访问的话，会显得很繁琐、很麻烦。为了更方便地访问寄存器，我们会借助C语言结构体的特性去定义寄存器和寄存器位域，这是通用的做法。

列表2:代码清单3?2使用结构体封装外设寄存器
左右滑动查看完整内容

// 注：关于输入输出端口的声明/* C 语言: IO definitions (access restrictions to peripheral registers) *///#define __I volatile const /*!,→permissions *///#define __O volatile /*!,→permissions *///#define __IO volatile /*!,→permissions */
/* 下面的宏定义用于结构体成员 *//* following defines should be used for structure members *///#define __IM volatile const /*! Defines 'read only'?,→structure member permissions *///#define __OM volatile /*! Defines 'write only'?,→structure member permissions *///#define __IOM volatile /*! Defines 'read / write'?,→structure member permissions */
//typedef unsigned char uint8_t;//typedef unsigned short int uint16_t; /* 无符号 16 位整型变量 *///typedef unsigned int uint32_t; /* 无符号 32 位整型变量 */
/*** @brief I/O Ports (R_PORT0)*/typedefstruct /*!,→Structure */{union{union{__IOM uint32_t PCNTR1; /*!,→Register 1 */
struct{__IOM uint32_t PDR : 16; /*!Pmn 方向）*/__IOM uint32_t PODR : 16; /*!Pmn 输出数据）*/} PCNTR1_b;};/* ... 代码过长省略 ... */};
union{union{__IM uint32_t PCNTR2; /*!,→Register 2 */
struct{__IM uint32_t PIDR : 16; /*!Pmn 输入数据）*/__IM uint32_t EIDR : 16; /*!（引脚 Pmn 事件输入数据）*/} PCNTR2_b;};
/* ... 代码过长省略 ... */};
union{
union{__OM uint32_t PCNTR3; /*!,→Register 3 */struct{__OM uint32_t POSR : 16; /*!Pmn 输出置位）*/__OM uint32_t PORR : 16; /*!Pmn 输出复位）*/} PCNTR3_b;};
/* ... 代码过长省略 ... */};
union{union{__IOM uint32_t PCNTR4; /*!→Register 4 */
struct{__IOM uint32_t EOSR : 16; /*!（引脚 Pmn 事件输出置位）*/__IOM uint32_t EORR : 16; /*!→Reset（引脚 Pmn 事件输出复位）*/} PCNTR4_b;};
/* ... 代码过长省略 ... */};} R_PORT0_Type; /*!
1.3
外设模块寄存器定义
我们在上一步已经定义好了R_PORT0_Type类型的结构体，它包含了IOPORT的寄存器定义。接下来使用宏定义来表示结构体指针，指针指向IOPORT外设的每个端口的寄存器首地址。

列表3:代码清单3?3寄存器定义
左右滑动查看完整内容

#define R_PORT0 ((R_PORT0_Type *) R_PORT0_BASE)#define R_PORT1 ((R_PORT0_Type *) R_PORT1_BASE)#define R_PORT2 ((R_PORT0_Type *) R_PORT2_BASE)#define R_PORT3 ((R_PORT0_Type *) R_PORT3_BASE)#define R_PORT4 ((R_PORT0_Type *) R_PORT4_BASE)#define R_PORT5 ((R_PORT0_Type *) R_PORT5_BASE)#define R_PORT6 ((R_PORT0_Type *) R_PORT6_BASE)#define R_PORT7 ((R_PORT0_Type *) R_PORT7_BASE)#define R_PORT8 ((R_PORT0_Type *) R_PORT8_BASE)#define R_PORT9 ((R_PORT0_Type *) R_PORT9_BASE)#define R_PORT10 ((R_PORT0_Type *) R_PORT10_BASE)
这样便大功告成了，我们就可以使用这些宏来访问各个IO端口的每一个寄存器了。

2
修改寄存器操作的本质：读-改-写
有了以上的对IOPORT这个外设模块的寄存器的定义，我们便完成了“C语言对寄存器的封装”这个步骤，接下来我们便可以使用C语言对寄存器进行各种操作了。

对寄存器进行操作可以是忽略寄存器原本的值，而直接覆盖写入新的值；但是更为一般的操作是根据原本的寄存器值进行修改，即：先读出寄存器原本的值，然后修改该值，最后重新写入到寄存器里面，让新的值生效。

接下来将介绍修改寄存器的几种通用方法。

2.1
清零寄存器上的某N个位
使用C语言的按位与“&”运算符可以将位进行清零。

列表4:代码清单3?4位清零：按位与&
左右滑动查看完整内容

//清零某个位R_PORT0->PODR &= ~(1u0); //清零 PODR 寄存器的第 0 位R_PORT0->PODR &= ~(1u6); //清零 PODR 寄存器的第 6 位
//清零多个位R_PORT0->PODR &= ~(3u0); //清零 PODR 寄存器的第 0,1 位R_PORT0->PODR &= ~(3u6); //清零 PODR 寄存器的第 6,7 位
2.2
对寄存器上的某N个位进行置位
使用C语言的按位或“|”运算符可以将位进行置一。

列表5:代码清单3?5位置位：按位或|
左右滑动查看完整内容

//置位某个位R_PORT0->PODR |= 1u0; //PODR 寄存器的第 0 位置 1R_PORT0->PODR |= 1u6; //PODR 寄存器的第 6 位置 1
//置位多个位R_PORT0->PODR |= 3u0; //PODR 寄存器的第 0,1 位置 1R_PORT0->PODR |= 3u6; //PODR 寄存器的第 6,7 位置 1
2.3
对寄存器上的某N个位进行取反
使用C语言的按位异或“^”运算符可以将位进行取反。

列表6:代码清单3?6位取反：按位异或^
左右滑动查看完整内容

//取反某个位R_PORT0->PODR ^= 1u0; //取反 PODR 寄存器的第 0 位R_PORT0->PODR ^= 1u6; //取反 PODR 寄存器的第 6 位
//取反多个位R_PORT0->PODR ^= 3u0; //取反 PODR 寄存器的第 0,1 位R_PORT0->PODR ^= 3u6; //取反 PODR 寄存器的第 6,7 位

t5ml2be24wu6405388533.jpg

Cortex-M85（RA8）单片机中 TrustZone 的含义和作用是什么？

se45esypsd06405388634.jpg

MCU使用编程软件设置安全边界

kt2e44zggwp6405388734.jpg

双核处理器BOOT启动流程