本文详细解析了AVR单片机端口位操作的传统方法，如宏定义，以及如何利用C语言的位运算和指针创建更高效、通用的位操作头文件。通过实例演示和比较，展示了使用位域和移位宏的不同效果，适用于ATMega系列MCU。
AVR单片机的端口位操作方法解析
来源：未知•作者：工程师周亮• 2018年11月22日 16:07 • 3708次阅读
一、常规方法
AVR单片机的各类教材或编程应用参考资料，对介绍的端口位操作方法不外乎宏定义及整体和某个常量相或、相与来实现某一单个位状态的改变。如：
PORT＆=-（1《1）；等价于：PORTB＆=oxfd；作用是PB1清零而其余位不变。与之类似的还有：
PORTBl=（1《4）；PB4置位，其余位不变。
PORTB=（k《4）；PB4翻转，其余位不变。
上述方法，无论是常量值参与还是移位操作，用起来总嫌麻烦，不够直观，且具体常量值还需人工推算，易出错。移位操作生成的目标代码偏大，在大量运用时，占用系统内存或flash空间，执行效率低。
以实际运用效果来看，宏定义比较好。也偏好运用宏定义。C编译器在编译之前会事先进行宏替换，所以，如果宏定义讲究一些技巧，则代码执行效率将得到较大提升，编程时，操作也得心应手。
常规参考手册或资料，建议用以下宏定义：
上图最后几行操作因为水印看不清楚可以参考下面的内容
#define Set_Bit(val, bitn) (val |=(1<<(bitn)))
#define Clr_Bit(val, bitn) (val&=~(1<<(bitn)))
#define Get_Bit(val, bitn) (val &(1<<(bitn)) )
三个分别用来设置某一位，清除某一位，取某一位的值.
使用方法为.Set_Bit(PORTA,3); Clr_Bit(PORTB,2); Get_Bit(val,5);
根据最开始的第一张图片再加一个位取反的宏定义
#define Cpl_Bit(val, bitn) (val ^=(1<<(bitn))) 2021.10.15
如此宏定义之后，可构成一个头文件，然后加入到新建工程文件中（编译器用ICC的ICC6.31A），但之前需包含相应单片机的头文件，如：MCU为AT-MEGA48，则最先包含iom48V.h之后，再包含此自制头文件，即可在程序中运用：
此法在运用时，依旧用了移位操作，只是为了方便程序操作，只在小规模程序中运用。
下面，将充分利用C语言自身的强大位运算能力和指针相结合，构建一个ICC6.31A平台下的位定义头文件，希望能给大家一些启示。
首先明确几个基本概念：位域、地址绑定，和VolaTIle限定关键字。
在ICC6.31A的安装目录中有个in-clude文件夹，里面有大量编译器开发人员已为我们开发好的各类AVR单片机预定头文件，下面是iom48v.h头文件。
简要概括如下：
VolaTIle -词用来规定C编译器不允许对其限定的变量进行优化处理。如：
这句宏定义要结合iom48v.h头文件来看，在前面有该头文件关于各端口寄存器的定义。上述宏语句中，ox25被强制转化为一个指针常量，实际上，上述宏定义的意义为：PORTB被强制定义在地址ox25上，即定义了一个无符号字符型变量PORTB，且被强制绑定在ox25地址上。其他语句依此类推。
有了这个概念之后，再来了解一下C语言中位域的定义。标准c语言中，可以定义一个特殊的结构，位域，允许对定义的结构中的单个位进行操作。基本构成如下：
下面给出的位域定义等的头文件，在自定义位操作头文件中定义了一个位域BYTE_BIT。
自定义avt_bit.h头文件（节选，以ATMEGA48为例，定义其B口）
对各端口依同一规律均进行各位的定义即可。
结合头文件的相关定义，重新对其特定地址进行另外的绑定，结合位域的概念．进而一步步将各寄存器由一个字节分成了可操控的8个位。在上述文件中，仅表述了B端口。另外，Atmega48的端口不完全，只有B、C、D口，没有A口，且D口为8位，C口为6位．B口为7位，若外接晶体，则PB6和PB7不能另作端口运用。所以，端口很不完整，但为了保持位域完整性和一致性，便于理解，将B、C、D三口均作8bit对待。实际操作时，千万注意不要去操作那些实际不存在的位。当然，若感兴趣，大家可改动头文件相关定义，来完善它。
为验证这个头文件，很快编写了一个测试程序Beep.e，具体如下：
在电路拓扑中，在ATMEGA48的PBO脚，即（14）脚外接一只三极管（接b极）由三极管去控制一只蜂鸣器。程序很简单。为了更直观，在PORTB口其他不用的引脚上均接了发光二极管，此时，在测试程序中，将端口初始化函数语句改为：
DDRB=oxff；PORTB=ox00；（或PORTB=oxff；视二极管接法而定），由二极管配合蜂鸣器来观察PBO位是否能单独动作。当然，运用此位定义头文件，可实现单片机任一口的任一位的位操作。
二、扩展运用
基于上述原理，结合C语言取地址运算符＆，不难实现一个通用位定义头文件，来适合所有AVR单片机，只是代码较为复杂。大家不妨自己试试。
注意一点：以上头文件，是参考ICC6.31A编译器的include文件夹定义的，在使用前，请首先包含系统提供的MCU头文件，并将自定义头文件复制到所建工程中，然后，就可运用自如了。
就目前使用情况来看，使用AT-MEGA48/16/128的MCU较多，所以即便是定义3个对应的位操作头文件，也是可以的。通用型文件往往体积较大，编制麻烦，可读性差，不适合普通爱好者。
http://www.elecfans.com/emb/danpianji/20181122820061.htmlAVR的两种位操作的比较（位域方式和移位宏方式）
测试环境如下：
硬件:AT90S2313
软件: WiinAVR gcc3.3 -Os级优化(最小size)。
说明：
由于AVR不支持位操作，所以必须通过软件来实现。下面对我所知道的两种方法进行一个简单的比较。
1、位域方式。先定义一个位域，
typedef struct _bit_struct
{
unsigned char bit0 : 1 ;
unsigned char bit1 : 1 ;
unsigned char bit2 : 1 ;
unsigned char bit3 : 1 ;
unsigned char bit4 : 1 ;
unsigned char bit5 : 1 ;
unsigned char bit7 : 1 ;
unsigned char bit6 : 1 ;
}bit_field;
再用一个宏 ,来指向要操作的位。
#define LED GET_BITFIELD(PORTB).bit0
#define BUTTON GET_BITFIELD(PINB).bit7
使用时只需要直接赋值即可：如LED = 0 ,LED = 1, 或者直接判断 LED==0 , LED ==1.
这种方法类似C51中的位操作。直接。
2、位移宏方式。主要有三个.
#define Set_Bit(val, bitn) (val |=(1<<(bitn)))
#define Clr_Bit(val, bitn) (val&=~(1<<(bitn)))
#define Get_Bit(val, bitn) (val &(1<<(bitn)) )
三个分别用来设置某一位，清除某一位，取某一位的值.
使用方法为.Set_Bit(PORTA,3); Clr_Bit(PORTB,2); Get_Bit(val,5);
根据最开始的第一张图片再加一个位取反的宏定义 #define Cpl_Bit(val, bitn) (val ^=(1<<(bitn)))
2021.10.15 cpl取反指令的全称是三个字母首字母简写Converse Position Logical,
3、测试程序.
说明，假设PORTB.7接按纽，PORTB.0 接LED
测试程序完成如下操作。
当BUTTON == 0时 ,LED输出1 否则输出0，
这样的目的是即测试了输入，又测试了输出1和输出0，相对全面一点。 C代码如下.
// testled.c 测试AVR的位操作.
// 这是gcc；如是其它编译器，请修改。
#include <avr/io.h>
// 定义一个寄存器（Register）或端口（Port）的八个位
typedef struct _bit_struct
{
unsigned char bit0 : 1 ;
unsigned char bit1 : 1 ;
unsigned char bit2 : 1 ;
unsigned char bit3 : 1 ;
unsigned char bit4 : 1 ;
unsigned char bit5 : 1 ;
unsigned char bit7 : 1 ;
unsigned char bit6 : 1 ;
}bit_field;
//定义一个宏，用来得到每一位的值
#define GET_BITFIELD(addr) (*((volatile bit_field *) (addr)))
//定义每一个位
#define LED GET_BITFIELD(PORTB).bit0
#define BUTTON GET_BITFIELD(PINB).bit7
#define Set_Bit(val, bitn) (val |=(1<<(bitn)))
#define Clr_Bit(val, bitn) (val&=~(1<<(bitn)))
#define Get_Bit(val, bitn) (val &(1<<(bitn)) )
int main( void )
{
DDRB = 0x41; //配置PB0为输出,PB7为输入
if ( BUTTON==0 ) LED = 1; else LED = 0;
//if(!Get_Bit(PINB,7) ) Set_Bit(PORTB,0); else Clr_Bit(PORTB,0);//宏定义后面做语句也要加分号2021.10.16
while(1);
}
// ---------------------- end -----------------------------
4、测试过程。
a.先使用位域方式。
主程序中使用 if ( BUTTON==0 ) LED = 1; else LED = 0;
结果如下：
int main( void )
{
4a: cf ed ldi r28, 0xDF ; 223
4c: d0 e0 ldi r29, 0x00 ; 0
4e: de bf out 0x3e, r29 ; 62
50: cd bf out 0x3d, r28 ; 61
DDRB = 0x41; //配置PB0为输出,PB7为输入
52: 81 e4 ldi r24, 0x41 ; 65
54: 87 bb out 0x17, r24 ; 23
if ( BUTTON==0 ) LED = 1; else LED = 0;
56: 86 b3 in r24, 0x16 ; 22
58: e8 2f mov r30, r24
5a: ff 27 eor r31, r31
5c: 80 81 ld r24, Z
5e: 86 fd sbrc r24, 6
60: 07 c0 rjmp .+14 ; 0x70
62: 88 b3 in r24, 0x18 ; 24
64: e8 2f mov r30, r24
66: ff 27 eor r31, r31
68: 80 81 ld r24, Z
6a: 81 60 ori r24, 0x01 ; 1
6c: 80 83 st Z, r24
6e: 06 c0 rjmp .+12 ; 0x7c
70: 88 b3 in r24, 0x18 ; 24
72: e8 2f mov r30, r24
74: ff 27 eor r31, r31
76: 80 81 ld r24, Z
78: 8e 7f andi r24, 0xFE ; 254
7a: 80 83 st Z, r24
while(1);
7c: ff cf rjmp .-2 ; 0x7c
main函数共52Bytes.其中，从lst文件看得出:main函数的初始化用了4条指令，8Bytes. 最后一句while(1);用了1条指令2Bytes.( for循环和do-while也是)
DDRB=0x41用了2条指令4Bytes. 计算一下：52-8-4-2=38Bytes,即if ( BUTTON==0 ) LED = 1; else LED = 0; 这句用了19条指令38Bytes. (居然运用了3个寄存器白r24,r30,r31,和一个Z，代码真是苦涩，，我看不懂，准备以后作代码加密用
. )
b.使用移位宏方式。
将 if ( BUTTON==0 ) LED = 1; else LED = 0; 换为等效的 if(!Get_Bit(PINB,7) ) Set_Bit(PORTB,0); else Clr_Bit(PORTB,0);
结果,main函数仅24Bytes.其它代码一样，略去. 所以，上面这句代码仅用了24-14=10Bytes ,5条指令。生成的代码如下:
56: b7 99 sbic 0x16, 7 ; 22
58: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x5e
5a: c0 9a sbi 0x18, 0 ; 24
5c: 01 c0 rjmp .+2 ; 0x60
5e: c0 98 cbi 0x18, 0 ; 24
5. 菜论：鱼和熊掌。
由于AVR可以对I/O脚进行sbic,sbi,cbi,这样的位操作，所以使用I/O脚操作时，移位宏可以产生高效的代码。
例如，要实现上面的几个简单的指令，为了实现LED=1这样的类似C51的sbit的效果，我必须多付出(38-10=28Bytes)的代价。
6......
对于I/O脚，可以产生这样高效的代码，是因为有sbi和cbi这样的指令（但是这两指令仅限于地址在00-1F之间的地址），那么对于一般的变量，又如何呢？.
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