c - 使用相同的内存地址，但代码在程序内存中多占用 8 个字节？

Question

我正在为 atmega8 微 Controller 使用 Atmel Studio。在这里，我有两个访问它的 io 端口的选项。

1. 我可以使用 DDRB、PORTB 和 PINB 宏
   
   
   MCU 标准端口宏

   #define _MMIO_BYTE(mem_addr) (*(volatile uint8_t *)(mem_addr))
   #define _SFR_IO8(io_addr) _MMIO_BYTE((io_addr) + __SFR_OFFSET)
   
   /* Port B */
   #define PINB     _SFR_IO8(0x16)
   #define DDRB     _SFR_IO8(0x17)
   #define PORTB    _SFR_IO8(0x18)
   

这是我的简单测试代码

   #include <avr/io.h>

   #define F_CPU 1000000UL

   #include <util/delay.h>

   int main(void)
   {
    DDRB = 0x01;
    while (1)
    {
        PORTB = 0x01;
        _delay_ms(1000);
        PORTB = 0x00;
        _delay_ms(1000);
    }
   }

after successful compilation

Program Memory Usage : 108 bytes 1.3 % Full
Data Memory Usage : 0 bytes 0.0 % Full

1. 或者我可以使用我自己的版本
   
   gpio.h\

#ifndef GPIO_H_
#定义GPIO_H_

#include <avr/io.h>

typedef union {
    struct  
    {
        uint8_t pin0:1;
        uint8_t pin1:1;
        uint8_t pin2:1;
        uint8_t pin3:1;
        uint8_t pin4:1;
        uint8_t pin5:1;
        uint8_t pin6:1;
        uint8_t pin7:1;
    };
    struct {
        uint8_t lsb4:4;
        uint8_t msb4:4;
        };
        uint8_t pins;
}port_reg_t;

typedef struct  
{
    port_reg_t r;
    port_reg_t d;
    port_reg_t p;
}port_t;

#define bio    (*(volatile port_t *) (0x16 + __SFR_OFFSET))

#endif/* GPIO_H_ */

这是示例代码

/*

• led.cpp

• 创建时间:12-05-2022 14:59:53

• 作者:惠普*/

   #include <avr/io.h>
   #define F_CPU 1000000UL
   #include <util/delay.h>
  
   #include "gpio.h"
  
   int main(void)
   {
  
       //DDRB = 0x01;
       //
       //
       //while (1)
       //{
       //PORTB = 0x01;
       //_delay_ms(1000);
       //PORTB = 0x00;
       //_delay_ms(1000);
       //}
  
   bio.d.pin0 = 1;
  
   while (1) 
   {
       bio.p.pin0 = 1;
       _delay_ms(1000);
       bio.p.pin0 = 0;
      _delay_ms(1000);
  
   }
  }
  

after successful compilation

Program Memory Usage : 116 bytes 1.4 % Full
Data Memory Usage : 0 bytes 0.0 % Full

我的问题是，为什么它在程序内存中额外占用 8 个字节？

Answer 1

从您展示的代码中，我可以证明您的结构多占用 6 个字节(在程序空间中)。我不知道为什么您的编译器需要多 8 个字节而不是 6 个字节，但您可以调查生成的汇编程序(也许您必须要求生成它)。

C 中对 I/O 寄存器的赋值，例如:

PORTB = 0x01;

由 AVR MCU 以这种方式执行:

LDI   R1, 1      ; 16 bit instruction, 2 bytes
STS   PORTB, R1  ; again 2 bytes

总共4个字节。代替 STS，有时可以使用 OUT(见后文)，但无论如何它都是一条指令。

在您的第一个程序中，您有 3 个这样的作业。

在第二个程序中，编译器知道它应该对单个位而不是整个字节进行操作。在 I/O 寄存器中设置单个位，因为 C 程序声明:

bio.p.pin0 = 1;

编译器必须生成:

LDS   R1, bio.p
ORI   R1, 1       ; <-- added instruction, 2 bytes
STS   bio.p, R1

添加的指令是设置一个位而另一个保持不变的指令。还需要一条指令。

现在，在两个程序中都有 3 个这样的赋值，在第二个版本中，每个赋值都多了一个 MCU 指令，总共 6 个字节。

AVR MCU 具有操作单个位的指令 - 在寄存器或 I/O 空间中。因此，设置位的相同效果将通过单个来实现:

SBI   PORTB, 0   ; <-- set bit 0 of PORTB

这条指令与前面的 3 个 LDS/ORI/STS 的作用相同!需要注意的是，如果使用这些指令，第二个程序将比前一个程序更短，而不是更长。

问题在于这些指令 (SBI/CBI) 只能应用于其空间中的前 32 个地址。现在，也取决于MCU的具体型号，并不是所有的I/O寄存器都在前32个地址，所以这个指令不能一直使用，它取决于目标。

可能您的编译器选择不使用 SBI/CBI，因为它无法理解它们在这种情况下是安全的。如果您打开完全优化，它们可能会被使用，或者您可能必须指示编译器在这种特定情况下使用它们。

关于 STS 和 OUT:STS 可以做 OUT 做的所有事情，但它们使用不同的地址。我不明白为什么 OUT(及其同伴 IN)存在，但肯定是有原因的。