Работа с регистрами

Регистры, байты, биты

В прошлом уроке мы освоили битовые операции, а в этом - научимся работать напрямую с регистрами микроконтроллера. Зачем? Я думаю в первую очередь это нужно для того, чтобы понимать чужой код и переделывать его под себя, потому что прямая работа с регистрами в скетчах из Интернета встречается довольно часто.

Что такое регистр? Тут всё весьма просто: это сверхбыстрые блоки оперативной памяти объёмом 1 Байт, находящиеся рядом с ядром МК и периферией. На стороне программы это обычные глобальные переменные, которые можно читать и менять. В регистрах микроконтроллера хранятся "настройки" для различной его периферии: таймеры-счётчики, порты с пинами, АЦП, шина UART, I2C, SPI и прочее железо, встроенное в МК. Меняя регистр, мы даём практически прямую команду микроконтроллеру, что и как нужно сделать. Запись в регистр занимает около 1 такта МК (0.0625 мкс при частоте тактирования 16 МГц) - это ОЧЕНЬ быстро. Имена регистров фиксированные, полный перечень с подробным описанием можно найти в даташите на микроконтроллер (официальный даташит на ATmega328 - Arduino Nano/UNO/Mini).

Работа с регистрами очень непростая, если вы не выучили их все наизусть, потому что названия у них обычно нечитаемые, аббревиатуры. Так называемые "Ардуиновские" функции собственно и занимаются тем, что работают с регистрами, оставляя нам удобную, понятную и читаемую функцию, ничего сверхъестественного в этом нет. Зачем вообще работать с регистрами напрямую? Есть несколько больших преимуществ:

• Скорость работы: чтение/запись регистра выполняется максимально быстро, что позволяет ускорить работу с МК (например дёргать пины вручную вместо digitalWrite()). Максимальная скорость работы с периферией МК нужна далеко не всегда, поэтому если вам не нужно сэкономить несколько микросекунд - с регистрами можно даже не связываться.
• Объём памяти: прямая работа с регистрами позволяет максимально компактно работать с периферией МК, читая и записывая только нужные биты, поэтому написанный под свои задачи конкретный код займёт меньше места, чем чьи-то готовые универсальные функции и библиотеки (например тот же digitalWrite или работа с Serial). При работе с Ардуино можно не заморачиваться по этому поводу практически никогда, а вот если делать проект на ATTiny - там придётся ужимать код вплоть до байта.
• Гибкость настройки: работа с микроконтроллером напрямую при помощи регистров позволяет очень гибко настраивать периферию под свои задачи. Дело в том, что все существующие Ардуино-библиотеки охватывают чуть больше половины всех возможностей микроконтроллера! Огромное количество настроек и полезных трюков не описано нигде, кроме даташита, и для их использования нужно уметь читать этот самый даташит и работать с регистрами.

В микроконтроллерах серии ATmega/ATtiny регистры 8 битные, то есть регистр - это переменная типа byte. Насколько мы знаем, байт это число от 0 до 255, получается каждый регистр имеет 255 настроек? Нет, логика здесь совсем другая: байт это 8 бит, то есть один регистр хранит 8 настроек, которые можно включить/выключить. Давайте для примера рассмотрим один из регистров таймера 1, под названием TCCR1B. Картинка из даташита на ATmega328p:
Регистр TCCR1B, как и положено здоровому байту, состоит из 8 бит. Почти каждый его бит имеет имя (кроме 5-го, в этом МК он не используется). Что делает каждый бит и регистр - самым подробным образом расписано в даташите. Имена всех битов и регистров заданы в компиляторе, то есть создавать переменные с такими же именами нельзя. Изменять значения битов также нельзя, они являются константами:

int WGM12;  // приведёт к ошибке
CS11 = 5;   // приведёт к ошибке

Но считать значение бита по его названию можно! Причём значение будет равно его номеру в регистре, считая справа. CS11 равен 1, WGM13 равен 4, ICNC1 равен 7 (см. таблицу выше).

Думаю здесь всё понятно: есть регистр (байт), имеющий уникальное имя и состоящий из 8 бит, каждый бит также имеет уникальное имя, по которому можно получить номер этого бита в байте его регистра. Осталось понять, как этим всем пользоваться.

Запись/чтение регистра

Существует несколько способов установки битов в регистрах. Мы рассмотрим их все, чтобы столкнувшись с одним из них вы знали, что это вообще такое и как работает данная строчка кода. В предыдущем уроке по битовым операциям мы подробно разобрали всё, что касается манипуляций с битами, поэтому если вы его прочитали и поняли - следующая информация не будет для вас новой.

Давайте вернёмся к регистру таймера, который я показывал выше, и попробуем его сконфигурировать. Первый способ, это явное задание всего байта сразу, со всеми единицами и нулями. Сделать это можно так:

TCCR1B = 0b01010101;

Таким образом мы включили и выключили нужные биты сразу, одним махом. Как вы помните из урока о типах данных и чисел, микроконтроллеру всё равно, в какой системе исчисления вы с ним работаете, то есть число 0b01010101 у нас в двоичной системе, в десятичной это будет 85, а в шестнадцатеричной - 0x55. И вот эти три варианта абсолютно одинаковы с точки зрения результата:

TCCR1B = 0b01010101;
TCCR1B = 85;
TCCR1B = 0x55;

Только на первый можно посмотреть и сразу понять, что где стоит, чего не скажешь про остальные два. Очень часто в чужих скетчах встречается такая запись, и это не очень комфортно.

Гораздо чаще бывает нужно "прицельно" изменить один бит в байте, и тут на помощь приходят логические (битовые) функции и макросы. Рассмотрим все варианты, во всех из них BYTE это байт-регистр, и BIT это номер бита, считая с правого края. То есть BIT это цифра от 0 до 7, либо название бита из даташита.

Что хочу сказать по перечисленным вариантам: они все по сути являются одним и тем же, а именно - первым, просто обёрнуты в другие функции и макросы. Время выполнения всех вариантов одинаково, т.к. макро-функции не делают лишних действий, а приводят все способы к первому, со сдвигом и |= и &=. Все эти способы вы можете встретить в скетчах из интернета, это факт. Лично мне больше всего нравится ардуиновский bitSet и bitClear, потому что они имеют читаемое название и заранее сидят в библиотеке.

Что касается sbi() и cbi() - то для их использования где-то должны быть созданы макросы:

#define cbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit)) 
#define sbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit))

И после этого можно пользоваться sbi() и cbi(). Давайте рассмотрим пример, где просто подёргаем TCCR1Bразными способами:

void setup() {
  TCCR1B = 0;             // обнулили регистр
  bitSet(TCCR1B, CS11);   // включили бит №1
  TCCR1B |= _BV(4);       // включили бит №4
  TCCR1B |= (1 << WGM12); // включили бит №3
  TCCR1B &= ~_BV(WGM13);  // вЫключили бит №4
  bitClear(TCCR1B, 3);    // вЫключили бит №3
}

Можно ещё добавить вариант, где в одной строчке можно "прицельно" установить несколько битов:

void setup() {
  TCCR1B = 0;  // обнулили регистр
  // ставим бит 1, 3 и 4(WGM13)
  TCCR1B |= _BV(1) | _BV(3) | _BV(WGM13);
}

Я думаю тут всё понятно, давайте теперь попробуем "прицельно" прочитать бит  из регистра:

Два рассмотренных способа возвращают 0 или 1 в зависимости от состояния бита. Пример:

void setup() {
  TCCR1B = 0;             // обнулили регистр
  bitSet(TCCR1B, CS12);   // включили бит №2
  Serial.begin(9600);     // открыли порт
  Serial.println(bitRead(TCCR1B, 2)); // получили 1
}

Ещё больше примеров работы с битами смотри в уроке по битовым операциям.

16-бит регистры

У Ардуинок (AVR) встречаются также сдвоенные 16-битные регистры, состоят из двух 8-битных, например "сдвоенный регистр" АЦП ADC состоит из ADCH и ADCL, или регистр таймера ICR1 состоит из ICR1H и ICR1L. АЦП у нас 10 битный, но регистры - 8 битные, поэтому часть (8  бит) хранится в одном регистре (ADCL), а остальное (2 бита) - в другом (ADCH). Смотрите, как это выглядит в виде таблицы:
Вопрос: как нам принять или изменить это самое 10 битное число, если оно разбито на два разных регистра? Очень просто: работа с такими сдвоенными регистрами встроена в компилятор и можно просто работать с ними напрямую как с обычной переменной, например:

int val = ADC; 	// читаем значение
ICR1 = 1234;	// записываем значение

Такую запись почему-то используют редко, возможно для совместимости с другими компиляторами. Чаще всего вы встретите вот такой вариант, в котором значения "склеиваются" через сдвиг:

int val = ADCL + (ADCH << 8);
// возможен вариант ADCL | (ADCH << 8) , см. урок про битовые операции

Читать нужно с младшего регистра. Как только мы читаем младший регистр (первый), у МК полностью блокируется доступ к всему регистру, пока не будет прочитан старший. Если прочитать сначала старший - значение младшего может быть утеряно.

Обратная задача: есть опять же мнимый 16-битный регистр (состоящий из двух 8-битных), в который нам нужно записать значение. Например сдвоенный регистр ICR1H и ICR1L, вот таблица:
Микроконтроллер может работать только с одним байтом, а как нам записать двухбайтное число? А вот так: разбить число на два байта при помощи ардуиновских функций highByte() и lowByte(), и уже эти байты записать в соответствующие регистры. Пример:

uint16_t val = 1500;    // просто число типа int
ICR1H = highByte(val);  // пишем старший байт
ICR1L = lowByte(val);   // пишем младший байт

// читаем байты обратно и "склеиваем" в int
byte val_1 = ICR1L;
byte val_2 = ICR1H;
uint16_t value = val_1 + (val_2 << 8);

Записывать нужно со старшего байта. Как только мы записываем младший байт (последний) - МК "защелкивает" оба регистра в память, соответственно если сначала записать младший - в старшем будет 0, и последующая запись старшего будет проигнорирована.

Полезные страницы

• Набор GyverKIT – большой стартовый набор Arduino моей разработки, продаётся в России
• Каталог ссылок на дешёвые Ардуины, датчики, модули и прочие железки с AliExpress у проверенных продавцов
• Подборка библиотек для Arduino, самых интересных и полезных, официальных и не очень
• Полная документация по языку Ардуино, все встроенные функции и макросы, все доступные типы данных
• Сборник полезных алгоритмов для написания скетчей: структура кода, таймеры, фильтры, парсинг данных
• Видео уроки по программированию Arduino с канала “Заметки Ардуинщика” – одни из самых подробных в рунете
• Поддержать автора за работу над уроками
• Обратная связь – сообщить об ошибке в уроке или предложить дополнение по тексту ([email protected])