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 微控制器使用 Atmel Studio。在这里，我有两个访问它的 io 端口的选项。

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

或者我可以使用我自己的版本

gpio.h\

#ifndef GPIO_H_
#define 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

您假设两个程序都相同，但它们不。所以这就是内存使用不同的原因。

第一个程序向端口B写入一个完整的字节：

    PORTB = 0x01;

第二个程序只设置（重置）一位，而其他七位单独保留：

    bio.p.pin0 = 1;

这就是“幕后”发生的事情：

    bio.p.pins = bio.r.pins | 0x01;

这是与您的 header 相当的版本：

    bio.p.pins = 0x01;

Answer 2

根据您显示的代码，我可以证明您的结构多占用 6 个字节（在程序 space 中）。我不知道为什么你的编译器需要 8 个字节而不是 6 个字节，但你可以调查生成的汇编程序（也许你必须要求生成它）。

C 中对 I/O 寄存器的赋值，例如：

PORTB = 0x01;

AVR单片机是这样实现的：

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

总共4个字节。代替STS，有时可以用OUT（见后），但无论如何都是一条指令。

在你的第一个程序中，你有 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，在这两个程序中都有 3 个这样的分配，在第二个版本中，每个分配都多了一个 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 space 中。因此，设置位的相同效果可以用单个来实现：

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

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

问题在于这些指令 (SBI/CBI) 只能应用于其 space 中的前 32 个地址。现在，也取决于MCU的精确型号，并非所有I/O寄存器都位于前32个地址，因此该指令不能总是使用，它取决于目标。

可能您的编译器选择不使用 SBI/CBI，因为它无法理解在这种情况下它们是安全的。也许如果您打开完全优化，它们将被使用，或者您可能必须指示编译器在这种特殊情况下使用它们。

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

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？

Using same memory address ,but code taking 8 bytes extra in program memory?

c

optimization

embedded