AVR 单片机与GCC 编程之存储器操作

AVR 系列单片机内部有三种类型的被独立编址的存储器，它们分别为：Flash 程序存储器、内部SRAM 数据存储器和EEPROM 数据存储器。
Flash 存储器为1K～128K 字节，支持并行编程和串行下载,下载寿命通常可达10,000 次。

由于AVR 指令都为16 位或32 位，程序计数器对它按字进行寻址，因此FLASH 存储器按字组织的，但在程序中访问FLASH 存储区时专用指令LPM 可分别读取指定地址的高低字节。

寄存器堆（R0～R31）、I/O 寄存器和SRAM 被统一编址。所以对寄存器和I/O 口的操作使用与访问内部SRAM 同样的指令。其组织结构如图2-1 所示。

               图2-1 AVR SRAM 组织

32 个通用寄存器被编址到最前,I/O 寄存器占用接下来的64 个地址。从0X0060 开始为内部SRAM。外部SRAM 被编址到内部SRAM 后。

AVR 单片机的内部有64～4K 的EEPROM 数据存储器，它们被独立编址，按字节组织。擦写寿命可达100，000 次。

2.2 I/O 寄存器操作

I/O 专用寄存器（SFR）被编址到与内部SRAM 同一个地址空间，为此对它的操作和SRAM 变量操作类似。
SFR 定义文件的包含：
#include 
io.h 文件在编译器包含路径下的avr 目录下，由于AVR 各器件间存在同名寄存器地址有不同的问题，io.h 文件不直接定义SFR 寄存器宏，它根据在命令行给出的 –mmcu 选项再包含合适的 ioxxxx.h 文件。

在器件对应的ioxxxx.h 文件中定义了器件SFR 的预处理宏，在程序中直接对它赋值或引用的方式读写SFR，如：

PORTB=0XFF;
Val=PINB;

从io.h 和其总包含的头文件sfr_defs.h 可以追溯宏PORTB 的原型
在io2313.h 中定义：
#define PORTB _SFR_IO8(0x18)
在sfr_defs.h 中定义：

#define _SFR_IO8(io_addr) _MMIO_BYTE((io_addr) + 0x20)
#define _MMIO_BYTE(mem_addr) (*(volatile uint8_t *)(mem_addr))

这样PORTB=0XFF; 就等同于 *(volatile unsigned char *)(0x38)=0xff;
0x38 在器件AT90S2313 中PORTB 的地址
对SFR 的定义宏进一步说明了SFR 与SRAM 操作的相同点。
关键字volatile 确保本条指令不会因C 编译器的优化而被省略。

2.3 SRAM 内变量的使用

一个没有其它属性修饰的C 变量定义将被指定到内部SRAM，avr-libc 提供一个整数类型定义文件inttype.h，其中定义了常用的整数类型如下表：

定义值 长度（字节） 值范围
int8_t 1 -128～127
uint8_t 1 0～255
int16_t 2 -32768～32767
uint16_t 2 0～65535
int32_t 4 -2147483648～2147483647
uint32_t 4 0～4294967295
int64_t 8 -9.22*10^18～-9.22*10^18
uint64_t 8 0～1.844*10^19

根据习惯，在程序中可使用以上的整数定义。
定义、初始化和引用

如下示例：

uint8_t val=8; 定义了一个SRAM 变量并初始化成8
val=10; 改变变量值
const uint8_t val=8; 定义SRAM 区常量
register uint8_t val=10; 定义寄存器变量

2.4 在程序中访问FLASH 程序存储器

avr-libc 支持头文件：pgmspace.h
#include < avr/pgmspace.h >
在程序存储器内的数据定义使用关键字 __attribute__((__progmem__))。在pgmspace.h
中它被定义成符号 PROGMEM。

1． FLASH 区整数常量应用

定义格式：
数据类型 常量名 PROGMEM = 值 ;
如：
char val8 PROGMEM = 1 ;
int val16 PROGMEM = 1 ;
long val32 PROGMEM =1 ;
对于不同长度的整数类型 avr-libc 提供对应的读取函数：
pgm_read_byte(prog_void * addr)

pgm_read-word(prg_void *addr)
pgm_read_dword(prg_void* addr)
另外在pgmspace.h 中定义的8 位整数类型 prog_char prog_uchar 分别指定在FLASH
内的8 位有符号整数和8 位无符号整数。应用方式如下：

char ram_val; //ram 内的变量
const prog_char flash_val = 1; //flash 内常量
ram_val=pgm_read_byte(&flash_val); //读flash 常量值到RAM 变量

对于应用程序FLASH 常量是不可改变的，因此定义时加关键字const 是个好的习惯。

2. FLASH 区数组应用：

定义：
const prog_uchar flash_array[] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}; //定义
另外一种形式
const unsigned char flash_array[] RROGMEM = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
读取示例：
unsigend char I, ram_val;
for(I=0 ; I<10 ;I ++) // 循环读取每一字节
{
ram_val = pgm_read_byte(flash_array + I);
… … //处理
}

2． FLASH 区字符串常量的应用

全局定义形式：
const char flash_str[] PROGMEM = “Hello, world!”;
函数内定义形式：
const char *flash_str = PSTR(“Hello, world!”);
以下为一个FLASH 字符串应用示例
#include 
#include 
#include 
const char flash_str1[] PROGMEM = “全局定义字符串”;
int main(void)
{
int I;
char *flash_str2=PSTR(“函数内定义字符串”);
while(1)
{
scanf(“%d”,&I);
printf_P(flash_str1);
printf(“/n”);
printf_P(flash_str2);
printf(“/n”);
}
}

2.5 EEPROM 数据存储器操作

#include
头文件声明了avr-libc 提供的操作EEPROM 存储器的API 函数。
这些函数有：
EEPROM_is_ready() //EEPROM 忙检测（返回EEWE 位）
EEPROM_busy_wait() //查询等待EEPROM 准备就绪
uint8_t EEPROM_read_byte (const uint8_t *addr) //从指定地址读一字节
uint16_t EEPROM_read_word (const uint16_t *addr) //从指定地址一字
void EEPROM_read_block (void *buf, const void *addr, size_t n) //读块
void EEPROM_write_byte (uint8_t *addr, uint8_t val) //写一字节至指定地址
void EEPROM_write_word (uint16_t *addr, uint16_t val) //写一字到指定地址
void EEPROM_write_block (const void *buf, void *addr, size_t n)//写块

在程序中对EEPROM 操作有两种方式

方式一：直接指定EERPOM 地址
示例：
/*此程序将0xaa 写入到EEPROM 存储器 0 地址处，
再从0 地址处读一字节赋给RAM 变量val */
#include 
#include
int main(void)
{
unsigned char val;
EEPROM_busy_wait(); //等待EEPROM 读写就绪
EEPROM_write_byte(0,0xaa); //将0xaa 写入到EEPORM 0 地址处
EEPROM_busy_wait();
val=EEPROM_read_byte(0); //从EEPROM 0 地址处读取一字节赋给RAM 变量val
while(1);
}

方式二：先定义EEPROM 区变量法
示例：
#include 
#include
unsigned char val1 __attribute__((section(".EEPROM")));//EEPROM 变量定义方式
int main(void)
{
unsigned char val2;
EEPROM_busy_wait();
EEPROM_write_byte (&val1, 0xAA); /* 写 val1 */
EEPROM_busy_wait();
val2 = EEPROM_read_byte(&val1); /* 读 val1 */
while(1);
}
在这种方式下变量在EEPROM 存储器内的具体地址由编译器自动分配。相对方式一，数据在EEPROM 中的具体位置是不透明的。
为EEPROM 变量赋的初始值，编译时被分配到.EEPROM 段中,可用avr-objcopy 工具从.elf文件中提取并产生ihex 或binary 等格式的文件。

2.6 avr-gcc 段(section)与再定位(relocation)

粗略的讲,一个段代表一无缝隙的数据块（地址范围）,一个段里存储的数据都为同一性质,如“只读”数据。as (汇编器)在编译局部程序时总假设从0 地址开始,并生成目标文件。最后ld（链接器）在连接多个目标文件时为每一个段分配运行时（run-time）统一地址。这虽然是个简单的解释，却足以说明我门为为什么用段.

ld 将这些数据块正确移动到它们运行时的地址。 此过程非常严格,数据的内部顺序与长度均不能发生变化.这样的数据单元叫做段，为段分配运行时地址叫再定位，此任务根据目标文件内的参考地址将段数据调整到运行时地址。

Avr-gcc 中汇编器生成的目标文件（object-file）至少包含四个段，分别为: .text 段、.data段 、 .bss 段和.EEPROM 段，它们包括了程序存储器（FLASH）代码，内部RAM 数据，和EEPROM 存储器内的数据。这些段的大小决定了程序存储器（FLASH）、数据存储器（RAM）、EEPROM 存储器的使用量，关系如下：

程序存储器（FLASH）使用量 = .text + .data
数据存储器（RAM）使用量 = .data + .bss [+ .noinit] + stack [+ heap]
EEPROM 存储器使用量 = .EEPROM

一．.text 段

.text 段包含程序实际执行代码。另外，此段还包含.initN 和.finiN 两种段，下面详细讨论。
段.initN 和段.finiN 是个程序块，它不会象函数那样返回，所以汇编或C 程序不能调用。
.initN、.finN 和绝对段（absolute section 提供中断向量）构成avr-libc 应用程序运行框架，用户编写的应用程序在此框架中运行。
.initN 段
此类段包含从复位到main()函数开始执行之间的启动(startup)代码。
此类段共定义10 个分别是.init0 到.init9。执行顺序是从.init0 到.init9。
.init0：
此段绑定到函数__init()。用户可重载__init()，复位后立即跳到该函数。
.init1：
未用，用户可定义
.init2：
初始化堆栈的代码分配到此段
.init3：
未用，用户可定义
.init4：
初始化.data 段（从FLASH 全局或静态变量初始值到.data），清零.bss 段。
像UNIX 一样.data 段直接从可执行文件中装入。Avr-gcc 将.data 段的初始值存储到flash
rom 里.text 段后，.init4 代码则负责将这些数据SRAM 内.data 段。
.init5：
未用，用户可定义
.init6：
C 代码未用，C++程序的构造代码
.init7：
未用，用户可定义
.init8：
未用，用户可定义
.init9：
跳到main()
avr-libc 包含一个启动模块（startup module），用于应用程序执行前的环境设置，链接时它被分配到init2 和init4 中,负责提供缺省中断程序和向量、初始化堆栈、初始化.data 段和清零.bss 段等任务，最后startup 跳转到main 函数执行用户程序。
.finiN 段
此类段包含main()函数退出后执行的代码。
此类段可有0 到9 个, 执行次序是从fini9 到 fini1。
.fini9
此段绑定到函数exit()。用户可重载exit()，main 函数一旦退出exit 就会被执行。
.fini8：
未用，用户可定义
.fini7：
未用，用户可定义
.fini6：
C 代码未用， C++程序的析构代码
.fini5：
未用，用户可定义
.fini4：
未用，用户可定义
.fini3：
未用，用户可定义
.fini2：
未用，用户可定义
.fini1：
未用，用户可定义
.fini0：
进入一个无限循环。

用户代码插入到.initN 或.finiN
示例如下：
void my_init_portb (void) __attribute__ ((naked)) /
__attribute__ ((section (".init1")));
void my_init_portb (void)
{
outb (PORTB, 0xff);
outb (DDRB, 0xff);
}
由于属性section(“.init1”)的指定，编译后函数my_init_portb 生成的代码自动插入到.init1段中，在main 函数前就得到执行。naked 属性确保编译后该函数不生成返回指令，使下一个初始化段得以顺序的执行。

二．.data 段

.data 段包含程序中被初始化的RAM 区全局或静态变量。而对于FLASH 存储器此段包含在程序中定义变量的初始化数据。类似如下的代码将生成.data 段数据。
char err_str[]=”Your program has died a horrible death!”;
struct point pt={1,1};
可以将.data 在SRAM 内的开始地址指定给连接器，这是通过给avr-gcc 命令行添加
-Wl,-Tdata,addr 选项来实现的，其中addr 必须是0X800000 加SRAM 实际地址。例如 要将.data 段从0x1100 开始，则addr 要给出0X801100。

三．.bss 段

没有被初始化的RAM 区全局或静态变量被分配到此段，在应用程序被执行前的startup过程中这些变量被清零。
另外，.bss 段有一个子段 .noinit , 若变量被指定到.noinit 段中则在startup 过程中不会被清零。将变量指定到.noinit 段的方法如下：
int foo __attribute__ ((section (“.noinit”)));
由于指定到了.noinit 段中，所以不能赋初值，如同以下代码在编译时产生错误：
int fol __attribute__((section(“.noinit”)))=0x00ff;
四．.EEPROM 段
此段存储EEPROM 变量。
Static unsigned char eep_buffer[3] __attribute__((section(“.EEPROM”)))={1,2,3};
在链接选项中可指定段的开始地址，如下的选项将.noinit 段指定位到RAM 存储器
0X2000 地址处。
avr-gcc ... -Wl,--section-start=.noinit=0x802000
要注意的是，在编译时Avr-gcc 将FLASH、RAM 和EEPROM 内的段在一个统一的地址空间内处理，flash 存储器被定位到0 地址开始处，RAM 存储器被定位到0x800000 开始处，EEPROM 存储器被定位到0X810000 处。所以在指定段开始地址时若是RAM 内的段或EEPROM 内的段时要在实际存储器地址前分别加上0x800000 和0X810000。

除上述四个段外，自定义段因需要而可被定义。由于编译器不知道这类段的开始地址，又称它们为未定义段。必需在链接选项中指定自定义段的开始地址。如下例：
void MySection(void) __attribute__((section(".mysection")));
void MySection(void)
{
printf("hello avr!");
}
链接选项：
avr-gcc ... -Wl,--section-start=.mysection=0x001c00
这样函数MySection 被定位到了FLASH 存储器0X1C00 处。