| Символ | Операция | Пример |
|---|---|---|
| & | Логическое И | *(0x0023) & 0x57 |
| | | Логическое ИЛИ | *(0x0000) | 0x35 |
Все числа, записанные в колонке "Пример", представлены в шестнадцатеричном коде, поскольку содержат префикс 0x. Унарный оператор * показывает, что действие будет производиться над содержимым ячейки памяти с физическим адресом, значение которого в шестнадцатеричном коде указано в скобках.
Результат операции логического И над двумя двоичными числами 01011100 и 11000111 будет равен :
01011100
& 11000111
----------
01000100
Результат операции логическое ИЛИ над теми же числами:
01011100
| 11000111
----------
11011111
В каких задачах управления используются эти логические операторы? В прикладных программах (т.е. программах управления) часто приходится изменять сигналы на отдельных линиях портов ввода/вывода. Регистры данных портов расположены по строго определенным в техническом описании физическим адресам. Так для того, чтобы сконфигурировать все линии порта PORT A на ввод, необходимо в регистр направления передачи порта DDRA (физический адрес 0x0002) записать все нули. Это может быть выполнено под управлением следующей строки:
*(unsigned char volatile*)(0х0002) = 0х00;
Если порт Port A настроен на вывод, то установить линию PTA7 в единицу без изменения состояния остальных линий порта можно посредством следующей записи:
PORTA |= 0х80; //установить PTA7
Выше использована сокращенная форма записи выражения:
PORTA = PORTA | 0х80; //установить PTA7
Выражение возвращает результат операции поразрядного логического ИЛИ числа 0x80 (10000000 в двоичной системе счисления) и содержимого порта PortA. После операции старший бит Port A будет установлен в 1, остальные биты останутся без изменения.
Аналогично, старший бит порта Port A может быть установлен в 0 (сброшен) посредством записи выражения:
PORTA &= ~0х80; //сбросить бит PTA7
Это выражение аналогично другому, более понятному для начального уровня освоения языка Си:
PORTA = PORTA & 0х7F; //сбросить бит PTA7
Для установки в 0 старшего разряда порта Port A содержимое порта побитно логически умножается на константу 0x7F (01111111 в двоичном коде). В результате старший бит становится равным 0, а остальные биты остаются без изменения. Запись ~0х80 в первом выражении предписывает перед выполнением операции логического И взять инверсию константы 0x80 (10000000), которая будет равна 0x7F (01111111). Вторая запись более понятна на начальном этапе программирования на Си, в то время как первая запись позволяет использовать одну и ту же константу в выражениях по установки и сбросу бита, что в практическом программировании удобно.
Операцию поразрядного логического И также следует использовать, если необходимо проверить, установлены или сброшены биты порта с определенными номерами. Например, приведенный ниже фрагмент программы производит чтение регистра данных порта Port A, логически умножает его содержимое на константу 0x81 и сравнивает полученный результат с нулем. Если условие равенства нулю выполняется, то это означает, что биты 7 и 0 порта Port A одновременно равны нулю, и следует выполнить действия, которые описаны операторами в фигурных скобках. Если хотя бы один бит PTA7 или PTA0 не равен нулю, то условие ((PORTA & 0х81) == 0) не выполняется, и операторы в фигурных скобках будут пропущены при исполнении.
if ((PORTA & 0x81) == 0) {
:
}
В качестве примера использования оператора ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ приведем выражение для инвертирования значения бита 7 порта Port A:
PORTA ~= 0х80; //инвертировать бит PTA7
Операторы группы унарных операций. Поскольку операторы инкремента и декремента были рассмотрены выше, основное внимание уделим операторам указателя и косвенной адресации (см. табл. 3.2). Для иллюстрации действия этих операторов рассмотрим следующий пример. Определим три целочисленных переменных с именами num, address, и new_num:
int num, address, new_num;
Также предположим, что переменная num расположена в памяти по адресу 0x2000. Запишем следующее выражение:
address = #
Результатом исполнения выражения будет присвоение переменной address значения адреса переменной num, т.е. новое значение переменной address будет равно 0x2000.
Запишем новое выражение:
new_num = *address;
Результатом выполнения этого выражения будет присвоение переменной new_num значения, которое содержится в ячейке памяти, адрес которой равен текущему значению переменной address. Поскольку содержимое address равно 0x2000, т.е. адресу переменной num, то рассматриваемое выражение в нашем случае эквивалентно выражению:
new_num = num;
Несмотря на то, что в рассмотренных примерах используется корректный синтаксис, в стандарте ANSI C переменную, в которой будут храниться адреса, используемые в качестве указателей на ячейки памяти других переменных, следует определять следующим выражением:
int *address
Отличие от предыдущего способа определения состоит в том, что теперь компилятор самостоятельно определяет формат представления данных для переменной address, чтобы в этой переменной было бы возможно разместить численное значение адреса. Если бы в предыдущем случае программист ошибся и определил тип переменной address как char, то в процессе исполнения выражения address = &num возникла бы потеря информации. В последнем случае ошибка формата исключается.
Обсудим действие следующего выражения:
address = (int *) 0x1000;
Это выражение назначает ячейку памяти с адресом 0x1000 как указатель с именем address. Для того, чтобы извлечь содержимое ячеек памяти следует поместить оператор * перед именем address.
3.4. Функции
В этом параграфе мы познакомимся с Вами с понятием "функция". Мы покажем Вам, как в языке Си определить функцию, как передать в функцию численные значения параметров и как получить после выполнения функции рассчитанные ею значения переменных.
3.4.1. Что такое функция?
Функция - это независимый фрагмент исходного текста программы, предназначенный для решения некоторой задачи. Функции состоят из операторов языка Си и представляют собой обычные подпрограммы.
Представьте себе, что Вы работаете членом большой бригады инженеров, которой предстоит разработать программное обеспечение для встраиваемых систем самолета. Очевидно, что на начальной стадии проекта вся команда разработчиков должна пройти через те этапы структурного проектирования, которые были рассмотрены нами в главе 2. На завершающем этапе структурного проектирования, когда одна большая задача будет поделена на множество мелких, но функционально законченных фрагментов, каждому из членов команды будет поручено выполнение какого либо фрагмента общей программы. Эти фрагменты оформляются как функции, из которых впоследствии будет состоять большая программа.
В соответствии с приведенной стратегией составления большой программы, каждая функция должна обладать тремя свойствами: независимостью, гибкостью и переносимостью. Функция должна быть относительно независима от другого программного кода, поскольку эта функция в дальнейшем может быть использована различными программистами в данном проекте или даже в другом проекте. Возвращаясь к примеру, предположим, что Вам предложили написать функцию, которая устраняет шумовую составляющую входного аналогового сигнала (цифровой фильтр). Ваша программа цифрового фильтра будет использоваться многими соисполнителями проекта для устранения шума различных входных сигналов. Следовательно, Ваша программа, оформленная как функция, должна обеспечивать возможность ее вызова из любого места большой программы (свойство независимости) и должна легко настраиваться на прием сигнала с различных портов МК (свойство гибкости). Термин "относительно независима" в начале этого параграфа мы применили потому, что функция может получать от ранее исполненного программного кода некоторые численные значения, которые будет использовать при своей работе. Например, в Вашу функцию могут передаваться имя порта ввода и номер линии, на которой присутствует сигнал, который подлежит цифровой фильтрации. Вы значительно увеличите гибкость своего решения, если предусмотрите возможность изменения частотного диапазона шумовой составляющей сигнала, которая будет устранена после исполнения программного кода Вашей функции.
И, наконец, о свойстве переносимости. В рассматриваемом примере управления самолетом, многочисленные встраиваемые системы могут быть выполнены на разной элементной базе, в том числе на МК с различным процессорным ядром, и даже от разных производителей. При этом крайне желательно, чтобы разработанные специалистом функции цифровой фильтрации могли быть использованы во всех решениях. Поэтому следует написать исходный текст программы на Си таким образом, чтобы он не был ориентирован на специальные команды процессорного ядра, и мог быть обработан любым компилятором языка Си из перечня используемых в проекте.
3.4.2. Основная программа
Основная программа - это особый тип функции, ее отличие от других функций заключается в том, что она исполняется, когда запускают программу с определенным именем. Корректно написанная основная программа работает как программа "управленец" (менеджер высшего звена). Текст основной функции main.c отражает структуру всей прикладной программы, при этом не затрагивая специфических особенностей отдельных задач по управлению объектом. Мы можем представить основную программу в роли управляющего, который контролирует выполнение отдельных "команд" управления путем запуска программ функций. Предположим, что мы хотим выполнить задачи с первой по n-ую. Для этого оформлены n функций. Тогда мы запишем основную программу, в которой будут последовательно вызываться эти функции:
1 void main(void)
2 {
3 function_one();
4 function_two();
5 function_three();
6 :
7 :
8 :
9 function_n();
10 }
Строка 1 содержит идентификатор функции main. Служебное слово void в круглых скобках информирует о том, что данная функция не требует входных аргументов. Строки с третьей по девятую содержат операторы вызова функций, причем каждая функция вызывается один раз. После завершения исполнения функции 1 начинается исполнение функции 2, затем функции 3 и так до конца программного фрагмента.
3.4.3. Прототипы функций
Любая функция перед тем, как в тексте программы будет записан ее программный код или оператор ее вызова, должна быть объявлена. Объявление функции в языке Си называют прототипом функции. Формат записи прототипа функции следующий:
тип возвращаемой переменной имя функции
(<тип переменной1> <имя переменной1>,
<тип переменной2> <имя переменной2>,
:
<тип переменной> <имя переменнойN>);
Имена переменных в круглых скобках приводить необязательно, но полезно для лучшего документирования. Обратите внимание на обязательное использование точки с запятой в конце записи прототипа. Приведем три примера прототипов функций:
Пример 1: int compute(int, int);
Пример 2: float change(char name, float number, int a);
Пример 3: double find(unsigned int, float, double);
В примере 1 функция compute использует два аргумента. Аргументы функции - это те переменные, которые необходимы для ее корректного исполнения. Спецификация типа аргументов функции приведена в круглых скобках. В данном случае указано, что функция compute будет использовать два целочисленных аргумента, т.е. при вызове функции ей должны быть указаны для целочисленных значения. Результатом действия функции compute будет вычисление значения некоторой переменной. Спецификация типа возвращаемой переменной приведена перед именем функции. В данном случае это тоже целочисленный 16 разрядный формат.
В примере 2 записан прототип функции change. Эта функция предполагает наличие трех аргументов: однобайтового целочисленного name, числа с именем number в формате с плавающей запятой и двухбайтового целого числа с именем a. Функция change должна возвратить значение переменной в формате с плавающей запятой. В примере 3 объявляется функция find с тремя аргументами, для которых указан тип данных, но не указаны имена.
При знакомстве с программами на Си Вы можете встретить прототип функции, в котором на первом месте указано слово extern:
extern not_here(int a, int b, int c)
Подобная запись означает, что определение функции not_here не включено в текст данного программного модуля (текущего файла), а располагается во внешнем модуле (другом файле), который будут объединен с текущим модулем при составлении конечного исполняемого кода программы.
Если функция была объявлена в тексте какого либо программного модуля, то она должна быть определена в этом же модуле или другом модуле, например в файле библиотеки. Мы обсудим правила определения функции в следующем параграфе, а пока приведем примеры вызова каждой из трех объявленных функций:
compute(23, 12);
change('b', 7.825, 2);
find(25, 5.1524, 23.54721);
Обратите внимание, спецификация типа возвращаемой переменной в записи вызова функции исчезла, а в поле аргументов появились записи их численных значений.
3.4.4. Описание функций
Каждая объявленная в начале некоторого программного модуля функция должна быть определена в этом модуле или в тексте программы другого модуля, который в процессе генерации исполняемого кода программы будет присоединен к текущему модулю. Функция может быть также определена в подключаемом файле стандартной библиотеки. Текст определения функции может быть записан в любом месте программного модуля, однако принято определения всех используемых функций располагать сразу за текстом основной программы main.c. Например, предположим, что объявленная в предыдущем параграфе функция compute вычисляет модуль вектора двух ортогональных составляющих a и b и возвращает его в переменной с именем result. Прототип функции:
int compute(int a, int b);
Определение функции начинается с комментария, в котором перечисляются производимые функцией действия. Далее следует повтор строки прототипа функции, но без заключительных точки с запятой. Ниже последовательно располагаются все операторы функции, которые сверху и снизу заключаются в фигурные скобки.
/*Функция compute: вычисляет модуль вектора по двум его ортогональным */
/*составляющим */
1 int compute(int a, int b)
2 {
3 int sum, result;
4 sum = a*a + b*b;
5 result=(int) (sqrt(sum));
6 return(result);
7 }
В приведенном примере строка 1 открывает определение функции, информируя компилятор о том, что имя функции compute, она использует для своей работы две целочисленных переменных и возвращает одну целочисленную переменную. Фигурная скобка в строке 2 открывает область операторов определяемой функции. В строке 3 объявляются локальные переменные, т.е. те переменные, которые используются только внутри функции. Это переменные sum и result. Операторы, расположенные в строках 4 и 5 выполняют заявленные в описании функции вычисления. Причем в строке 5 используется функция извлечения квадратного корня sqrt, которая определена в библиотеке математических вычислений. При компиляции эта библиотека должна быть обязательно присоединена к файлу с рассматриваемой функцией посредством специальных директив компилятора, которые мы рассмотрим в следующем параграфе. В строке 5 следует обратить внимание на оператор (int) перед вызовом функции извлечения квадратного корня. Этот оператор осуществляет преобразование типа данных к заявленному в прототипе функции compute целочисленному формату int, поскольку функция извлечения квадратного корня возвращает данные в другом формате. В строке 6 применен оператор возврата return, которые позволяет использовать значение переменной result другими операторами основной программы. Фигурная скобка в строке 7 завершает определение функции. Любые операторы, записанные после скобки, уже не будут ассоциироваться с функцией compute.
На основании анализа примера Вам следует запомнить, что каждая функция должна быть определена в строго заданном формате исходного текста программы. Сначала следует строка прототипа функции, в которой указывается имя функции, используемые переменные и возвращаемые переменные. В отличие от строки объявления функции, точка с запятой в конце строки прототипа при определении функции не ставятся. Затем следуют операторы функции, заключенные в фигурные скобки. Если в поле возвращаемой переменной прототипа указан ее тип, то последним оператором функции должен быть оператор return. Если же в поле возвращаемой переменной прототипа стоит служебное слово void, то функция не возвращает данных. Назначение такой функции - выполнить определенный набор действий по управлению периферийными модулями МК или внешними устройствами. Соответственно и оператор return в последней строке отсутствует.