[Arduino][寄存器操作] 如何用寄存器制作自己的Serial.print()？

Question

（使用带有 PlatformIO IDE 和 Arduino UNO Rev. 3 的 VSCode，拥有 ATmega328P 微处理器）

嗨，我开始学习使用寄存器操作的嵌入式系统固件开发。 我的第一个目标是制作一个“Hello World”程序：

Serial.begin(9600);
Serial.print("Hello world");

但是直接设置寄存器值可以重现与上面代码相同的结果。

按照ATmega328P的USART部分，我开发：

#include <Arduino.h>

// USART initialization parameters
#define FOSC 8000000 // Clock speed

unsigned int UBRRnAsynchronousNormalMode(int desiredBaud){
  return (FOSC/(16*desiredBaud))-1;
}

void serialBegin(unsigned int UBRRn){
  // Setting baud rate
  UBRR0H = (unsigned char) (UBRRn>>8);
  UBRR0L = (unsigned char) UBRRn;

  // Defining frame format
  UCSR0C = (1<<USBS0) | (3<<UCSZ00);

  // Enabling transmiter
  UCSR0B = (1<<TXEN0) | (1<<RXEN0);
}

void serialPrint(unsigned char data){
  while(!(UCSR0A & (1<<UDRE0)));
  UDR0 = data;
}

void setup() {
  serialBegin(UBRRnAsynchronousNormalMode(9600));
  serialPrint('1');
}

串行监视器显示“Terminal on COM5 | 9600 8-N-1”，但我的打印结果是：

听起来像是一个常见的波特率差异问题，但据我了解，我将速率设置为 9600（与串行监视器指示的相同）。 我是否在代码中犯了错误，或者错过了重现 Serial.print() 的某些步骤？

Answer 1

在进行任何形式的编程时，了解类型的数值限制至关重要，尤其是在旧的 8 位 MCU 编程期间。

这个函数是错误的：

unsigned int UBRRnAsynchronousNormalMode(int desiredBaud){
  return (FOSC/(16*desiredBaud))-1;
}

FOSC 定义为

8000000

，该数字是一个“整数常量”，具有与其他所有数字一样的类型。 C 首先尝试看看是否可以使其输入

int

。但由于 AVR 有 16 位

int

，所以最大的数字是 65535。所以它尝试将其放入 32 位

long

，这是可以的。因此整数常量

8000000

的类型为

long

。

这意味着在 AVR 上，您的方程相当于

((long)FOSC/(16*desiredBaud))-1

。但这里

16

和

desiredBaud

都是 16 位

int

。并且

16 * 9600

= 153600，因此会出现整数溢出。

在评论中您描述

FOSC/16/desiredBaud

解决了问题。这是因为

/

运算符从左到右关联操作数，因此保证等同于

(FOSC/16)/desiredBaud

。在子表达式

FOSC/16

中，一个操作数是

long

。隐式类型提升发生在计算之前（请参阅隐式类型提升规则）。因此，它是在

long

上计算的，结果是

long

并且由于结果是

long

，“结果”/desiredBaud 也隐式提升为

long

。

那么实际要做什么来解决这个问题呢？遵循最佳实践：

• （嵌入式）系统永远不应使用“原始数据类型”，例如

  int

  或

  long

  。请使用

  stdint.h

  中的便携式类型。
• 嵌入式系统很少需要使用带符号的数字。然而，当与按位算术结合时，有符号操作数往往会导致很多问题，但正如所注意到的，它们也可能以未定义的方式溢出。例如

  1 << ...

  或

  1 >> ...

  总是危险的，因为

  1

  是

  int

  并且有符号。始终使用

  1u

  。
• 永远不要编写依赖于隐式类型提升的程序。显式强制转换作为自记录代码的一种方式并没有错，使用额外的括号来清除运算符优先级也没有错。
• （如果可能，请避免在 8 位微控制器上使用 32 位算术，因为它非常慢。但在这种特定情况下不起作用。）

代码可以重写为：

#include <stdint.h>

#define FOSC 8000000ul

uint16_t UBRRnAsynchronousNormalMode (uint32_t desiredBaud){
  return (FOSC / (16ul * desiredBaud)) - 1ul;
}