大家都認(rèn)為計(jì)算機(jī)可以做任何事，對(duì)我們的生活有巨大的作用，尤其是在學(xué)習(xí)單片機(jī)的過程中。學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)可以教會(huì)我們分析和解決問題，而學(xué)習(xí)單片機(jī)可以幫助我們更好地理解計(jì)算機(jī)如何根據(jù)我們的想法解決問題。本文帶你了解寄存器，它將伴隨學(xué)習(xí)單片機(jī)的全過程。寄存器是連接硬件和軟件的重要紐帶。計(jì)算機(jī)的任何功能都離不開寄存器。中央處理器也有寄存器。總線通信、通過注冊(cè)、內(nèi)存分頁等一切都基于寄存器。電子洞和多彩的計(jì)算機(jī)世界之間有更多的寄存器，如鏈接。它們看起來很復(fù)雜，但它們很清楚。即便所有的計(jì)算機(jī)一夜之間突然消失，人類也可以從電子管和打孔紙帶開始，一層一層地構(gòu)建計(jì)算機(jī)世界。我們所知道的只是這個(gè)龐大系統(tǒng)中的滄海一粟。

1.什么是寄存器

寄存器是CPU內(nèi)部的一種存儲(chǔ)器，分為通用寄存器和特殊功能寄存器(8086也細(xì)分為特殊功能寄存器)。通用寄存器，顧名思義是通用的。它們可以存儲(chǔ)操作數(shù)、運(yùn)算結(jié)果、內(nèi)存地址等數(shù)據(jù)，在用C語言編程時(shí)，編譯器一般負(fù)責(zé)安排通用寄存器的使用，無需直接聯(lián)系它們。特殊功能寄存器具有特定功能，其中一些作用于CPU，比如PC存放下一條指令的地址，SP記錄棧頂在內(nèi)存中的位置，其中一些與IO模塊相連，單片機(jī)程序通過這些寄存器控制各種外設(shè)。

圖1 寄存器

我們通常使用的單片機(jī)是atmega324pa，它的封裝種類很多，管腳數(shù)量不同，但通用輸入輸出(GPIO)管腳有32個(gè)。由于AVR架構(gòu)是8位字長(zhǎng)，因此CPU一次處理1位數(shù)據(jù)和8位數(shù)據(jù)所需的時(shí)間相同。32個(gè)引腳被組織成4個(gè)端口，即PA、Pb、PC和PD。在微型和微型微控制器的AVR架構(gòu)中，每個(gè)端口都有三個(gè)寄存器來控制數(shù)字信號(hào)IO，分別是portx、ddrx和PINX。這里的X是a、B、C或D。由于四個(gè)端口在數(shù)字IO方面是相同的，我們將它們組合起來。因此，對(duì)于每個(gè)引腳Pxn，有3個(gè)位，portxn、ddxn(不帶R)和pinxn，來控制其數(shù)字io。

ddxn控制引腳方向：ddxn為1時(shí)，輸出Pxn;當(dāng)ddxn為0時(shí)，輸入Pxn。

當(dāng)輸入Pxn時(shí)，如果portxn為1，則該引腳通過上拉電阻連接到VCC;否則，引腳懸空。

輸出Pxn時(shí)，若portxn為1，引腳輸出高電平;否則，引腳輸出低電平。

pinxn的值是Pxn引腳的電平。如果將1寫入pinxn，則portxn的值會(huì)翻轉(zhuǎn)。

寄存器還有很多細(xì)節(jié)，比如MCUCR寄存器中PUD位的作用、復(fù)位后寄存器的值、輸入/輸出切換的方法、讀取引腳電平的延遲、未連接引腳的處理方法等。

2.什么是單片機(jī)寄存器

寄存器是內(nèi)存階層中的最頂端，也是系統(tǒng)獲得操作資料的最快速途徑。寄存器通常都是以他們可以保存的位元數(shù)量來估量，舉例來說，一個(gè)“8位元寄存器”或“32位元寄存器”。寄存器現(xiàn)在都以寄存器檔案的方式來實(shí)作，但是他們也可能使用單獨(dú)的正反器、高速的核心內(nèi)存、薄膜內(nèi)存以及在數(shù)種機(jī)器上的其他方式來實(shí)作出來。寄存器通常都用來意指由一個(gè)指令之輸出或輸入可以直接索引到的暫存器群組。更適當(dāng)?shù)氖欠Q他們?yōu)?ldquo;架構(gòu)寄存器”。例如，x86指令集定義八個(gè)32位元寄存器的集合，但一個(gè)實(shí)作x86指令集的CPU可以包含比八個(gè)更多的寄存器。寄存器是CPU內(nèi)部的元件，寄存器擁有非常高的讀寫速度，所以在寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送非常快。

圖2 單片機(jī)寄存器

3.單片機(jī)寄存器的類型

3.1累加器A

累加器A是微處理器中使用最頻繁的寄存器。在算術(shù)和邏輯運(yùn)算時(shí)它有雙功能：運(yùn)算前，用于保存一個(gè)操作數(shù);運(yùn)算后，用于保存所得的和、差或邏輯運(yùn)算結(jié)果。

3.2數(shù)據(jù)寄存器DR

數(shù)據(jù)寄存器通過數(shù)據(jù)總線向存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備送(寫)或取(讀)數(shù)據(jù)的暫存單元。它可以保存一條正在譯碼的指令，也可以保存正在送往存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)等等。

3.3指令寄存器IR和指令譯碼器ID

指令包括操作碼和操作數(shù)。指令寄存器是用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把它從內(nèi)存中取到數(shù)據(jù)寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行給定的指令時(shí)，必須對(duì)操作碼進(jìn)行譯碼，以確定所要求的操作，指令譯碼器就是負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作的。其中，指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。

3.4程序計(jì)數(shù)器PC

PC用于確定下一條指令的地址，以保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去，因此通常又被稱為指令地址計(jì)數(shù)器。在程序開始執(zhí)行前必須將程序的第一條指令的內(nèi)存單元地址(即程序的首地址)送入PC，使它總是指向下一條要執(zhí)行指令的地址。

3.5地址寄存器AR

用來保存當(dāng)前CPU所訪問的內(nèi)存單元的地址。由于在內(nèi)存和CPU之間存在著操作速度上的差別，所以必須使用地址寄存器來保持地址信息，直到內(nèi)存的讀/寫操作完成為止址寄存器(Address Register,AR)用來保存當(dāng)前CPU所訪問的內(nèi)存單元的地址。由于在內(nèi)存和CPU之間存在著操作速度上的差別，所以必須使用地址寄存器來保持地址信息，直到內(nèi)存的讀/寫操作完成為止。數(shù)據(jù)寄存器DR用來暫存微處理器與存儲(chǔ)器或輸人/輸出接口電路之間待傳送的數(shù)據(jù)。地址寄存器AR和數(shù)據(jù)寄存器DR在微處理器的內(nèi)部總線和外部總線之間，還起著隔離和緩沖的作用。

4.單片機(jī)寄存器的使用教程

要使用寄存器，需要寫#include，然后就可以使用PORTA、DDRB、PINC等寄存器。它們是宏定義。不必探索它們是如何擴(kuò)展的。只需要知道這些宏是可以讀、賦值和位操作的，就像uint8_t類型變量一樣。但是像PORTA0SumDDB7宏定義這樣的東西并不代表寄存器上的位。它們實(shí)際上是字面常量，比如PORTAx寄存器表示寄存器PORTA的第x位(0為最低位，7為最高位)，其值為X。因此，直接復(fù)制這些宏是不正確的(不僅意思不對(duì)，編譯也不會(huì)通過)。

在開發(fā)板的庫函數(shù)中提供包含多個(gè)位操作的宏函數(shù)。可以拿出存儲(chǔ)器的手冊(cè)來，看看后面是怎么實(shí)現(xiàn)的。

讓我們舉個(gè)例子，點(diǎn)亮一個(gè)LED，首先打開紅色LED。原理圖第2頁左上角紅色LED通過電阻與網(wǎng)絡(luò)LED0相連，第1頁LED0與單片機(jī)PC4引腳相連，所以我們需要讓PC4腳輸出高電平。回到三個(gè)寄存器的功能。輸出高電平要求ddxn和portxn同時(shí)為1。我們把X和N分別用C和4取進(jìn)去，也就是我們希望ddc4和portc4為1。

如果寄存器的一個(gè)位置為1，則set_bit實(shí)現(xiàn)。它需要兩個(gè)參數(shù)，要操作的整數(shù)變量和表示第一個(gè)數(shù)字的整數(shù)。將ddc4設(shè)置為1應(yīng)該寫入set_bit(DDRC,4);4可以用DDC4替換，就是這樣定義的。同理，portc4可以設(shè)置為1。點(diǎn)亮紅色LED的整個(gè)過程如下：

接下來是存儲(chǔ)器的數(shù)字輸入。使用第一個(gè)按鍵相關(guān)的例子，保持LED狀態(tài)與按鍵一致，即按下點(diǎn)亮。

要讀取寄存器中的一位，可以使用read_bit。如果引腳上的電平為高電平，則read_bit的運(yùn)算結(jié)果不為0(但不一定是布爾值1)。注意按鍵時(shí)引腳電平是低的，所以讀取引腳電平的結(jié)果是你是否按下該鍵。

原理圖中，key的一端接btn0網(wǎng)絡(luò)，再接單片機(jī)的PA4引腳。所以按鍵是否按下應(yīng)該寫成：!read_bit(PINA,4)。

引腳應(yīng)在讀取前配置為輸入。雖然是reset后默認(rèn)輸入的，在這個(gè)例子中沒有必要給dda4寫0，但是寫清楚是一個(gè)好習(xí)慣，讓看這段代碼的人(可能是別人也可能是自己)明白PA4是輸入。對(duì)于porta4，由于該引腳外接了上拉電阻，因此無需使能內(nèi)部上拉電阻。

結(jié)合按鍵動(dòng)作的知識(shí)，應(yīng)該知道如何直接通過寄存器操作來判斷按鍵動(dòng)作。值得注意的是，這些程序都不需要在項(xiàng)目屬性中將libee1庫添加到鏈接器。雖然代碼使用，但它們都是宏定義，獨(dú)立于鏈接器。

5.關(guān)于單片機(jī)寄存器的常見問題

5.1什么是單片機(jī)寄存器?

簡(jiǎn)單地說，寄存器是一種內(nèi)存。通常寄存器位于 CPU 或 MCU(微控制器)內(nèi)，非常靠近算術(shù)單元或直接連接到各種 I/O 端口。由于這個(gè)位置或特殊設(shè)計(jì)，與其他類型的存儲(chǔ)器相比，寄存器在讀/寫速度方面要快得多。

5.2單片機(jī)寄存器有什么作用?

寄存器的單片機(jī)(計(jì)算機(jī))的存儲(chǔ)單元,是存取數(shù)據(jù)較為方便、快速地方寄存器常用于存放使用比較頻繁的數(shù)據(jù),再參與運(yùn)算,都很容易。

5.3哪些計(jì)算機(jī)使用單芯片處理器?

單芯片云計(jì)算機(jī)(SCC) 是英特爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種實(shí)驗(yàn)性微處理器，SCC 微處理器包括集成在單個(gè)硅芯片上的 48 個(gè)內(nèi)核，SCC 具有雙核 SCC 磁貼、內(nèi)存控制器和 24 路由器網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

5.4什么是單芯片CPU?

大部分微機(jī)的ALU和控制單元都是在一塊硅片上組合制造的。大多數(shù)現(xiàn)代 CPU 都是微處理器，這意味著它們包含在單個(gè)集成電路 (IC) 芯片中。

以上就是單片機(jī)的寄存器類型及操作教程的介紹了，單片機(jī)一種集成電路芯片，廣泛用于各大行業(yè)中。單片機(jī)寄存器其實(shí)就相當(dāng)于一個(gè)變量，只不過這個(gè)變量在固定的地址，有一個(gè)特殊的名稱(當(dāng)然也不強(qiáng)制)。初學(xué)者對(duì)寄存器的操作比較困難的原因不是匯編語言或C語言使用的不熟，而是對(duì)寄存器的陌生。單片機(jī)中存儲(chǔ)器的資源是非常寶貴和有限的，任何產(chǎn)品都有使用說明書，要想最好的使用一款產(chǎn)品也是去閱讀說明書。單片機(jī)或者芯片的說明書就是數(shù)據(jù)手冊(cè)。數(shù)據(jù)手冊(cè)中往往都是對(duì)寄存器如何操作的描述，只不過要耐下心來一點(diǎn)一點(diǎn)的去理解去消化手冊(cè)所介紹的功能，這樣才能用好。
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