SAM4E单片机之旅——1、LED闪烁之空循环

最近因为导师要写一本关于SAME4单片机的书籍，而我也作为一个嵌入式的初学者看了这本书。现在也让我写写几个小的程序，做做示例。既然写了文档之类的，就发到博客上来吧。

目前关于这芯片能参考的书籍大概就只有英文手册了。用的板子是SAM4E16E。IDE用的是Atmel Studio。既然是学习单片机，就没有使用asf框架，而是直接采用访问寄存器的方法了。

第一个程序就是控制板子上一个LED灯的闪烁了。

一、电路

通过查看电路图，可以发现有一个蓝色的LED灯连接在PA0引脚上。我们可以通过改变PA0输出的电平实现LED灯的闪烁。

二、寄存器的访问和CMSIS

对单片机的操作需要通过对相关寄存器的访问来实现。比如，为调节PA0引脚上的电平，首先我们需要允许PIOA控制PA0引脚。通过查看寄存器说明可知，这只要向相应的PIO使能寄存器（PIO_PER）写入0x01就可以了。同时，也可以查到PIOA的PIO_PER被映射到地址0x400E0E00上了。所以通过如下代码就可以达到目的：

/* 假设 unsigned int长度为32位 */
unsigned int* PIOA_PER_p = (unsigned int*)0x400E0E00u;
(*PIOA_PER_p) = 0x01;

这样做非常繁琐，而且我们也不能保证unsigned int总是32位长。 而且当我们换一块开发板的时候，外设的寄存器地址可能会不同，导致移植起来十分困难。

所以CMSIS出现了。

ARM® Cortex™ 微控制器软件接口标准 (CMSIS) 是 Cortex-M 处理器系列的与供应商无关的硬件抽象层。CMSIS 可实现与处理器和外设之间的一致且简单的软件接口，从而简化软件的重用，缩短微控制器开发人员新手的学习过程，并缩短新设备的上市时间。

软件的创建是嵌入式产品行业的一个主要成本因素。通过跨所有 Cortex-M 芯片供应商产品将软件接口标准化（尤其是在创建新项目或将现有软件迁移到新设备时），可以大大降低成本。

《CMSIS到底是什么》介绍了大概介绍了CMSIS。在这里，我们可以使用它提供的微控制器专用头文件（我们这使用的就是sam.h了），这里提供里外设寄存器的定义，中断号码等：

#include <sam.h>
PIOA->PIO_PER = (uint32_t)0x01;

我们在以后的程序代码中也将使用CMSIS。

三、实现思路

PIO的引脚是复用的，但在这里我们直接使用PIO控制器控制引脚的电平就可以了。可以通过向PIO_SODR、PIO_CODR写入特定的值来直接控制引脚的电平。

然后，通过让程序执行一个次数较长的空循环就可以实现延时功能。

四、代码

实现较为简单，直接看代码就可以了（需要运行Debug模式下产生的代码）：

#include <sam.h>

int main(void)
{
	/* PIO控制器直接控制PA0引脚 */
	PIOA->PIO_PER = (uint32_t)0x01;
	/* PA0输出使能 */
	PIOA->PIO_OER = (uint32_t)0x01;
	/* PA0输出写使能 */
	PIOA->PIO_OWER = (uint32_t)0x01;

	while (1) {
		/* 设置PA0引脚为高电平，灯灭 */
		PIOA->PIO_SODR = (uint32_t)0x01;
		/* 延迟 */
		for (int i=0; i<1024*1024*2; ++i)
			;

		/* 设置PA0引脚为高电平，灯亮 */
		PIOA->PIO_CODR = (uint32_t)0x01;
		for (int i=0; i<1024*1024*2; ++i)
			;
	}
	return 0;
}

五、编译器优化的副作用

上面的示例代码中，通过空循环实现延迟的语句出现了两次。很自然的会想到要将这些语句提出成一个函数，甚至可以使用一个参数来大致控制延迟时间的长短：

void Delay(int num)
{
	for (int i = 0; i < 1024 * 1024 * num; ++i );
}

然后试着通过这个函数来进行延迟。很遗憾，再运行程序时我们发现LED会一直亮着，而不会闪烁。即使是在Debug模式下，编译器也把这个函数调用给优化掉。类似的情况也会出现不少，这给我们对程序的调试造成一定的不便。 原因是Atmel Studio默认的Debug配置中，使用了O1级别的优化，可以在项目属性中关闭它。

我们试着使用宏来实现这个“函数”：

#define Delay(num) \
	do{ \
		for (int i = 0; i < 1024 * 1024 * (num); ++i ); \
	}while(0)

再运行一下，很好，LED又开始闪烁了。

程序发布的时候，我们一般会使用Release模式生成代码。Atmel Studio使用的gcc编译器果然“不负众望”，把这个空循环语句直接优化掉了。

我们可以使用如下语句阻止编译器的优化：

for (int i = 0; i < 1024 * 1024 * num; ++i )
	asm ("");

或者使用volatile关键字：

for (volatile int i = 0; i < 1024 * 1024 * num; ++i ) ;