Register

Typischerweise ist das Register eines der Bestandteile eines Mikrocontrollers, die ein Anfänger nur mühsam versteht. Im Umgang mit Mikrocontrollern ist es jedoch unumgänglich diese Komponente zu kennen. Auch für die weitere Arbeit mit diesem Buch ist der Leser dazu angehalten, sich das Konzept des Registers anzueignen. Daher wird es im nun folgenden Text auf eine möglichst verständliche Weise erklärt, sodass auch ein Anfänger ein Gespür für das Register bekommt.

Tasten eines Kassettenrekorders

Ein Register ähnelt einem Panel von Tasten eines Haushaltsgerätes. Es verfügt über Schalter, die ein- und ausgeschaltet werden können. Das beste Beispiel hierfür ist ein Kassettenrekorder. Zur Erinnerung, ein Kassettenrekorder verfügt über 6 Tasten von links nach rechts:

• Aufnahme
• Zurückspulen
• Abspielen
• Vorspulen
• Stopp
• Pause

Jede Taste führt eine Funktion aus, jedoch nur wenn sie auch korrekt verwendet wird. So macht die Stopp-Taste solange nichts, bis die Kassette abgespielt wird. Erst dann kann die Funktion ausgeführt werden und die Wiedergabe wird gestoppt. Dagegen können Vorlauf- und Rückspultasten zu jeder Zeit betätigt werden, denn die Kassette kann in beide Richtungen gespult werden, unabhängig davon ob sie gerade abgespielt wird oder nicht. Die Aufnahmetaste startet nur dann eine Aufnahme, wenn sowohl die Abspielen- als auch die Aufnahmetaste zeitgleich gedrückt werden. Eventuell hat mancher einmal versucht, mehrere oder alle Tasten auf einmal zu betätigen. Dieses hat vermutlich eine unerwartete Funktion des Kassettenrekorders ausgelöst oder ihn sogar beschädigt.

Die Register von Mikrocontrollern verhalten sich wie Tasten eines Kassettenrekorders – jede Taste führt eine Funktion aus, wenn sie korrekt verwendet wird. Werden die falschen Tasten betätigt, wird der Mikrocontroller in der Regel nicht direkt beschädigt, aber er wird nicht funktionieren. Tatsächlich gibt es keine Tasten im Register sondern stattdessen eine Vielzahl von Transistoren, welche die Stromversorgung ein- und ausschalten. Einfachere Mikrocontroller haben 8 transistorbasierte Schalter in einem einzigen Register. Unter einem Register kann man sich eine 8-Bit Zahlenfolge vorstellen, wobei jedes Bit durch den Status eines dieser Schalter gekennzeichnet wird. Zum Beispiel kann ein Bit-Wert von 1 bedeuten, dass der Schalter an ist, ein Wert von 0 hieße dann, dass er aus ist.

“Tasten” des Registers und Bitwerte

Da der Status eines Registerschalters einfach durch eine Nummer abgebildet werden kann, lässt sich ein Register mit einem Speicher vergleichen, der Daten in Form genau einer Zahl speichern kann. Durch diesen Vergleich wird deutlich, dass Register tatsächlich Speicherslots sind. Der Unterschied zwischen einem Register und einem Speicherslot besteht darin, dass letzterer lediglich Informationen speichert, während die Informationen in einem Register tatsächlich etwas steuern. So sorgt zum Beispiel der Binärwert 01100001 in einem Register dafür, dass drei imaginäre Tasten betätigt werden wodurch eine Funktion ausgelöst wird.

Während es bei einem Kassettenrekorder möglich ist, jeden Knopf einzeln zu betätigen, ergeben sich bei einem Register Schwierigkeiten, wenn nur der Wert eines Schalters oder Bits geändert werden soll. Hier ist es gewöhnlich notwendig, den gesamten Inhalt der Registers zu ändern. Bevor jedoch detaillierter auf die Thematik der Bit-Veränderung eingegangen wird, muss zunächst klargestellt werden, dass ein Mikrocontroller mehrere Register enthält. Die Vielzahl der Register führt dazu, dass diese voneinander unterscheidbar gemacht werden müssen, was durch Kennzeichnung mit einem Namen geschieht, wie zum Beispiel „PORTB“. Hierdurch wird dem Entwickler die Arbeit erleichtert, da jedem Namen auch eine eigene numerische Adresse zugewiesen wird.

Zur Programmierung eines Registers oder auch dazu, um Werte aus diesem abzulesen muss er als Variable in C deklariert werden. Das folgende Beispiel veranschaulicht, wie ein Binärwert einem imaginären Register REG zugewiesen wird und dann in der Variable reg abgelegt wird. Binärwerte werden an einem vorangestellten 0b (leading zero) erkannt, sodass der Compiler das binäre Zahlensystem erkennt.

  REG = 0b01100001;
  unsigned char reg = REG;

Die Schwierigkeit liegt nicht darin, Registerwerte zu schreiben und auszulesen, sondern vielmehr darin, ein einzelnes Bit zu verändern. Hierzu sind Kenntnisse der Binärmathematik sowie im Gebrauch diverser Zahlensysteme notwendig. Es ist auch möglich, nur mit Binärzahlen zu arbeiten. Da diese aufgrund ihrer Länge die Programmierarbeit jedoch erschweren können, verwenden die meisten Programmierer die kürzeren Hexadezimalzahlen.

Hexadezimalzahlen

Im Hexadezimalsystem gibt es nicht nur die Ziffern 0 und 1 wie im binären System oder 0 bis 9 gemäß dem Dezimalsystem, sondern stattdessen 0 bis F. Eine Hexadezimalzahl besteht aus vier Bits. Die Abbildung auf der rechten Seite veranschaulicht die Binärzahlen und deren zugehörige Hexadezimalwerte. Binärzahlen werden in Hexadezimalzahlen umgewandelt indem vier Bits zugleich, beginnend bei dem niedrigsten, gelesen werden. Die Bitfolge wird von links nach rechts gelesen und startet bei 0. So ist zum Beispiel das niederwertigste Bit (an Stelle 0) 0 und das mit dem höchsten Wert (an Stelle 3) 1. Im vorangehenden Beispiel ist der Binärwert der Registers 01100001, der im Hexadezimalsystem 61 entspricht und in C als 0x61 (leading zero) geschrieben wird.

Um einzelne Bits innerhalb einer Zahl zu verändern (Register, Variable oder ähnliches) müssen Binäroperationen angewandt werden. Binäroperationen sind Vorgänge zwischen zwei Binärzahlen, wobei jedes Bit der Zahlen durch eine eigene logische Operation abgebildet wird. Mikrocontroller unterstützen generell vier unterschiedliche Binäroperationen. Der folgende Abschnitt beschreibt die logische Operation hinter diesen vier Binäroperationen mit einzelnen sowie mehreren Bits.

Negation, logische Multiplikation, logische Addition und exklusive Disjunktion

• Negation / Inversion
  Eine Negation kehrt den Wert eines Bits in das jeweilige Gegenteil um. So wird aus einer 0 eine 1 und umgekehrt. In C wird eine Negation durch “~” vorgenommen.
• Logische Multiplikation / Konjunktion
  Bei der Multiplikation zweier Bits ist das Ergebnis 1 für den Fall, dass beide Bits den Wert 1 besitzen, ansonsten 0. Eine Logische Multiplikation wird in C durch “&” dargestellt.
• Logische Addition / Disjunktion
  Eine Addition von zwei Bits ergibt 1 wenn zumindest eines der Bits den Wert 1 hat und 0 wenn beide Bits den Wert 0 haben. In C kennzeichnet “|” die Logische Addition.
• Exklusive Disjunktion / Exklusives ODER / XOR
  Das Ergebnis einer Exklusiven ODER Operation ist 1 bei zwei unterschiedlichen Bits (also wenn ein Bit den Wert 1 besitzt, das andere den Wert 0), ansonsten 0. Eine Exklusive Disjunktion wird in C durch “^” dargestellt.

Man benötigt nicht mehr als diese vier Operationen, um einzelne Bits zu ändern. Da die Theorie allein vermutlich nicht ausreichen mag, enthalten die folgenden Abschnitte einige Anwendungsbeispiele.

Ein einzelnes Bit “high” setzen

Um einzelne oder mehrere Bits in einem Register “high” zu setzen (1) muss eine logische Addition durchgeführt werden. Hierfür muss ein Operand das Register sein und ein anderer die Binärzahl, wobei das einzige „high“ Bit jenes ist, was ein einem Register „high“ gesetzt werden muss. Diese Binärzahl wird Bitmaske genannt. Nachfolgend ist der C-Code für diese Operation abgebildet:

  // Annahme REG = 0x0F
  REG = REG | 0x11; // Erste Methode
  REG |= 0x11;      // Zweite Methode
  // Ergebnis REG = 0x1F

Ein einzelnes Bit “low” setzen

Um einzelne oder mehrere Bits in einem Register “low“ zu setzen (0) ist eine logische Multiplikation nötig. Dabei muss ein Operand das Register und ein weiterer eine Bitmaske sein, in welcher das einzige low-Bit jenes ist, welches im Register „low“ gesetzt werden soll.

  // Annahme REG = 0x0F
  REG = REG & 0xFE; // Erste Methode
  REG &= 0xFE;      // Zweite Methode
  // Ergebnis REG = 0x0E

in einzelnes Bit invertieren

Zum Invertieren einzelner oder mehrerer Bits eines Registers muss eine Exklusive Disjunktion angewandt werden. Hierzu ist ein Operand das Register, der andere muss eine Bitmaske sein, in der das einzige high Bit jenes ist, welches invertiert werden soll. Der C-Code für diese Operation ist unten abgebildet:

  // Annahme REG = 0x0F
  REG = REG ^ 0x11; // Erste Methode
  REG ^= 0x11;      // Zweite Methode (nur eine pro Inversion verwenden)
  // Ergebnis REG = 0x1E

Invertieren aller Bits

Durch die Negationsoperation werden sämtliche Bits eines Register invertiert. Diese Operation besteht aus nur einen Operanden und ist daher unär. Der hierfür benötigte C-Code ist unten abgebildet:

  // Annahme REG = 0x0F
  REG = ~REG;
  // Ergebnis REG = 0xF0

Den Wert eines Bits auslesen

Sollen ein oder mehrere Bits aus einem Register gelesen werden muss ebenfalls die logische Multiplikation angewandt werden. Einer der Operanden ist das Register, der zweite eine Bitmaske, in welcher das einzige high-Bit jenes ist, welches aus dem Register gelesen werden soll. Unten ist der C-Code für diesen Vorgang dargestellt.

  // Annahme REG = 0x0F
  unsigned char x = REG & 0x01;
  // Ergebnis x = 0x01

Viele Programmiersprachen verfügen mittlerweile über einige zusätzliche Bitoperationen, was die Programmierarbeit erleichtert. Hierzu gehören die Operationen, welche die Bits einer Binärzahl nach rechts oder links verschieben. Im Umgang mit Registern liegt der größte Vorteil dieser Operationen darin, dass Bitfolgen zu Bitmasken konvertiert werden können und umgekehrt.

Linksshift

Das Bild auf der rechten Seite zeigt einen Linksshift. Auch wenn ein Bitshift keine logische Operation darstellt und kein zugehöriges Symbol hat, wird diese Operation in C mit “«” gekennzeichnet. Eine Linksshiftoperation wird genutzt, um eine Bitfolge in eine Bitmaske umzuwandeln. Um beispielsweise die Maske für das sechste Bit (Rang 5) zu erhalten, muss das erste Bit um fünf Stellen nach links verschoben werden. In C wird diese Operation wie folgt geschrieben:

REG = 0x01 << 5;
// Ergebnis REG = 0x20

Rechtsshift

Der Rechtsshift funktioniert auf die gleiche Weise und wird in C durch “»” dargestellt. Rechtsshiftoperationen dienen dazu, den logischen Wert eines Bits aus der Bitmaske zu erhalten. An einem vorherigen Beispiel wurde bereits gezeigt, wie der Wert eines einzelnen Bits gelesen werden konnte. Ist dieses Bit nun nicht das niederwertigste, sondern zum Beispiel eines mit dem Rang 5, wäre das Ergebnis entweder 0x20 oder 0x00. Allerdings wird manchmal ein Ergebnis von 1 oder 0 benötigt und genau hier kommt die Rechtsshiftoperation zur Anwendung. Der Rechtsshift aus dem Beispiel rechts sieht in C folgendermaßen aus:

// Annahme REG = 0x20
unsigned char x = REG >> 5;
// Ergebnis x = 0x01 (or simply 1)

Wird durch diese Operationen ein Bit vom niedrigsten Rang nach rechts oder vom höchsten Rang nach links verschoben, verschwindet es. Einige Programmiersprachen verfügen jedoch über rotierende Bitshiftoperationen, bei denen ein Bit nicht verschwindet, sondern vom niedrigsten zum höchsten Rang wandert oder umgekehrt. In C gibt es diese Operationen nicht, sie können jedoch bei Bedarf vom Programmierer selbst geschrieben werden.

Sämtliche Bitoperationen sind nicht nur mit Registern durchführbar, sondern auch mit Variablen und Konstanten. Letztere können jedoch ausschließlich als Operanden, nicht als Ergebnis genutzt werden.

Um tatsächlich mit dem Register eines Mikrocontrollers zu arbeiten, ist es notwendig zu wissen, wie dieser spezielle Mikrocontroller verwendet wird. Zu jedem Mikrocontroller gibt es ein oder mehrere Datenblätter, welche seine Struktur und Funktionalität beschreiben. Dieses Datenblatt enthält auch Informationen über die Register. Der folgende Abschnitt dient dazu, die Registerbeschreibungen der AVR Datenblätter zu verstehen.

Eines der AVR Register, Datenblattansicht

Die Abbildung zeigt das UCSRnA Register des ATmega128. UCSRnA bezeichnet „USART Control and Status Register A“. Dieses Register wird verwendet um das USART Modul der AVR Mikrocontroller zu konfigurieren und deren Status auszulesen. Sämtliche AVR Registernamen werden in Großbuchstaben geschrieben, jedoch enthält der Name auch ein kleines n, welches den Index des Moduls kennzeichnet. Der ATmega128 verfügt über zwei nahezu identische USCART Module, die jedoch nicht getrennt beschrieben werden, sodass der Nutzer das n als 0 oder 1 lesen muss. Aus diesem Grund hat der ATmega128 die Register USCR0A und UCSR1A.

Der Inhalt des Registers wird durch eine Box mit 8 Feldern und einem dicken schwarzen Rahmen dargestellt. Jedes Feld steht hier für ein Bit. Die Bitränge sind oberhalb der Box abgebildet – von links nach rechts ansteigend. Da der AVR ein 8-Bit Mikrocontroller ist, haben auch die meisten seiner Register 8-Bit. Es gibt auch Ausnahmen, so sind einige Register 16-Bit groß, aber tatsächlich bestehen sie aus zwei 8-Bit Registern. So wie jedes Register einen Namen hat, hat auch jedes Bit innerhalb des Registers einen Namen – so wie die Tasten an einem Kassettenrekorder. Jedes Bit wird im Datenblatt beschrieben. Wie Registernamen sind Bitnamen ebenfalls Abkürzungen und das kleine n entspricht jeweils dem Modulindex. Einige Register nutzen weniger als 8 Bit, in diesem Fall ist das Feld eines solchen Bits mit einem Trennstrich markiert.

Unterhalb der Bits des Registers finden sich im Datenblatt zwei Zeilen. Die erste gibt an, ob das Bit lesbar (R), beschreibbar (W) oder beides (R/W) ist. Kann beispielsweise der Status eines Bits nicht überschrieben werden, so bleibt das Bit unverändert, auch wenn das mit dem Programm versucht wurde. Durch Auslesen eines beschreibbaren Bits wird stets ein spezifischer Wert ausgegeben, der im Datenblatt angegeben ist. In der zweiten Zeile wird der Standardwert dargestellt, den das Bit nach dem Reset des Mikrocontrollers hat.

Während die AVR Registernamen auf eine tatsächliche Adresse im Speicher verweist, enthalten Bitnamen den Rang und das zugehörige Bit. Daher ist eine Transformation der Namen zu Bitmasken mit einer Shiftoperation notwendig, wenn man mit Bits in einem Register arbeiten will. Der folgende Code zeit einige Beispielzeilen für die Nutzung des USART 0 Modul Registers.

  // Setze TXC0 Bit high
  UCSR0A |= (1 << TXC0);
 
  // Setze U2X0 Bit low
  UCSR0A &= ~(1 << U2X0);
 
  // Lies den Wert aus UDRE0 Bit(Maske)
  unsigned char u = (UCSR0A & (1 << UDRE0));
 
  // An dieser Stelle ist der Wert entweder 0 oder 32,
  // wodurch die Nutzung in einer logischen Operation aktiviert wird
  if (u)
  {
     // Invertiere MPCM0 Bit
     UCSR0A ^= (1 << MPCM0);
  }
 
  // Manchmal ist es notwendig einen spezifischen 1 oder 0 Wert zu erhalten
  // Dazu muss das Bit nach rechts verschoben werden
  u >>= UDRE0;
 
  // Nun ist der Wert entweder 0 oder 1