Управление портами в AVR GCC. Регистры DDRx и PORTx.
Представление чисел. Побитные операции.
Функция задержки. Безусловный переход в программе.
Порты микроконтроллера - это устройства ввода/вывода, позволяющие микроконтроллеру передавать или принимать данные. Стандартный порт микроконтроллера AVR имеет восемь разрядов данных, которые могут передаваться или приниматься параллельно. Каждому разряду (или биту) соответствует вывод (ножка) микроконтроллера. Ножки микроконтроллера также называют пинами. Для обозначения портов используются латинские буквы А, В, С и т.д. Количество портов ввода/вывода варьируется в зависимости от модели микроконтроллера.
Любой порт микроконтроллера можно сконфигурировать как вход или как выход. Для того чтобы это сделать, следует записать в соответствующий порту регистр DDRx необходимое значение. Кроме того, как вход или выход можно сконфигурировать отдельно любой вывод (пин) порта. В любом случае, хотите вы сконфигурировать весь порт или отдельный вывод, вам необходимо будет работать с ригистрами DDRx.
DDRx - регистр направления передачи данных. Этот регистр определяет, является тот или иной вывод порта входом или выходом. Если некоторый разряд регистра DDRx содержит логическую единицу, то соответствующий вывод порта сконфигурирован как выход, в противном случае - как вход. Буква x в данном случае должна обозначать имя порта, с которым вы работаете. Таким образом, для порта A это будет регистр DDRA, для порта B - регистр DDRB и т. д.
Используя AVR GCC , записать в необходимый регистр то или иное значение можно одним из следующих способов.
Для всего порта сразу.
DDRD = 0xff;
Все выводы порта D будут сконфигурированы как выходы.
0xff - шестнадцатиричное представление числа ff, где 0x является префиксом, используемым для записи шестнадцатиричных чисел. В десятичном представлении это будет число 255, а в двоичном виде оно будет выглядеть как 11111111. То есть во всех битах регистра DDRD будут записаны логические единицы.
В AVR GCC для представления двоичных чисел используется префикс 0b. Таким образом, число 11111111 должно представляться в программе как 0b11111111. Мы можем записать предыдущую команду в более читабельном виде.
DDRD = 0b11111111;
Хотя такая запись и выглядит более наглядной, при конфигурировании портов принято использовать шестнадцатиричное представление чисел.
Для того чтобы сконфигурировать все выводы порта D как входы, следует записать во все биты регистра DDRD логические нули.
DDRD = 0x00;
В регистр DDRD можно записать и другие числа. Например:
DDRD = 0xb3;
0xb3 - шестнадцатиричное представление числа 179. В двоичном виде оно будет выглядеть как 10110011. То есть часть выводов порта D будет сконфигурирована как выходы, а часть - как входы.
PD0 - 1 (выход)
PD1 - 1 (выход)
PD2 - 0 (вход)
PD3 - 0 (вход)
PD4 - 1 (выход)
PD5 - 1 (выход)
PD6 - 0 (вход)
PD7 - 1 (выход)
Чтобы сконфигурировать отдельно вывод PD2 как вход, нам необходимо в соответствующий бит регистра DDRD записать 0. Для этого применяют следующую конструкцию.
DDRD &= ~(1
В данном случае результат сдвига единицы на две позиции влево инвертируется с помощью операции побитного инвертирования, обозначаемой значком "~
".
При инверсии мы получаем вместо нулей единички, а вместо единичек - нули. Эта логическая операция иначе называется операцией НЕ (английское название NOT).
Таким образом, при побитном инвертировании 00000100 мы получаем 11111011. (Подробнее о работе с числами в микроконтроллере см. во врезке ниже.)
Получившееся число с помощью операции побитного логического умножения & умножается на число, хранящееся в регистре DDRD, и результат записывается в регистр DDRD.
При логическом умножении 0*0=0, 0*1=0, 1*1=1 . Операцию логического умножения иначе называют операцией И (английское название AND).
То есть сдвинутая нами влево на две позиции единичка превращается при инвертировании в ноль и умножается на соответствующий бит, хранящийся в регистре DDRD. При умножении на ноль мы получаем ноль. Таким образом, бит PD2 становится равным нулю.
После того как направление передачи данных у порта сконфигурировано, можно присвоить порту значение, которое будет храниться в соответствующем регистре PORTx
.
PORTx - регистр порта, где x обозначает имя порта.
Если вывод сконфигурирован как выход, то единичка в соответствующем бите регистра PORTx формирует на выводе сигнал высокого уровня, а ноль - сигнал низкого уровня.
Если же вывод сконфигурирован как вход, то единичка в соответствующем бите регистра PORTx подключает к выводу внутренний подтягивающий pull-up резистор, который обеспечивает высокий уровень на входе при отсутствии внешнего сигнала.
Установить "1" на всех выводах порта D можно следующим образом.
PORTD = 0xff;
А установить "0" на всех выводах порта D можно так.
PORTD = 0x00;
К каждому биту регистров PORTx можно обращаться и по отдельности так же, как в случае с регистрами DDRx.
Например, команда
PORTD |= 1
установит "1" (сигнал высокого уровня) на выводе PD3.
PORTD &= ~(1
установит "0" (сигнал низкого уровня) на выводе PD4.
В AVR GCC сдвиг можно осуществлять и с помощью функции _BV() , которая выполняет поразрядный сдвиг и вставляет результат в компилируемый код.
В случае использования функции _BV() две предыдущие команды будут выглядеть следующим образом.
PORTD |= _BV(PD3); // установить "1" на линии 3 порта D
PORTD &= ~_BV(PD4); // установить "0" на линии 4 порта D
В зависимости от способа подключения светодиод будет загораться либо от сигнала высокого уровня, подаваемого на вывод PD1 микроконтроллера, как в первом случае, либо от сигнала низкого уровня в случае подключения, изображенного на втором рисунке.
/*************************************************************************
ПРИМЕР ВКЛЮЧЕНИЯ СВЕТОДИОДА СИГНАЛОМ ВЫСОКОГО УРОВНЯ
Пример подключения на рисунке 1
**************************************************************************/
#include
Теперь попробуем мигнуть светодиодом, подключенным так, как это изображено на левом рисунке. Для этого используем функцию задержки _delay_ms().
Функция _delay_ms() формирует задержку в зависимости от передаваемого ей аргумента, выраженного в миллисекундах (в одной секунде 1000 миллисекунд). Максимальная задержка может достигать 262.14 миллисекунд. Если пользователь передаст функции значение более 262.14, то произойдет автоматическое уменьшение разрешения до 1/10 миллисекунды, что обеспечивает задержки до 6.5535 секунд. (О формировании более длительных задержек можно прочитать в статье .)
Функция _delay_ms() содержится в файле delay.h, поэтому нам будет необходимо подключить этот файл к программе. Кроме того, для нормальной работы этой функции необходимо указать частоту, на которой работает микроконтроллер, в герцах.
/*************************************
ПРИМЕР МИГАНИЯ СВЕТОДИОДОМ
Пример подключения на рисунке 1
**************************************/
#define F_CPU 1000000UL
#include
Серия миганий светодиодом будет очень короткой. Для того чтобы сделать мигание непрерывным, можно организовать бесконечный цикл с помощью оператора безусловного перехода "goto". Оператор goto осуществляет переход к месту программы, обозначенному меткой. Имя метки не должно содержать пробелов. После имени метки ставится знак двоеточия. Между именем метки и двоеточием не должно быть пробелов.
/*******************************************************
ПРИМЕР БЕСКОНЕЧНОГО МИГАНИЯ СВЕТОДИОДОМ
Пример подключения на рисунке 1
********************************************************/
#define F_CPU 1000000UL
// указываем частоту в герцах
#include
Введение
Все порты ввода-вывода (ПВВ) AVR-микроконтроллеров работают по принципу чтение-модификация-запись при использовании их в качестве портов универсального ввода-вывода. Это означает, что изменение направления ввода-вывода одной линии порта командами SBI и CBI будет происходит без ложных изменений направления ввода-вывода других линий порта. Данное распространяется также и на изменение логического уровня (если линия порта настроена на вывод) или на включение/отключение подтягивающих резисторов (если линия настроена на ввод). Каждый выходной буфер имеет симметричную характеристику управления с высоким втекающим и вытекающим выходными токами. Выходной драйвер обладает нагрузочной способностью, которая позволяет непосредственно управлять светодиодными индикаторами. Ко всем линиям портов может быть подключен индивидуальный выборочный подтягивающий к плюсу питания резистор, сопротивление которого не зависит от напряжения питания. На всех линиях ПВВ установлены защитные диоды, которые подключены к VCC и Общему (GND), как показано на рисунке 29. Подробный перечень параметров ПВВ приведен в разделе "Электрические характеристики".
Рисунок 29 – Эквивалентная схема линии ПВВ
Ссылки на регистры и биты регистров в данном разделе даны в общей форме. При этом, символ “x” заменяет наименование ПВВ, а символ “n” заменяет номер разряда ПВВ. Однако при составлении программы необходимо использовать точную форму записи. Например, PORTB3, означающий разряд 3 порта B, в данном документе записывается как PORTxn. Адреса физических регистров ввода-вывода и распределение их разрядов приведены в разделе “Описание регистров портов ввода-вывода".
Для каждого порта ввода-вывода в памяти ввода-вывода зарезервировано три ячейки: одна под регистр данных – PORTx, другая под регистр направления данных – DDRx и третья под состояние входов порта – PINx. Ячейка, хранящая состояние на входах портов, доступна только для чтения, а регистры данных и направления данных имеют двунаправленный доступ. Кроме того, установка бита выключения подтягивающих резисторов PUD регистра SFIOR отключает функцию подтягивания на всех выводах всех портов.
Ниже приведено описание порта ввода-вывода для универсального цифрового ввода-вывода. Большинство выводов портов поддерживают альтернативные функции встроенных периферийных устройств микроконтроллера. Описание альтернативных функций приведено далее в подразделе “Альтернативные функции порта” (см. также описание функций соответствующих периферийных модулей).
Обратите внимание, что для некоторых портов разрешение альтернативных функций некоторых выводов делает невозможным использование других выводов для универсального цифрового ввода-вывода.
Порты в качестве универсального цифрового ввода-вывода
Все порты являются двунаправленными портами ввода-вывода с опциональными подтягивающими резисторами. Рисунок 30 иллюстрирует функциональную схему одной линии порта ввода-вывода, обозначенный как Pxn.
Рисунок 30 – Организация универсального цифрового ввода-вывода (1)
Прим. 1: Сигналы WPx, WDx, RRx, RPx и RDx являются общими в пределах одного порта. Сигналы clkI/O, SLEEP, и PUD являются общими для всех портов.
Настройка выводов
Режим и состояние для каждого вывода определяется значением соответствующих разрядов трех регистров: DDxn, PORTxn и PINxn. Как показано в “Описании регистров портов ввода-вывода” доступ к битам DDxn возможен по адресу DDRx в пространстве ввода-вывода и, соответственно, к битам PORTxn по адресу PORTx, а к битам PINxn по адресу PINx.
Биты DDxn регистра DDRx определяют направленность линии ввода-вывода. Если DDxn = 1, то Pxn конфигурируется на вывод. Если DDxn=0, то Pxn конфигурируется на ввод.
Если PORTxn = 1 при конфигурации линии порта на ввод, то разрешается подключение подтягивающего резистора. Для выключения данного резистора необходимо записать в PORTxn лог. 0 или настроить линию порта на вывод. Во время сброса все линии портов находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии, даже если не работает синхронизация.
Если PORTxn = 1 при конфигурации линии порта на вывод, то состояние выхода будет определяться значением PORTxn.
Поскольку одновременная запись в регистры DDRx и PORTx невозможна, то при переключении между третьим состоянием ({DDxn, PORTxn} = 0b00) и выводом лог. 1 ({DDxn, PORTxn} = 0b11) должно возникнуть промежуточное состояние или с подключенным подтягивающим резистором ({DDxn, PORTxn} = 0b01) или с выводом лог. 0 ({DDxn, PORTxn} = 0b10). Как правило, переход через состояние с подключением подтягивающего резистора эквивалентно состоянию вывода лог.1, если вывод микроконтроллера связан с высокоимпедансным входом. В противном случае, необходимо установить бит PUD регистра SFIOR для выключения всех подтягивающих резисторов на всех портах
Переключение между вводом с подтягивающими резисторами и выводом низкого уровня связано с аналогичной проблемой. Поэтому, пользователь вынужден использовать или третье состояние ({DDxn, PORTxn} = 0b00) или вывод лог. 1 ({DDxn, PORTxn} = 0b11) в качестве промежуточного шага.
В таблице 25 подытоживается действие управляющих сигналов на состояние вывода.
Таблица 25 – Настройка вывода порта
| DDxn | PORTxn | PUD (в SFIOR) | Ввод-вывод | Подтягивающий резистор | Комментарий |
| 0 | 0 | X | Ввод | Нет | |
| 0 | 1 | 0 | Ввод | Да | Pxn будет источником тока при подаче внешнего низкого уровня |
| 0 | 1 | 1 | Ввод | Нет | Третье состояние (Z-состояние) |
| 1 | 0 | X | Вывод | Нет | Вывод лог. 0 (втекающий ток) |
| 1 | 1 | X | Вывод | Нет | Вывод лог. 1 (вытекающий ток) |
Считывание состояние вывода
Независимо от значения бита направления данных DDxn состояние вывода порта может быть опрошено через регистровый бит PINxn. Как показано на рисунке 30 регистровый бит PINxn и предшествующая ему триггерная защелка составляют синхронизатор. Данный подход позволяет избежать метастабильности, если изменение состояния на выводе произошло около фронта внутренней синхронизации. Однако такой подход связан с возникновением задержки. На рисунке 31 представлена временная диаграмма синхронизации во время опроса внешне приложенного к выводу уровня. Длительности минимальной и максимальной задержек на распространение сигнала обозначены как tpd,max и tpd,min, соответственно.
Рисунок 31 – Синхронизация во время опроса приложенного к выводу порта уровня
В следующих примерах показано как установить на линиях 0 и 1 порта В уровень лог. 1, а на линиях 2 и 3 – лог. 0, а также как настроить линии 4…7 на ввод с подключением подтягивающих резисторов на линиях 6 и 7. Результирующее состояние линий считываются обратно, но, с учетом сказанного выше, включена инструкция nop для обеспечения возможности обратного считывания только что назначенного состояния некоторых выводов.
Пример кода на Ассемблере (1)
...
; Разрешаем подтягивание и устанавливаем высокие выходные уровни; Определяем направления данных линий портов
ldi r16,(1< Прим. 1: В программе на Ассемблере используются два временных регистра для минимизации интервала времени от настройки подтягивающих резисторов на разрядах 0, 1, 6 и 7 до корректной установки бит направления, разрешающих вывод лог. 0 на линиях 2 и 3 и заменяющих высокий уровень на разрядах 0 и 1, образованный за счет подключения подтягивающих резисторов, на высокий уровень сильноточного драйвера. Разрешение цифрового ввода и режимы сна Как показано на рисунке 30 входной цифровой сигнал может быть зашунтирован к общему на входе триггера Шмита. Сигнал, обозначенный на рисунке как SLEEP, устанавливается при переводе микроконтроллера в режим выключения (Power-down), экономичный режим, дежурный режим и расширенный дежурный режим. Это позволяет избежать повышения потребляемого тока в случае, если некоторые входные сигналы окажутся в плавающем состоянии или уровень входного аналогового сигнала будет близок к VCC/2. Сигнал SLEEP игнорируется по входам внешних прерываний. Если запросы на внешнее прерывание отключены, то SLEEP действует и на эти выводы. SLEEP также игнорируется на некоторых других входах при выполнении их альтернативных функций (см. “Альтернативные функции порта ”). Если на выводе внешнего асинхронного прерывания, настроенный на прерывание по нарастающему фронту, падающему фронту или на любое изменение, присутствует уровень лог. 1 и при этом внешнее прерывание не разрешено, то соответствующий флаг внешнего прерывания будет установлен при выходе из выше упомянутых режимов сна, т.к. функция шунтирования на входе в режимах сна приводит возникновению логических изменений. Неподключенные выводы Если несколько выводов остаются неиспользованными, то рекомендуется гарантировать на них присутствие определенного логического уровня. Не смотря на то, что большинство цифровых входов отключены в режимах глубокого сна, как описано выше, необходимо избежать наличия плавающих входов во избежание повышенного потребления тока во всех других режимах работы микроконтроллера, где цифровой ввод разрешен (Сброс, Активный режим и режим холостого). Самым простым методом гарантирования присутствия определенного уровня на неиспользуемом выводе является разрешение подключения внутреннего подтягивающего резистора. Однако в этом случае в режиме сброса подтягивающие резисторы будут отключены. Если требуется малое потребление и в режиме сброса, то необходимо устанавливать внешний подтягивающий резистор к плюсу или к минусу питания. Подключение выводов непосредственно к VCC или GND не рекомендуется, т.к. может возникнуть опасный ток при случайной конфигурации такого вывода на вывод данных.
В этом статье мы напишем первую программу и научимся программировать порты ввода-вывода микроконтроллера.
Наша первая программа будет управлять, по началу, одним из выводов микроконтроллера. Для того чтобы удостоверится в том, что программа работает, к управляемому выводу через токоограничивающий резистор мы подключим светодиод, анод которого соединен с выводом МК, а катод с минусом (общим проводом).
По умолчанию, на всех выводах незапрограммированного микроконтроллера напряжение близкое к нулю, поэтому светодиод не будет светиться. Наша задача состоит в том, чтобы написать программу, с помощью которой на выводе МК появится напряжение +5 В. Это напряжения (точнее буде ток) засветит светодиод.
Микроконтроллер ATmega8 имеет 28 выводов, каждый из них выполняет определенные функции. Светодиод можно подключить к большинству выводов, однако, не ко всем, ведь минимум пара выводов занята под питание. Чтобы четко знать назначение каждого вывода МК воспользуется даташитом. В даташите находим распиновку (обозначение) всех выводов.
Почти каждый вывод может выполнять несколько функций. Сокращения названий функций приводятся в скобках рядом с выводами. В последующих статья мы обязательно их все рассмотрим. Сейчас же нас интересуют некоторые из них.
Для работы микроконтроллера, впрочем, как и любой другой микросхемы, необходимо напряжение. Во избежание ложных срабатываний МК нужно питать только стабильным напряжением от 4,5 В до 5,5 В. Этот диапазон напряжений строго регламентирован и приведен в даташите.
Плюс («+») источника питания подсоединяется в 7-й ножке, обозначенной VCC. Минус («-») – к 8-й или 22-й ножке, которые имеют обозначение GND (GND – сокращенно от ground – «земля»).
Остальные ножки позволяют микроконтроллеру взаимодействовать с внешними устройствами. Они объединены в отдельные группы и называются порты ввода-вывода микроконтроллера. С помощью них можно как подавать сигналы на вход МК, например с различных датчиков, так и выдавать сигналы для управления другими устройствами или для отображения информации на различных индикаторах и дисплеях.
Микроконтроллер ATmega8 имеет три порта ввода-вывода: B, C и D. Порты могут быть полными и неполными. Полный порт состоит из восьми бит и соответственно имеет столько же одноименных выводов. У неполного порта меньше 8 бит, поэтому число выводов такого порта также менее восьми.
У данного МК порты B и D полные. А порт C неполный и имеет семь бит. Еще раз обращаю внимание, что нумерация битов начинается с нуля, например PB0, PB1, PB2…
Не удивляйтесь, что у ATmega8 отсутствует порт A. Другие МК, имеющие большее число выводов, могут содержать как порт A, так и порт E. У микроконтроллеров с меньшим числом выводов может быть только один порт и тот неполный.
Теперь перейдем к написанию кода программы. Наша первая программа будет устанавливать + 5 В на нулевом бите порта C PC0, т.е. на 23-м выводе микроконтроллера.
Запускаем Atmel Studio.
Сначала необходимо создать проект. Для этого в открывшемся окне кликаем по вкладке New Project
.
Также проект можно создать, кликнув по вкладке File
. В выпавшем меню следует выбрать New
и далее Project
. Или нажать комбинацию клавиш Ctrl+Shift+N
.
В появившемся окне выбираем язык программирования C/C++ и кликаем по вкладке.
Далее нам нужно задать имя и место на диске для нашего проекта. Назовём наш первый проект именем 1 в строке для ввода Name
. Изменить место расположения файла можно кликнув по кнопке Browse напротив строки Location
. Если оставить галочку возле Create directory for solution
, то в выбранном месте автоматически создастся папка с именем проекта. В данной папке помимо проекта будут созданы и другие вспомогательные файлы, поэтому я рекомендую не убирать галочку.
После того, как имя проекта и его место выбраны, нажимаем кнопку OK
. Снова появляется окно. В нем нам нужно выбрать тип микроконтроллера. В нашем случае – это ATmega8
. Кликаем по вкладке Device Family
. В выпавшем меню выбираем серию микроконтроллеров ATmega
.
С помощью прокрутки находим и выделяем микроконтроллер ATmega8
и наживаем кнопку OK
.
В открывшемся окне мы видим, что Atmel Studio нам автоматически сформировала заготовку или же шаблон программы.
Рассмотрим все по порядку.
Текст, выделенный зеленым цветом – это комментарии. В данном случае приводится имя проекта и автора, а также время и дата создания проекта. Комментарии не являются программным кодом, поэтому они игнорируются компилятором. Комментарии позволяют программисту улучшить читаемость кода, что особенно помогает при поиске ошибок и отладке программы.
Цвет комментариев и других элементов программы можно изменять в настройках Atmel Studio.
* 1.c
* Created: 07.08.2017 16:57:59
Комментарии бываю однострочные и многострочные. В данном шаблоне программы применяются многострочные комментарии. Они начинаются косой линией со звездочкой, а заканчиваются звездочкой с косой линией.
/*
— начало комментария
*/
— конец комментария
Весь текс, который помещен между /*
и */
полностью пропускается компилятором.
Однострочный комментарий обозначается двумя косыми линиями и действует в пределах одной строки. Текст перед двумя косыми распознается компилятором как код программы, а после – как комментарий.
// Здесь пишется однострочный комментарий
На практике использование комментариев считается хорошим тоном программирования. В дальнейшем мы будем применять оба их типа.
Следующим элементом программы является строка
#include
Эта строка указывает компилятору, что к данному файлу нужно подключить другой файл с именем io.h
, который находится в папке avr. В подключаемом файле находится информация о базовых настройках микроконтроллера.
По сути, можно было бы и не подключать файл io.h
, а набрать его содержимое вручную, однако это очень неудобно.
Знак #
означает, что данная команда – это директива препроцессора. Дело в том, что прежде чем скомпилировать файл компилятору необходимо выполнит предварительную его обработку. Поэтому сначала выполняется некая подготовка файла к компиляции путем добавления некоторых инструкций, прописанных в файле io.h
io
– название файла, которое происходит от сокращения input/output – ввод/вывод.
H
– расширение файла, название его происходит от слова header – заголовок.
Теперь все вместе. io.h
– это заголовочный файл, в котором записана информация о настройках ввода-вывода микроконтроллера.
Ниже нам встречается следующая строка:
int
main
(void
)
В данной строке объявляется функция, носящая имя main
. С нее начинается выполнение программы. Эта функция является как бы точкой начала всей программы, написанной в текущем файле. Имя main
зарезервировано в языке Си, поэтому во избежание конфликтов, таким именем нельзя называть другую функцию, находящуюся внутри данной. main переводится главный, т. е. данная функция является главной.
В синтаксисе языка Си идентификатором функции служат круглые скобки
Внутри скобок помещено слово void (void). Оно обозначает пустота. Это указывает на то, что функция main ничего не принимает, т. е. не принимает никаких аргументов. По мере написания более сложных программ, мы детальнее остановимся на этом моменте.
int
– это целочисленный тип данных. В данном случае функция работает с целыми числами: как положительными, так и отрицательными. Существуют и другие типы данных, например с плавающей запятой, символьные и др. Более подробно мы будем рассматривать типы данных по мере необходимости или в отдельной статье. Однако для функции main рекомендуется всегда использовать тип данных int, поскольку конструкция int
main
(void
)
определена стандартом языка Си и распознается любым компилятором.
Область действия функции определяется фигурными скобками
.
→ тело функции
Код программы, помещенный между открывающейся и закрывающейся скобками, относится к телу функции.
В общем случае любая функция имеет следующую конструкцию:
тип
данных
имя функции
(агрумент
)
тело функции (код)
Внутри функции main
находится функция while
:
while
(1)
While
переводится с английского «пока». Это говорит о том, что программа, которая находится в теле данной функции, будет выполняться до тех пор, пока условие истинно. Единица в круглых скобках указывает, что условие истинно, поэтому код программы, написанный в данной функции, будет повторяться бесконечное число раз, т.е. программа будет зациклена. Для чего это делается? Дело в том, что микроконтроллер должен непрерывно выполнять записанную программу. Поэтому программа не может просто взять и оборваться. Микроконтроллер всегда опрашивает порты ввода-вывода либо выдает в них сигналы, даже находясь в ждущем режиме.
Теперь, когда мы рассмотрели основные элементы конструкции программы, давайте посмотрим целиком на базовый шаблон. Без комментариев он имеет следующий вид:
#include
int
main
(void
)
while
(1)
Сейчас мы уже можем дополнить программу нужным нам кодом. Первым делом необходимо настроить нулевой бит порта C PC0 на выход.
Мы уже знаем, что МК может, как принимать, так и выдавать сигнал, т.е. выводы (порты) его могут работать как входы
и как выходы
. Поэтому предварительно нужно настроить вывод МК на соответствующий режим. Для этого в микроконтроллере есть специальный регистр, который называется DDR – d
irect d
ata r
egister
– регистр направления данных.
У каждого порта есть свой такой регистр. Например, регистр порта C называется DDRC
, порта B – DDRB
, порта D – DDRD
.
Чтобы настроить вывод порта на вход
в регистр DDR необходимо записать ноль
, а на выход
– единицу
.
Команда настройки нулевого бита порта C выглядит следующим образом
DDRC = 0b0000001;
Данной командой в регистр DDRC записывается двоичное число равное десятичному 1. Префикс 0b
идентифицирует данное число, как двоичное.
Двоичная форма записи очень удачно сочетается с количеством битов порта, так как количество битов соответствует количеству выводов порта, а порядковый номер бита отвечает номеру бита внутри порта.
Также можно записать в регистр шестнадцатеричное число:
DDRC = 0x1;
Однако двоичная форма записи более наглядна, поэтому ее мы и будем использовать на начальных этапах программирования микроконтроллеров.
Давайте рассмотрим еще один пример. Допустим нам необходимо настроить нулевой, третий и седьмой биты порта B на выход, а остальные биты на вход. Для этого случая код имеет такой вид:
DDRB = 0b10001001;
После того, как мы настроили нулевой бит порта C PC0 на выход, нужно еще выполнить настройку, чтобы на данном выводе появилось напряжение +5 В. Для этого необходимо установить нулевой бит в регистре PORT
. Если бит установлен в единицу
, то на выводе будет +5 В
(точнее говоря величина напряжения питания микроконтроллера, которая может находится в пределах 4,5…5,5 В для микроконтроллера ATmega8). Если бит установлен в ноль
, — то на выводе будет напряжение, величина которого близка к нулю
.
Каждый порт имеет свой регистр: порт A – PORTA
, порт B – PORTB
, порт C – PORTC
.
И так, чтобы получить на выводе PC0 напряжение +5 В, необходимо записать такую команду:
PORT = 0b0000001;
Обратите внимание на то, что каждая команда заканчивается точкой с запятой.
Таким образом, чтобы засветить светодиод, нам необходимы всего лишь две команды:
DDRC = 0b0000001;
PORTС = 0b0000001;
Первой командой мы определяем вывод PC0 как вход, а второй устанавливаем на нем напряжение +5 В.
Полный код программы выглядит так:
#include
int
main
(void
)
DDRC = 0b0000001;
While
(1)
PORTC = 0b0000001;
Здесь необходимо заметить следующее: команда DDRC = 0b0000001;
выполнится всего один раз, а команда PORTC = 0b0000001;
будет выполняться все время в цикле, поскольку она находится в теле функции while (1)
. Но даже если мы вынесем команду за пределы функции и поместим ее после DDRC = 0b0000001;
, светодиод и в этом случае будет светиться все время. Однако, разместив команду PORTC = 0b0000001
; в теле while (1)
, мы делаем явный акцент на том, что светодиод должен светится все время.
Теперь, когда код полностью готов, его нужно скомпилировать. Для этого необходимо нажать клавишу F7
или кликнуть по кнопке Build
и в выпавшем меню выбрать Build Solution
.
Если ошибок в коде нет, то файл скомпилируется, а в нижней части экрана появится запись о том, что проект скомпилирована успешно: Build succeeded
.
Таким образом программируются порты ввода-вывода микроконтроллера практически любого типа.
Следующий наш шаг – это . Также можно проверить корректность работы кода с помощью программы-симулятора микроконтроллеров – С внешним миром микроконтроллер общается через порты ввода вывода. Схема порта ввода вывода указана в даташите: Итак, что же представляет собой один вывод микроконтроллера. Вначале на входе стоит небольшая защита из диодов, она призвана защитить ввод микроконтроллера от превышения напряжения. Если напряжение будет выше питания, то верхний диод откроется и это напряжение будет стравлено на шину питания, где с ним будет уже бороться источник питания и его фильтры. Если на ввод попадет отрицательное (ниже нулевого уровня) напряжение, то оно будет нейтрализовано через нижний диод и погасится на землю. Впрочем, диоды там хилые и защита эта помогает только от микроскопических импульсов от помех
. Если же ты по ошибке вкачаешь в ножку микроконтроллера вольт 6-7 при 5 вольтах питания, то никакой диод его не спасет. Дальше идут ключи управления. Это я их нарисовал рубильниками, на самом деле там стоят полевые транзисторы, но особой сути это не меняет. А рубильники наглядней. Есть в каждом контроллере AVR
(в PIC
есть тоже подобные регистры, только звать их по другому). Например, смотри в даташите на цоколевку микросхемы: Видишь у каждой почти ножки есть обозначение Pxx
. Например, PB4
где буква «B»
означает имя порта, а цифра — номер бита в порту. За порт «B» отвечают три восьмиразрядных регистра PORTB, PINB, DDRB
, а каждый бит в этом регистре отвечает за соответствующую ножку порта. За порт «А
» таким же образом отвечают PORTA, DDRA, PINA
. PINх
При снижении напряжения питания разумеется эти пороги также снижаются, график зависимости порогов переключения от питающего напряжения можно найти в даташите. DDRx
PORTx
Есть еще бит PUD
(PullUp Disable) в регистре SFIOR
он запрещает включение подтяжки сразу для всех портов. По дефолту он равен 0. Честно говоря, я даже не знаю нафиг он нужен — ни разу не доводилось его применять и даже не представляю себе ситуацию когда бы мне надо было запретить использование подтяжки сразу для всех портов. Ну да ладно, инженерам Atmel
видней, просто знай что такой бит есть. Мало ли, вдруг будешь чужую прошивку ковырять и увидишь что у тебя подтяжка не работает, а вроде как должна. Тогда слазаешь и проверишь этот бит, вдруг автор прошивки заранее где то его сбросил. Общая картина работы порта показана на рисунке: Теперь кратко о режимах: Также почти каждая ножка имеет дополнительные функции
. На распиновке они подписаны в скобках. Это могут быть выводы приемопередатчиков, разные последовательные интерфейсы, аналоговые входы, выходы ШИМ генераторов. Да чего там только нет. По умолчанию все эти функции отключены
, а вывод управляется исключительно парой DDR
и PORT
, но если включить какую-либо дополнительную функцию, то тут уже управление может полностью или частично перейти под контроль периферийного устройства и тогда хоть запишись в DDR/PORT
— ничего не изменится. До тех пор пока не выключишь периферию занимающую эти выводы. Совет:
Как запомнить режимы, чтобы не лазать каждый раз в справочник:
Итак:
Есть еще один способ, мнемонический:
Все просто! :) Для детей в картинках и комиксах:)
В режиме PullUp
эту планку мы пружиной подтянули кверху. Слабые помехи не смогут больше ее дрыгать как угодно. С другой стороны шине она может помешать, но не факт что заблокирует ее работу. От шины зависит и ее силы. А еще мы можем отслеживать тупую внешнюю силу, вроде кнопки, которая может взять и придавить ее к земле. Тогда мы узнаем что кнопка нажата. В режиме OUT
у нас планка прибита гвоздями к земле или прижата домкратом к питанию. Внешняя сила может ее пересилить только сломав домкрат или сломается сама. Тупая внешняя сила просто разрушает наш домкрат или вырывает гвозди из пола с мясом. В любом случае — девайс в помойку. При программировании микроконтроллеров постоянно приходится работать с битами. Устанавливать их, сбрасывать, проверять их наличие в том или ином регистре. В AVR ассемблере для этих целей существует целый ряд команд. Во-первых, это группа команд операций с битами – они предназначены для установки или сброса битов в различных регистрах микроконтроллера, а во-вторых, группа команд передачи управления – они предназначены для организации ветвлений программ. В языке Си естественно нет подобных команд, поэтому у начинающих программистов часто возникает вопрос, а как в Си работать с битами. Эту тему мы сейчас и будем разбирать. << - сдвиг влево Сдвигает число на n разрядов влево. Старшие n разрядов при этом исчезают, а младшие n разрядов заполняются нулями. Tmp = tmp << 3; Выражения, в которых над переменной производится какая-либо операция, а потом результат операции присваивается этой же переменной, можно записывать короче, используя составные операторы. Tmp = 7; //0b00000111
Операция сдвига влево на n разрядов эквивалентна умножению переменной на 2 n . Сдвигает число на n разрядов вправо. Младшие n разрядов при этом теряются. Заполнение старших n разрядов зависит от типа переменной и ее значения. Старшие n разрядов заполняются нулями в двух случаях – если переменная беззнакового типа или если переменная знаковая и ее текущее значение положительное. Когда переменная знаковая и ее значение отрицательное – старшие разряды заполняются единицами. Пример для беззнаковой переменной unsigned char
tmp = 255; //0b11111111
Tmp >>= 3; //сокращенный вариант записи
Пример для переменной знакового типа int
tmp = 3400; //0b0000110101001000
Tmp = -1200; //0b1111101101010000
Операция сдвига вправо на n разрядов эквивалентна делению на 2 n . При этом есть некоторые нюансы. Если потерянные младшие разряды содержали единицы, то результат подобного “деления” получается грубоватым. Например
9/4 = 2,5 а 9>>2 (1001>>2) равно 2 Во втором случае ошибка больше, потому что оба младших разряда единицы. В третьем случае ошибки нет, потому что потерянные разряды нулевые. Поразрядно инвертирует число. Разряды, в которых были нули – заполняются единицами. Разряды, в которых были единицы – заполняются нулями. Оператор поразрядной инверсии являтся унарным оператором, то есть используется с одним операндом. unsigned char
tmp = 94; //0b01011110
Tmp = ~tmp; Оператор | осуществляет операцию логического ИЛИ между соответствующими битами двух операндов. Результатом операции логического ИЛИ между двумя битами будет 0 только в случае, если оба бита равны 0. Во всех остальных случаях результат будет 1. Это проиллюстрировано в табице истинности. Оператор | обычно используют для установки заданных битов переменной в единицу.
Tmp = 155 155 0b100110
11 Использовать десятичные числа для установки битов довольно неудобно. Гораздо удобнее это делать с помощью операции сдвига влево <<. Читаем справа налево – сдвинуть единицу на четыре разряда влево, выполнить операцию ИЛИ между полученным числом и значением переменной tmp, результат присвоить переменной tmp. Tmp = tmp | (1<<7)|(1<<5)|(1<<0); С помощью составного оператора присваивания |= можно сделать запись компактней. Tmp |= (1<<4); Оператор & осуществляет операцию логического И между соответствующими битами двух операндов. Результатом операции логического И между двумя битами будет 1 только в том случае, если оба бита равны 1. Во всех других случаях результат будет 0. Это проиллюстрировано в таблице истинности. Оператор & обычно применяют, чтобы обнулить один или несколько битов.
Tmp = 155; 155 0b10011
011 Видите, третий бит стал равен 0, а остальные биты не изменились. Обнулять биты, используя десятичные цифры, неудобно. Но можно облегчить себе жизнь, воспользовавшись операторами << и ~ Tmp = 155; 1<<3 0b00001
000 Читаем справа налево – сдвинуть единицу на три разряда влево, выполнить инверсию полученного числа, выполнить операцию & между значением переменной tmp и проинвертированным числом, результат присвоить переменной tmp. tmp = tmp & (~((1<<3)|(1<<5)|(1<<6))); //обнуляем третий, пятый и шестой биты
Tmp &= (~((1<<3)|(1<<5)|(1<<6))); if
((tmp & (1<<2)) != 0){ if
((tmp & (1<<2)) == 0){ Оператор ^ осуществляет операцию логического исключающего ИЛИ между соответствующими битами двух операндов. Результатом операции логического исключающего ИЛИ будет 0 в случае равенства битов. Во всех остальных случаях результат будет 1. Это проиллюстрировано в табице истинности. Оператор ^ применяется не так часто как остальные битовые операторы, но и для него находится работенка. Например, с помощью него можно инвертировать один или несколько битов переменной
. 155 0b10011
011 Четвертый бит изменил свое значение на противоположное, а остальные биты остались без изменений. Tmp = tmp ^ 8; // опять инвертируем четвертый бит переменой tmp
147 0b10010
011 Видите, четвертый бит снова изменил свое значение на противоположное. Так записывать выражение намного удобнее Tmp = tmp ^ (1<<3); // инвертируем третий бит переменой tmp
А так и удобно и компактно Tmp ^= (1<<4); //инвертируем четверый бит
Можно инвертировать несколько битов одновременно Tmp ^= ((1<<4)|(1<<2)|(1<<1)); //инвертируем 4,2 и 1 биты
У поразрядного исключающего ИЛИ есть еще одно интересное свойство
. Его можно использовать, для того чтобы поменять значения двух переменных местами. Обычно для этого требуется третья переменная. Но используя оператор ^ переставить значения можно так: var1 ^= var 2; Чистая магия, хотя, честно говоря, я ни разу не пользовался таким приемом. Теперь мы знаем, как устанавливать, обнулять и инвертировать биты, знаем, как проверять установлен ли бит или нет. Рассмотренные выше выражения довольно громоздки, но с помощью директивы препроцессора #define
, им можно придать более приятный вид. Директива #define
используется для присваивания символических имен константам и для макроопределений. Использование символических имен делают программу более модифицируемой и переносимой. Например, вы используете в тексте программы константу, и вдруг вам понадобилось изменить ее значение. Если она встречается всего в трех местах, то исправить ее можно и в ручную, а что делать, если она встречается в пятидесяти строчках? Мало того, что исправление займет много времени, так еще и ошибиться в этом случае проще простого. Здесь то, как раз и выручает директива #define
. В начале программы задается символическое имя константы, которое используется по ходу программы. Если нам нужно изменить это значение, это делается всего лишь в одном месте. А перед компиляцией препроцессор сам подставит во все выражения вместо имени константы ее значение. Программирование микроконтроллера неразрывно связано с его аппаратной частью и чаще всего с внешней обвязкой. Взять хотя бы кнопки - опрашивая их в своей программе, мы обращаемся к реальным выводам микроконтроллера. А если нам вдруг понадобилось использовать программу опроса кнопок в другой схеме, где кнопки подключены к другим выводам? Придется исправлять программу. Опять таки, задав с помощью директивы #define
символическое имя для соответствующих выводов, модифицировать программу будет проще простого #include
"iom8535.h" //порт, к которому подключены кнопки
//выводы, к которым подключены кнопки
int
main() При задании символического имени можно использовать и выражения #define
MASK_BUTTONS ((1< пример использования:
Используя #define
не жалейте скобок чтобы четко задать последовательность вычисления выражений! Некоторые выражения можно замаскировать под «функции». #define
ADC_OFF() ADCSRA = 0 пример использования: Можно использовать многострочные определения, используя в конце каждой строки символ \ #define
INIT_Timer() TIMSK = (1< пример использования: Ну и самое мощное применение директивы #define
– это задание макроопределений (или просто макросов). Вот как с помощью #define
можно задать макросы для рассмотренных ранее операций с битами #define
SetBit(reg, bit) reg |= (1< пример использования: … Перед компиляцией препроцессор заменит эти строчки объявленными ранее выражениями, подставив в них соответствующие аргументы. Макросы очень мощное средство, но использовать их нужно осторожно. Вот самые распространенные грабли, о которых написано во всех учебниках по программированию. Определим макрос, вычисляющий квадрат числа: #define
SQUARE(x) x*x выражение А что будет если в качестве аргумента макроопределения использовать выражение my_var+1 tmp = SQUARE(my_var +1); Препроцессор заменит эту строчку на tmp = my_var + 1 * my_var +1; а это вовсе не тот результат, который мы ожидаем. Чтобы избежать таких ошибок не скупитесь на скобки при объявлении макросов!
Если объявить макрос так #define
SQUARE(x) ((x)*(x)) выражение записываем их в папку проекта, а в начале файла main.c прописываем #include
"bits_macros.h"
Порты ввода-вывода микроконтроллера
Знакомство с Atmel Studio 7
Atmel Studio 7 | Первая программа
Директива препроцессора
Главная функция main
Функция while
Программирование портов ввода-вывода микроконтроллера ATmega8
Регистр микроконтроллера PORT
Компиляция файла
Каждый рубильник подчинен логическому условию которое я подписал на рисунке. Когда условие выполняется — ключ замыкается. PIN, PORT, DDR
это регистры конфигурации порта.
Это регистр чтения. Из него можно только читать. В регистре PINx
содержится информация о реальном текущем логическом уровне
на выводах порта. Вне зависимости от настроек порта. Так что если хотим узнать что у нас на входе — читаем соответствующий бит регистра PINx
Причем существует две границы: граница гарантированного нуля и граница гарантированной единицы — пороги за которыми мы можем однозначно четко определить текущий логический уровень. Для пятивольтового питания это 1.4 и 1.8 вольт соответственно. То есть при снижении напряжения от максимума до минимума бит в регистре PIN переключится с 1 на 0 только при снижении напруги ниже 1.4 вольт, а вот когда напруга нарастает от минимума до максимума переключение бита с 0 на 1 будет только по достижении напряжения в 1.8 вольта. То есть возникает гистерезис переключения с 0 на 1, что исключает хаотичные переключения под действием помех и наводок, а также исключает ошибочное считывание логического уровня между порогами переключения.
Это регистр направления порта. Порт в конкретный момент времени может быть либо входом либо выходом (но для состояния битов PIN
это значения не имеет. Читать из PIN реальное значение можно всегда).
Режим управления состоянием вывода. Когда мы настраиваем вывод на вход, то от PORT
зависит тип входа (Hi-Z или PullUp, об этом чуть ниже).
Когда ножка настроена на выход
, то значение соответствующего бита в регистре PORTx определяет состояние вывода. Если PORTxy=1
то на выводе лог1, если PORTxy=0
то на выводе лог0.
Когда ножка настроена на вход
, то если PORTxy=0
, то вывод в режиме Hi-Z
. Если PORTxy=1
то вывод в режиме PullUp
с подтяжкой резистором в 100к до питания.
Ну тут, думаю, все понятно — если нам надо выдать в порт 1 мы включаем порт на выход (DDRxy=1
) и записываем в PORTxy
единицу — при этом замыкается верхний ключ и на выводе появляется напряжение близкое к питанию. А если надо ноль, то в PORTxy
записываем 0 и открывается уже нижний вентиль, что дает на выводе около нуля вольт.
Этот режим включен по умолчанию. Все вентили разомкнуты, а сопротивление порта очень велико
. В принципе, по сравнению с другими режимами, можно его считать бесконечностью. То есть электрически вывод как бы вообще никуда не подключен и ни на что не влияет. Но! При этом он постоянно считывает свое состояние в регистр PIN
и мы всегда можем узнать что у нас на входе — единица или ноль. Этот режим хорош для прослушивания какой либо шины данных, т.к. он не оказывает на шину никакого влияния. А что будет если вход висит в воздухе? А в этом случае напряжение будет на нем скакать в зависимости от внешних наводок, электромагнитных помех и вообще от фазы луны и погоды на Марсе (идеальный способ нарубить случайных чисел!). Очень часто на порту в этом случае нестабильный синус 50Гц — наводка от сети 220В, а в регистре PIN будет меняться 0 и 1 с частотой около 50Гц
При DDRxy=0
и PORTxy=1
замыкается ключ подтяжки и к линии подключается резистор в 100кОм, что моментально приводит неподключенную никуда линию в состояние лог1. Цель подтяжки очевидна — недопустить хаотичного изменения состояния на входе под действием наводок. Но если на входе появится логический ноль (замыкание линии на землю кнопкой или другим микроконтроллером/микросхемой), то слабый 100кОмный резистор не сможет удерживать напряжение на линии на уровне лог1 и на входе будет нуль.
Например, приемник USART
. Стоит только выставить бит разрешения приема RXEN
как вывод RxD
, как бы он ни был настроен до этого, переходит в режим входа.
С целью снижения энергопотребления и повышения надежности рекомендуется все неиспользованные пины включить в режим PullUp
тогда их не будет дергать туда сюда помехой, а если на порт свалится грубая сила (например, монтажник отвертку уронит и коротнет на землю) то линия не выгорит.
Чем зазубривать или писать напоминалки, лучше понять логику разработчиков, проектировавших эти настройки, и тогда все запомнится само.
1 похожа на стрелку. Стрелка выходящая из МК — выход. Значит DDR=1 это выход! 0 похож на гнездо, дырку — вход! Резистор подтяжки дает в висящем порту единичку, значит PORT в режиме Pullup должен быть в единичке!
Для большей ясности с режимами приведу образный пример:
В Си существуют 6 операторов для манипулирования битами. Их можно применять к любым целочисленным знаковым или беззнаковым типам переменных.
>> - сдвиг вправо
~ - поразрядная инверсия
| - поразрядное ИЛИ
& - поразрядное И
^ - поразрядное исключающее ИЛИ_______________ сдвиг влево << _______________
unsigned char
tmp = 3; //0b00000011
tmp = tmp << 1;
//теперь в переменной tmp число 6 или 0b00000110
//теперь в переменной tmp число 48 или 0b00110000
tmp <<= 2; //сокращенный вариант записи
//теперь в переменной tmp число 28 или 0b00011100
_______________ сдвиг вправо >> _______________
tmp = tmp >> 1;
//теперь в переменной tmp число 127 или 0b01111111
//теперь в переменной tmp число 15 или 0b00001111
tmp >>= 2;
//теперь в переменной число 850 или 0b0000001101010010
tmp >>= 2;
//теперь в tmp число -300 или 0b1111111011010100
//видите - два старших разряда заполнились единицами
11/4 = 2,75 а 11>>2 (1011>>2) равно 2
28/4 = 7 а 28>>2 (11100>>2) равно 7_______________поразрядная инверсия ~ _______________
tmp = ~tmp;
//теперь в переменной tmp число 161 или 0b10100001
//теперь в tmp снова число 94 или 0b01011110
_______________ поразрядное ИЛИ | ______________
tmp = tmp | 4; //устанавливаем в единицу второй бит переменной tmp
4
0b000001
00
159 0b100111
11
tmp = tmp | (1<<4); //устанавливаем в единицу четвертый бит переменной tmp
Установить несколько битов в единицу можно так
//устанавливаем в единицу седьмой, пятый и нулевой биты переменной tmp
tmp |= (1<<7)|(1<<5)|(1<<0);_______________ побитовое И & _______________
tmp = tmp & 247; //обнуляем третий бит переменной tmp
&
247 0b11110
111
147 0b10010
011
tmp = tmp & (~(1<<3)); //обнуляем третий бит
~(1<<3) 0b11110
111
tmp & (~(1<<3)) 0b10011
011 & 0b11110
111
результат 0b10010
011
Обнулить несколько битов можно так
Используя составной оператор присваивания &= ,можно записать выражение более компактно
Как проверить установлен ли бит в переменной?
Нужно обнулить все биты, кроме проверочного, а потом сравнить полученное значение с нулем
// блок будет выполняться, только если установлен
}
// блок будет выполняться, только если не установлен
// второй бит переменной tmp
}_______________побитовое исключающее ИЛИ ^ _______________
tmp = 155;
tmp = tmp ^ 8; // инвертируем четвертый бит переменой tmp
^
8 0b00001
000
147 0b10010
011
^
8 0b0000
1
000
155 0b10011
011
tmp = var1;
var1 = var2;
var2 = tmp;
var 2 ^= var 1;
var 1 ^= var 2;________________Директива #define__________________
Пример:
#define
PORT_BUTTON PORTA
#define
PIN_BUTTON PINA
#define
DDRX_BUTTON DDRA
#define
DOWN 3
#define
CANCEL 4
#define
UP 5
#define
ENTER 6
{
//конфигурируем порт на вход,
//и включаем подтягивающие резисторы
DDRX_BUTTON = 0;
PORT_BUTTON = 0xff;
tmp = PORTB & MASK_BUTTONS;
ADC_OFF();
OCR0 = 0x7d
INIT_Timer();
…
SetBit(PORTB, 0); //установить нулевой бит порта B
InvBit(tmp,6); //инвертировать шестой бит переменной tmp
if
(BitIsClear(PIND, 0)) { //если очищен нулевой бит в регистре PIND
….. //выполнить блок
}
tmp = SQUARE(my_var);
даст корректный результат.
tmp = SQUARE(my_var +1);
даст корректный результат, потому что препроцессор заменит эту строчку на
tmp = ((my_var + 1) * (my_var +1));
