面试题：C语言结构体与位操作在硬件驱动中的应用

Question

在一个微控制器系统中，有一组寄存器通过特定的地址映射到内存空间。使用C语言结构体与位操作，设计一个接口来操作这些寄存器，实现对硬件设备的初始化、控制和状态读取。详细描述硬件寄存器的功能和操作要求，并编写完整的C语言代码实现。

Answer 1

假设硬件寄存器功能和操作要求如下：

假设有一个控制LED的寄存器组，位于地址0x40000000开始的内存空间。

1. 控制寄存器（Control Register, CR）：
   • 地址：0x40000000
   • 功能：控制LED的亮灭。第0位为1时LED亮，为0时LED灭。
2. 状态寄存器（Status Register, SR）：
   • 地址：0x40000004
   • 功能：表示LED当前的状态。第0位为1时表示LED亮，为0时表示LED灭。

C语言代码实现：

#include <stdint.h>

// 定义寄存器结构体
typedef struct {
    volatile uint32_t CR; // 控制寄存器
    volatile uint32_t SR; // 状态寄存器
} LED_Registers;

// 定义寄存器基地址
#define LED_BASE_ADDR ((LED_Registers *)0x40000000)

// 初始化函数
void LED_Init(void) {
    LED_Registers *ledRegs = LED_BASE_ADDR;
    ledRegs->CR = 0; // 初始LED为灭
}

// 控制LED亮灭函数
void LED_Control(uint8_t onOff) {
    LED_Registers *ledRegs = LED_BASE_ADDR;
    if (onOff) {
        ledRegs->CR |= 1; // 置第0位为1，LED亮
    } else {
        ledRegs->CR &= ~1; // 清第0位为0，LED灭
    }
}

// 读取LED状态函数
uint8_t LED_GetStatus(void) {
    LED_Registers *ledRegs = LED_BASE_ADDR;
    return (ledRegs->SR & 1)? 1 : 0; // 返回第0位的值
}

在上述代码中：

1. 寄存器结构体定义：通过typedef struct定义了一个包含控制寄存器CR和状态寄存器SR的结构体LED_Registers，使用volatile关键字确保编译器不会对这些寄存器访问进行优化，因为它们的值可能会被硬件异步修改。
2. 寄存器基地址定义：通过#define将0x40000000地址强制转换为LED_Registers类型的指针，方便后续对寄存器的访问。
3. 初始化函数LED_Init：将控制寄存器CR清零，使LED初始为灭。
4. 控制函数LED_Control：根据传入的参数onOff，通过位操作设置或清除控制寄存器CR的第0位，从而控制LED的亮灭。
5. 状态读取函数LED_GetStatus：读取状态寄存器SR的第0位，返回LED当前的状态。