Uso del lenguaje en aplicaciones de bajo nivel

01Qué quiere decir «bajo nivel»

Un programa de bajo nivel es el que habla directamente con el hardware: prende un LED escribiendo un bit en un registro, lee un sensor esperando que un bit de estado cambie, arma una trama bit por bit para mandarla por un cable. En la pila de capas del primer tema, es trabajar justo arriba de la arquitectura del repertorio, sin sistema operativo en el medio.

C sirve para eso porque tiene tres cosas que los lenguajes de alto nivel esconden: operadores de bits, punteros a direcciones fijas y tipos de tamaño conocido. Con ellas, el mismo lenguaje con el que se escribe una planilla de cálculo manda sobre las patas de un chip.

02Operadores de bits y máscaras

Una máscara es un número que tiene en 1 los bits sobre los que se quiere actuar. (1 << 5) es 0010 0000: sólo el bit 5. Con ella salen las cuatro operaciones que se usan todo el tiempo:

reg |=  (1 << n);     // poner en 1 el bit n
reg &= ~(1 << n);     // poner en 0 el bit n
reg ^=  (1 << n);     // invertir el bit n
if (reg & (1 << n))   // ¿está en 1 el bit n?

Las cuatro tocan sólo el bit elegido y dejan los demás como estaban. Es lo que importa cuando cada bit de un registro controla una pata distinta: prender un LED no puede apagar el de al lado.

03Registros en direcciones fijas

En un microcontrolador, los periféricos se manejan con registros que están en direcciones fijas de memoria, publicadas en la hoja de datos. En el ATmega328P (el del Arduino Uno), el registro de salida del puerto B está en la dirección de datos 0x25. En C se lo alcanza con un puntero a esa dirección:

#include <stdint.h>
#define PORTB (*(volatile uint8_t *)0x25)
#define DDRB  (*(volatile uint8_t *)0x24)

DDRB  |= (1 << 5);    // PB5 como salida (el LED de la placa)
PORTB |= (1 << 5);    // y encendido

Leído de adentro hacia afuera: 0x25 es un número; (volatile uint8_t *) lo convierte en la dirección de un byte; el * de afuera accede al byte que está ahí. A partir de eso, PORTB se usa como una variable más. Los archivos de cabecera del fabricante (<avr/io.h>, los de CMSIS en ARM) están hechos exactamente así.

04Tipos de tamaño exacto

El estándar de C sólo garantiza mínimos: un int tiene al menos 16 bits. En un AVR tiene 16; en una PC, 32. Un programa que supone 32 bits se rompe al llevarlo a un microcontrolador. Para el trabajo con hardware se usan los tipos de <stdint.h>, que dicen su tamaño en el nombre:

05Orden de los bytes y campos de bits

Un uint32_t ocupa cuatro bytes, pero ¿en qué orden? En un procesador little-endian (x86, casi todos los ARM, AVR) el byte menos significativo va en la dirección más baja; en uno big-endian, al revés. El valor 0x12345678 guardado en 0x100 queda así:

Dentro de un programa no se nota. Se nota al mandar datos a otra máquina: los protocolos de red usan big-endian, y por eso existen htons y ntohl. Lo portable es armar los bytes con desplazamientos, b[0] = x >> 24; b[1] = x >> 16; …, que da el mismo resultado en cualquier procesador. Aplica a cualquier trama de comunicación serie.

C también permite declarar campos de bits dentro de una estructura, unsigned modo : 3;. Son cómodos, pero el estándar deja al compilador el orden de los bits dentro del byte. Para describir registros de hardware que tienen que coincidir bit a bit con la hoja de datos, las máscaras son más seguras.

06El programa frente al hardware

Un programa para un microcontrolador no termina nunca: inicializa los periféricos y entra en un ciclo infinito. Dentro del ciclo consulta entradas y actualiza salidas; lo urgente lo atiende una rutina de interrupción, que se comunica con el ciclo principal a través de variables volatile:

volatile uint8_t hay_dato = 0;
volatile uint8_t dato;

ISR(USART_RX_vect)           // la llama el hardware al llegar un byte
{
    dato = UDR0;
    hay_dato = 1;
}

int main(void)
{
    inicializar();
    for (;;) {
        if (hay_dato) {
            hay_dato = 0;
            procesar(dato);
        }
        /* resto del trabajo, sin demoras largas */
    }
}

Las interrupciones y los periféricos se desarrollan en interrupciones y en periféricos del microcontrolador.

07Qué hace el compilador con esto

La mejor manera de convencerse de que C está cerca de la máquina es mirar lo que genera. Para el AVR, con optimización:

El 0x05 es la dirección de PORTB en el espacio de E/S, que en el espacio de datos es la 0x25 del ejemplo anterior: hay 0x20 de diferencia porque los primeros 32 bytes del espacio de datos son los registros de trabajo. Una línea de C, una instrucción de máquina: por eso no hace falta programar en ensamblador para tener control fino. Los microcontroladores se ven en arquitectura de microprocesadores y los buses que se manejan con estas técnicas, en buses serie.

08En el laboratorio

09Errores frecuentes

• reg = (1 << n) en lugar de reg |= (1 << n): prende un bit y apaga todos los demás.
• reg &= (1 << n) para apagar: sin el ~ borra todos los bits menos el n.
• Olvidar volatile en un registro o en una variable compartida con una interrupción.
• Desplazar más bits de los que tiene el tipo: 1 << 31 con int de 16 bits no está definido; se escribe 1UL << 31.
• Confundir && con &: 4 && 2 es 1; 4 & 2 es 0.
• Escribir los números mágicos sueltos: PORTB |= 0x20 funciona, pero (1 << PB5) se entiende.

10Autoevaluación

11Para ampliar

• Michael Barr y Anthony Massa. Programming Embedded Systems: With C and GNU Development Tools. 2.ª ed., O'Reilly, 2006 (en inglés). Registros, interrupciones y periféricos en C, con ejemplos sobre hardware real.
• Elecia White. Making Embedded Systems. 2.ª ed., O'Reilly, 2024 (en inglés). Cómo se diseña el software de un sistema embebido de punta a punta, con criterio de ingeniería.
• Randal E. Bryant y David R. O'Hallaron. Computer Systems: A Programmer's Perspective. 3.ª ed., Pearson, 2016 (en inglés). El capítulo 3 muestra, línea por línea, qué genera el compilador a partir de C.
• Microchip Technology. ATmega328P Datasheet. Hoja de datos oficial, en el sitio del fabricante. El mapa de registros de E/S y el repertorio de instrucciones que se usaron en este tema.