Befehlssatz AVR RISC Controller

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1 Befehlssatz AVR RISC Controller Design-Philosophie des AVR Befehlssatzes Assembler-Sprache AVR-Befehlssatz Philosophie RISC = Reduced Instruction Set Computing keine komplexen Befehle möglichst symmetrischer Befehlssatz AVR: - ein einfacher Befehl ist 16 Bit groß - Befehle mit Speicheradressen sind wegen der 16Bit Adresse 32 Bit groß 1

2 Erzeugung des Maschinen-Codes Labor-Entwicklungsumgebung C Quell-Code.c Assembler Quell-Code.asm C-Compiler übersetzt C-Quell- Code Listing (.lst) Assemblierer übersetzt ASM- Quell-Code in Maschinencode Listing (.lst) AVR-Assemblierer (GNU-Assemblierer) Objekt-File.o WIN-AVR (GNU-C-Compiler) Linker verbindet Code aus verschiedenen Quell- Files (C, asm, C+asm) AVR-Studio (Eclypse) Maschinen-Code (.hex) Die Assembler-Sprache Vorgehen bei der Assembler-Programmierung Assembler-Syntax und ihre Elemente Assembler-Befehle und ihre Operanden Assembler-Direktiven 2

3 1 + 1 =? C=A+B C=A C=C+B ldi r16,1 ; Lade linken Operanden (Ziel) ldi r17,1 ; Lade rechten Operanden ; (Quelle) add r16,r17 ; addiere und speichere ; Ergebnis in Ziel Elemente der Assembler-Syntax [label:] [label:] [label:] Leerzeile Befehl [Operanden] [Kommentar].Direktive [Parameter] [Kommentar] [Kommentar] []... optional label: Name für eine Adresse, z.b. für Sprünge main_loop: inc r16 jmp main_loop Kommentar: wird mit Semikolon eingeleitet ; Beispiel für Einsatz eines Labels main_loop: inc r16 ;erhöht den Inhalt von r16 um 1 jmp main_loop ;springt zur Zeile mit dem ;Label main_loop zurück 3

4 Assembler-Befehle Befehl [Ziel] [, Quelle] Assembler-Befehle arbeiten mit max. zwei Operanden, wovon einer das Ergebnis der Operation aufnimmt - rechter Operand: Quelle (Register, Konstante, Speicherstelle) - linker Operand und Ergebnisspeicher: Ziel (Register, Speicherstelle) Speicherstellen sind nur bei bestimmten Befehlen als Ziel erlaubt (RISC-Design) - Befehle ohne Operanden - Ein-Operanden-Befehle - Zwei-Operanden-Befehle alle verfügbaren Befehle sind in AVR_instruction_set.pdf dokumentiert [] optional Register Universal-Register (8Bit, Rd bzw. Rr) d... destination (Ziel-) register r... source (Quell-) register R0..R15 R16..R31 16 Bit Program counter (PC) 16 Bit Stack Pointer (SP) I T H S V N Z C Status- oder Flag- Register (8Bit, SREG) X = R27:R26 Y = R29:R28 Z = R31:R30 Doppel-Register für indirekte Adressierung (16Bit) manche Befehle dürfen nur mit den Registern r16 bis r31 ausgeführt werden (siehe AVR_instruction_set.pdf) 4

5 Speicherstellen Datenspeicher, RAM, 8 Bit pro Speicherstelle Programmspeicher, FLASH ROM, 16 Bit pro Speicherstelle Register, können auch über RAM-Adressen angesprochen werden, 8 Bit pro Speicherstelle Konstanten 8 Bit-Zahlen in verschiedenen Darstellungsformen - Dezimalzahl ldi R16, 100 ;lade r16 mit der Dezimalzahl Hexadezimalzahl ldi R16, 0x64; mit der Hexadezimalzahl 100 ldi R16, $64 ; mit der Hexadezimalzahl Name einer definierten Konstante.equ EINS=1 ;definiere eine Konstante ldi R16, EINS ; mit der Konstante, die den ;Namen EINS hat - Makro ldi R16,(EINS<<1) ; mit dem Ergebnis aus der ;einmaligen Linksverschiebung der ;Konstanten EINS (=2) 5

6 Der AVR Befehlssatz (AVR Instruction Set) Aufbau und Interpretation der Dokumentation Aufbau und Interpretation der Listing-Files (.lst) Aufbau des Assembler-Listings.lst ldi r16,1 ldi r17,1 add r16,r17 Assembler-Quelltext test.asm Adresse des Befehls im Programmspeicher Maschinen-Code des Befehls (opcode) Quelltext aus test.asm e001 ldi r16, e011 ldi r17, f01 add r16,r17 Listing test.lst 6

7 Wichtig, da besser zu merken! Was tut der Befehl? Wie schreibt man ihn auf? Welche Operanden darf man verwenden? An welcher Adresse steht der nächste Befehl? Wie sieht sein Maschinen- Code aus? Wie beeinflusst er das Flag-Register? Wie wendet man ihn konkret an? Wie viele Takte braucht der Prozessor um ihn abzuarbeiten? Was tut der Befehl? LDI - Erklärungen - lädt eine Konstante unmittelbar in ein angegebenes Register Wie schreibt man ihn auf? - LDI Rd, K -> >die Konstante t K(Zahl oder Name einer definierten Konstanten) wird in das Zielregister Rd geladen - Kleinschreibung von Befehl und Registernamen ist erlaubt Welche Operanden darf man verwenden? - erlaubt sind also R16 R31 (d), K ist eine 8 Bit-Konstante - Beispiel: ldi r16, 0x12 Wie sieht sein Maschinen-Code aus? - 4 Bit Befehlscode 1110 (entspricht ldi) - höherwertige 4 Bit der Konstante K (Beispiel K=0x12 -> 0001) - 4 Bit Registernummer (Beispiel d=16 -> 00) - niederwertige 4 Bit der Konstante K (Beispiel K=0x12 -> 0010) 7

8 LDI Erklärungen (Fortsetzung) Wie sieht sein Maschinen-Code aus? - 16 Bit lang (2 byte, 1 word): (binär) oder e102 (hexadezimal) An welcher Adresse steht der nächste Befehl? - im Programmspeicher wird je Adresse ein Word (2 Byte, 16 Bit) gespeichert - der Befehl ist 16 Bit lang, also steht der nächste Befehl an der nächsten Adresse und der PC wird nach Abarbeitung des Befehls um eine Adresse erhöht (PC <- PC+1) Wie beeinflusst er das Flag-Register? g - ldi beeinflusst das Flag-Register nicht Wie viele Takte braucht der Prozessor um ihn abzuarbeiten? - Der Prozessor hat den Befehl in einem Takt abgearbeitet (bei einem Prozessor-Takt von 1MHz benötigt der Befehl 1 s) Interpretation des Assembler-Listings am Beispiel LDI Adresse im 16-Bit Programmspeicher jeder ldi-befehl beansprucht 16 Bit, deshalb werden die ldi-befehle an aufeinanderfolgenden Adressen gespeichert 0x0003 e102 ldi r16,0x12 0x0004 ef0e ldi r16,0xfe 0x0005 e000 ldi r16,0 0x0006 e010 ldi r17,0 0x0007 e0f0 ldi r31,0 Quell-Code: Maschinen-Code: ldi r16, 0x12 e102 (hexadezimal) (binär) ldi KKKK dddd KKKK (AVR_instruction_set.pdf) 8

9 addiert den Inhalt zweier Register und speichert Ergebnis in Rd als Quell- und Zielregister dürfen R0 R31 verwendet werden (je 5 Bit) Befehlszähler (PC) wird nach der Operation um 1 Adresse erhöht entspricht dem Befehl add Befehl beeinflusst das Status-Register abhängig vom Inhalt des Quell- und Zielregisters (ausgenommen das I- und T-Bit) Maschinen-Code ist 2 Byte lang Prozessor benötigt einen Takt zur Abarbeitung des Befehls Assembler-Code und -Listing ldi r16,0x12 ;R16...R31 ldi r17,0x03 add r16,r17 ;R0... R e102 ldi r16, 0x e013 ldi r17, 0x f01 add r16, r rd dddd rrrr

10 Programm-Entwicklung in Assembler Aufbau eines Assembler-Programms 1. Assembler-Anweisungen (Direktiven) Einbindung von include-files Definition von Konstanten, Reservierung von Speicherplatz im RAM, 2. Was tun, wenn C Reset-Signal erhält Einschalten der Spannung, Reset-Knopf drücken, Was tun, wenn Interrupt eingetroffen IO-Bausteine melden sich, z.b. kommt ein Zeichen an der seriellen Schnittstelle an 4. Anwendungsprogramm-Code Initialisierung Stack, IO-Bausteine Programmierung der Anwendungslogik 5. Was tun, wenn Programm-Code abgearbeitet nichts tun wieder von vorn beginnen 10

11 Direktiven sind Anweisungen an den Assembler selbst - also an das Programm zur Übersetzung des Assembler-Quell- Codes in den Maschinen-Code (opcode) - erzeugen nicht direkt Maschinen-Code wie Assembler-Befehle werden verwendet, z.b. um: - Namen für Konstanten und Makros zu definieren - Speicherbereiche zu initialisieren - festzulegen, an welcher Speicherstelle im Programmspeicher (ROM) ein Programmabschnitt beginnen soll Hilfe zu Direktiven en findet man deshalb nur in den jeweiligen Entwicklungsumgebungen und NICHT in der Dokumentation zum AVR-Instruction-Set oder im Datenblatt des Prozessors - Suche z.b. im AVR-Studio nach Assembler directives.cseg.dseg.eseg.equ.include.def.byte.db.dw.org Direktiven (Auswahl) AVR-Studio Code-Segment (Flash-ROM) Daten-Segment (RAM) EEPROM-Segment (EEPROM) gibt einem Ausdruck einen Namen -> in C: #define bindet Source-Code von einem anderen File ein -> in C: #include gibt einem Register einen anderen Namen reserviert Speicherplatz (im SRAM) für Variablen definiert Byte-Konstante(n) -> in C: z.b. const char definiert Word-Konstante(n) (2 Byte) -> in C: z.b. const short int definiert absolute Adresse innerhalb eines Segments 11

12 Beispiele ; Include-File mit vordefinierten Konstanten.include "m128def.inc ; #include *.h ; Konstanten definieren.equ tabsize = 1000 ; #define tabsize 1000 ; Variablen deklarieren.dseg short_var:.byte 2 ; short int short_var; char_var:.byte 1 ; char char_var; table:.byte tabsize ; char table[tabsize]; entsprechender C-Code ist jeweils als Kommentar angegeben Einteilung der Befehle Assemblerbefehle ohne 1-Operanden 2-Operanden Operanden Befehl Befehl Register Konstante Register, Register Register, Konstante arithmetische und logische Operationen (Arithmetic and Logic Instructions) Sprung-Befehle (Branch Instructions) Daten-Transport-Befehle (Data Transfer Instructions) Bit- und Test-Befehle (Bit and Bit-test Instructions) spezielle CPU-Befehle (MCU Control Instructions) Begriffe aus Instruction Set Summary in AVR_instruction_set.pdf S

13 Datenausgabe auf Parallel-IO-Port zur Anzeige auf LEDs Grundsätzlicher Ablauf Port initialisieren in C #include <avr\io.h> DDRB=0xff; in Assembler.include m128def.inc ldi r16, 0xff out DDRB, r16 IO-Daten-Register initialisieren PORTB=0xff; out PORTB, r16 Daten berechnen und ausgeben //LED3 leuchtet char led=1<<pinb3; PORTB= ~led; ;LED3 leuchtet ldi r16, (1<<PINB3) com r16 out PORTB, r16 13

14 IO-Adressen (Assembler) RAM-Adresse: 0x0000 RAM-Offset der 0x0020 IO-Adressen 0x0060 Befehl: sts, lds Register I/O ext. I/O RAM IO-Adresse 0x0000 IO-Adresse 0x003F Befehl: out, in RAM-Adresse IO-Adresse RAMEND IO-Adressen sind in m128def.inc mit Namen versehen worden (bessere Lesbarkeit), Ausschnitt:.equ PORTC = $15 ;0x0015.equ DDRC = $14.equ PINC = $13.equ PORTD = $12.equ DDRD = $11.equ PIND = $10 RAMAdresse=IOAdresse+0x0020 lds/sts und in/out bei Verwendung von in/out kann die in m128def.inc definierte IO- Adresse direkt verwendet werden, z.b. ldi r17, (1<<PINB3) ;LED3 einschalten com r17 out PORTB, r17 bei Verwendung von sts / lds muss der RAM-Offset zur IO- Adresse hinzuaddiert werden, z.b..equ IO_RAMOFFSET= 0x20.equ MEM_PORTC=PORTC+IO_RAMOFFSET ldi r17, (1<<PINB3) com r17 sts MEM_PORTC, r17 14

15 Warten in C #define WAIT_CNT 0xffff in Assembler.equ WAIT_CNT=0xffff // Zählvariable (16 Bit) unsigned int nwait=wait_cnt; ;Zählvariable (16 Bit) ldi r25, HIGH(WAIT_CNT) ldi r24, LOW(WAIT_CNT) do{ wait: nwait--; } while(nwait!= 0); sbiw r24, 1 brne wait Tue nichts bis der Wert der Zählvariable 0 ist! Wartezeit.equ WAIT_CNT=0xffff ; ;Anzahl Takte ldi r25, HIGH(WAIT_CNT) ;1 ldi r24, LOW(WAIT_CNT) ;1 wait: sbiw r24, 1 ;2 brne wait ;2 (wenn wahr) ;1 (wenn falsch) 15

16 Berechnung der Wartezeit Summieren der Anzahl der Takte N clk, die die CPU für die Abarbeitung der Befehle der Warteschleife benötigt Multiplizieren mit der aktuell eingestellten Takt-Periodendauer der CPU für f CPU = 1MHz CPU-Takt t f 1 CPU allebefehle N clk 1 t s ,262s 262ms 10 Einfachste, aber unpraktischste t Methode! Neue Berechnung erforderlich, wenn Programm der Warteschleife geändert wird. Programmänderungen erforderlich, wenn anderer CPU-Takt eingestellt wird oder andere Wartezeit erforderlich ist. Relativ großer Aufwand für Zeitbestimmung erforderlich. 16