MOP: Hinweise zur professionellen Assembler-Programmierung

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1 Beuth Hochschule Berlin FB VI, Labor für Digitaltechnik MOP: Hinweise zur professionellen Assembler-Programmierung Allgemeine Grundlagen Ein Programm kann als Sammlung von Befehlen (engl. instructions ) in Form von Hexadezimalzahlen verstanden werden, die der Reihe nach im Programmspeicher (engl. code memory ; üblicherweise ein EPROM oder FLASH) angeordnet werden. Jede Instruction hat nach dem Abschluss der Programmierung ihren festen Platz im Programmspeicher und belegt dort 1-3 Speicherplätze. Aus diesem Programmspeicher holt die CPU einen Befehl nach dem anderen und verarbeitet ihn. Hinweis 1: Es gilt für alle Computer und Controller, dass nach dem Einschalten bzw. einem Reset immer bei der Programmspeicheradresse Null begonnen wird! Da dort beim Mikrocontroller nur drei freie Speicherplätze vorhanden sind, findet man üblicherweise einen Sprungbefehl zur eigentlichen Programmstart-Adresse (auch engl. reset vector genannt). Bei der Programmerstellung macht es in der Regel keinen Sinn, direkt die Hex-Codes der benötigten Befehle untereinander zu schreiben, sondern man bedient sich einer Programmiersprache. Hier unterscheidet man zwischen der maschinennahen Programmierung in Assembler und der Programmierung in einer Hochsprache (z.b. Programmiersprache C). Bei der Assemblerprogrammierung werden die Hexadezimalzahlen der Maschinenbefehle durch einprägsame englische Abkürzungen, den sog. Mnemonics (z.b. ADD oder MOV) ersetzt, die leichter zu merken sind. Ein Übersetzungsprogramm (Assembler mit Linker) macht daraus die erforderlichen Hexcodes. Man kann damit äußerst effizient Programme entwickeln. Dies setzt jedoch ein tiefes Verständnis der Vorgänge voraus. Dieses zu vermitteln, ist wesentlicher Bestandteil der Veranstaltung Maschinenorientierte Programmierung. Modulare Programmierung Ein professionelles Assemblerprogramm soll nicht nur funktionieren, sondern auch folgende Eigenschaften aufweisen: möglichst problemlose Fehlersuche ermöglichen leicht zu pflegen sein (d.h. nachträglich zu erweitern oder zu ändern sein) Nachvollziehung des Lösungswegs ohne Mithilfe auch für Dritte ermöglichen ohne Probleme auf andere Adressen im Programmspeicher verschiebbar sein bei großem Umfang der Aufgabe problemlos auf verschiedene Programmierer aufteilbar sein Wiederverwendung bewährter Programmteile oder Routinen ermöglichen Aus diesem Grund sollen Assemblerprogramme stets modular aufgebaut, d.h. aus einzelnen Modulen zusammengesetzt werden. Hierbei sollte man in jedem einzelnen Modul ein möglichst übersichtliches Haupt-Steuerprogramm entwerfen, das dann geeignete Unterprogramme aufruft. Diese Unterprogramme können entweder im gleichen Modul stehen oder als Teile aus einem anderen Modul verwendet werden. Alle Einzelmodule werden am Schluss vom Linker miteinander zum Gesamtprogramm verknüpft. Jedes Modul erhält seinen eigenen Namen und besteht selbst wieder aus einzelnen Teilstücken, den sogenannten Segmenten. Hierbei handelt es sich entweder um Programmteile mit Instruktionen (Codesegment) oder Speicherplatzreservierungen für einzelne Bits im direkt adressierbaren RAM auf dem Mikrocontroller (Bitsegment) oder Speicherplatzreservierungen für Daten, Konstanten usw. im direkt adressierbaren RAM auf dem Mikrocontroller (Datensegment) oder Speicherplatzreservierungen für Daten, Konstanten usw. im indirekt adressierbaren RAM- MOP_Labor_Assemblerprogrammierung.doc Seite 1 von 6 Beuth Hochschule Berlin

2 Bereich auf dem Mikrocontroller (indirektes Datensegment) oder Speicherplatzreservierungen für Daten, Konstanten usw. im externen RAM (externes Datensegment) Hinweis 2: Nur 255 Speicherplätze lassen sich im externen RAM reservieren. Wenn man diese über das Register R0 oder R1 statt über den Datapointer adressiert, spart das Zugriffszeit! Außerdem gibt es die Möglichkeit, verschiedene Bits für die eigene Anwendung zu definieren (= als Flags oder Merker ). Diese finden sich im bitadressierbaren Bereich des internen RAM unter den Adressen 20h bis 2Fh. Strukturierung mit Pseudobefehlen Im Code eines jeden Moduls finden sich Anweisungen, die sich in folgende Gruppen einteilen lassen: Assembler Instructions (Programmschritte), also Maschinenbefehle, die aus einzelnen Anweisungen im Binärcode bestehen, die dem Controller als Hex-Zahl mitgeteilt werden. Sie bilden die einzelnen Elemente eines ausführbaren Programmteiles. Der Programmierer schreibt diese Anweisungen jedoch in Form von Mnemonics, also in Form einfacher englischer Abkürzungen, die dann in Hex-Zahlen übersetzt werden. Assembler Directives (Direktiven oder Pseudobefehle genannt). Sie organisieren die verschiedenen Segmente und Speicherbereiche, legen Symbolnamen für Variablen oder Speicherplätze fest, definieren das Modulende usw. Achtung: Die Assembler Directives sind gewissermaßen Manager und produzieren selbst keine Programmcodes. Assembler Controls. Sie steuern die Assemblier- und Linkvorgänge und sind am Dollarzeichen ($) zu erkennen, mit dem sie eingeleitet werden. Gängige Controls sind z.b. $ERROR zum Generieren von Assembler-Fehlermeldungem, $WARNING um eine Nachricht auf der Konsole auszugeben, $SYMBOLS zum Erzeugen einer Symbol-Tabelle, etc. Bei Anweisungen gemäß der soeben genannten Gruppenzuordnungen gilt folgende Syntax: Assemblerbefehl: [symbol:] [instruction [arguments]] [;comment] Definition: symbol instruction argument [;comment] Steuerung: $control [(argument)] [;comment] Hier: MOV A, #0FFh ; definiere Label Hier und lade Akkumulator mit Wert FFh Jahr EQU 2011 ; definiere Symbol für aktuelles Jahr $INCLUDE (80C517.MCU) ; inkludiere z.b. SAB80C517 Register-Definitionen Je nach Datentyp bei Kontanten, etc. ist das Hinzufügen eines Suffix erforderlich. So gibt man bei der Darstellung in Binärform hinter der Kontanten ein b an (Beispiel: b), bei der Oktaldarstellung ein q oder o (Beispiel: 316q), bei der Dezimaldarstellung ein d (optional, kann auch weggelassen werden) und die Repräsentation von Hexzahlen 0...F ist durch Angabe des Buchstaben h eindeutig zu kennzeichnen (Beispiel: 0CEh). Um Assemblerprogramme, respektive Module, zu strukturieren und wie oben beschrieben Segmente zu definieren, verwendet man die Direktiven (oder Pseudobefehle). Folgende Befehle (Auswahl) stehen dafür zur Verfügung: Definiere Modulname: NAME <symbol> Definiere Adresse: ORG <exp> Benutze Registerbank: USING <exp> Programmende: END Des weiteren sind vor allem die folgenden Befehle nützlich: Definiere Bytes: DB <arg1> [,<arg2> [,<arg3>... ]] Definiere Worte: DW <arg1> [,<arg2> [,<arg3>... ]] Reserviere Speicherplatz: DS <exp> Reserviere Platz für Bits: DBIT <exp> MOP_Labor_Assemblerprogrammierung.doc Seite 2 von 6 Beuth Hochschule Berlin

3 DB 1, 2, 3+5, 2*7, 'A' DB 'Eine Zeile', 12 DW 0, 0C800h, 1999, 4711 DS 200h Definiere Konstante: <symbol> EQU <expr> Definiere Variable: <symbol> SET <expr> Countregister EQU R5 ; Name Countregister wird anstelle von R5 verwendet Chapter SET 1 ; Variable Chapter wird 1 gesetzt Chapter SET Chapter+1 ; Variable Chapter wird um 1 erhöht Definiere symb. Codeadresse: <symbol> CODE <expr> Definiere symb. Datenadresse: <symbol> DATA <expr> Definiere symb. indir. Adresse: <symbol> IDATA <expr> Definiere symb. Bitadresse: <symbol> BIT <expr> Definiere symb. ext. Adresse: <symbol> XDATA <expr> ProgMem CODE 08000h ; Adresse 8000h im Codespeicher heißt nun ProgMem Stack DATA 30h ; definiere symb. Datenadresse für Stack-Anfang V24Buffer IDATA 080h ; Adresse 80h für indir. Zugriff heißt nun V24Buffer Ausgang BIT P3.6 ; Portpin P3.6 heißt nun "Ausgang" Sample XDATA 0100h ; def. Sample als Speicherort 100h im ext. Speicher Anfang Codesegment: CSEG [AT <expr>] Anfang Datensegment: DSEG [AT <expr>] Anfang ind. Datensegment: ISEG [AT <expr>] Anfang Bitsegment: BSEG [AT <expr>] Anfang ext. Datensegment: XSEG [AT <expr>] CSEG AT 8000h ; beginne ein neues Codesegment bei Adresse 8000h XSEG AT 0 ; beginne ein neues externes Datensegment bei Adresse 0 DSEG ; wechsle zu bereits definiertem Datensegment Segmenttypen: CODE, DATA, IDATA, XDATA, BIT, NUMBER Offset EQU 16 ; Nummer Start CODE 30h ; Code DoIt CODE 0100h ; Code LED BIT P1.3 ; Bit Variabl4 DATA 20h ; Data Port DATA 0C8h ; Data Delay EQU 5 ; Nummer Start+Offset+3 Start+DoIt Port.Delay ; Code ; Nummer ; Bit MOP_Labor_Assemblerprogrammierung.doc Seite 3 von 6 Beuth Hochschule Berlin

4 Programmier-Systematik Die empfohlene Reihenfolge beim Programmentwurf ist Ihnen bereits aus den Aufgabenblättern des Labors bekannt. Zusammengefasst soll immer folgende Vorgehensweise eingehalten werden: 1. Erfassung und Analyse des Problems bzw. der zu lösenden Aufgabe 2. Formulierung eines geeigneten Lösungsweges (Algorithmus) 3. Umsetzung des Algorithmus in ein Struktogramm oder Flussdiagramm (Programmablaufplan) 4. Festlegung der dazu erforderlichen Module, ihrer Aufgaben und ihrer Namen (ist die Aufgabe weniger komplex, passt die Umsetzung des Algorithmus unter Umständen auch in ein einziges Modul) 5. Für jedes (Einzel-)Modul: Entwurf eines Steuerprogramms, Festlegung der erforderlichen Unterprogramme, Vergabe von Namen für die Segmente und Symbole, Reservierung von Datenbereichen usw. 6. Programmierung der Einzelsegmente jedes Moduls mit Hilfe eines geeigneten Texteditors auf dem PC (in Assemblersprache mit den entsprechenden Mnemonics, nur ASCII-Text ohne Formatierung und Sonderzeichen verwenden!) 7. Übersetzung des mit dem Editor erstellten Programms in Maschinenbefehle durch den Assembler, der einen noch verschiebbaren Objekt-Code (= eine Objekt - Datei) erzeugt. Dann unter Umständen Verbindung des geschriebenen Programmteils mit weiteren Makros, Bibliotheksroutinen etc. und Zuteilung der echten Programmspeicheradressen durch den Linker. Zum Schluss erfolgt noch die Übersetzung des kompletten, fertigen Programms in eine *.hex - Datei. 8. Übertragung dieses hex-files in den Programmspeicher des Mikrocontroller-Boards 9. Testen des Programms 10. Fehlersuche (Debugging). Sie beginnt immer mit der Wiederholung ab Schritt 5 Im normalen Betriebsfall ist das Programm in einem EPROM oder FLASH gespeichert und der Mikrocontroller beginnt nach dem Reset oder dem Einschalten immer bei der Code-Adresse 0000h. Dort sollte ein Sprungbefehl zur eigentlichen Programmstart-Adresse liegen, der die Abarbeitung ab einer anderen, sinnvolleren Speicheradresse initiiert (siehe Hinweis 1). Diese Programmstart-Adresse sollte eine Stelle im RAM-Speicher sein, die nach von Neumann-Architektur einen reservierten Programmspeicherbereich im gemeinsamen Programm- und Datenspeicher mittels Offset markiert. Will man Programme erstellen, prüfen, erweitern oder korrigieren, empfiehlt es sich nicht, jedes Mal sofort ein neues Programm auf den Mikrocontroller zu laden. Moderne Mikrocontroller erfordern zwar nicht mehr, dass jedes mal ein EPROM gebrannt werden muss. Stattdessen wird dies über das einfache Neubeschreiben eines FLASH realisiert. Dieser hat aber auch eine limitierte Lebensdauer, weshalb dringend anzuraten ist, den kompletten Mikrocontroller mit dem erstellten Programm vorab auf einem PC zu simulieren und dort das Programm zu testen. Erst nach einwandfreiem simuliertem(!) Verhalten, soll anschließend die Programmierung des Mikrocontrollers erfolden. Entwurfs- und Organisationsmethoden Programmstrukturen können sehr komplex werden. Deshalb ist es nötig, genau definierte Entwurfsund Organisationsmethoden anzuwenden. Eine Aufstellung der wichtigsten Vorschriften sind im Folgenden dargestellt. Assembler Controls und Directives werden zur besseren Übersicht groß geschrieben. Hinter einem Sprungziel (engl. label ) muss ein Doppelpunkt stehen. In einem Namen oder Label darf niemals ein Bindestrich verwendet werden! Es ist nur der Unterstrich erlaubt! Labels werden nie mit Zahlen begonnen. Bei Sprung- und Call-Befehlen genügt es, CALL bzw. JMP zu schreiben. Der Assembler wählt selbst den genau passenden Sprung- oder Call-Befehl aus. Jeder Befehl wird mit einem Kommentar versehen. Ein Semikolon kennzeichnet den darauffolgenden Text als Kommentar, der vom Assembler MOP_Labor_Assemblerprogrammierung.doc Seite 4 von 6 Beuth Hochschule Berlin

5 beim Übersetzen ignoriert wird. Erst ganz am Ende darf END stehen. Es folgt nun eine Mustervorlage (engl. template ) zur eigenen Assemblerprogrammierung, in die die gängigen Controls, Directives, Symboldeklarationen und Segmentdefinitionen bereits eingetragen sind. Die Ausführung ist bewusst einfach gehalten, um den Programmieranfänger nicht zu überfordern, kann aber nach Belieben sinnvoll erweitert werden, um auch Fortgeschrittenen zu dienen und sich konkreten praktischen Problemstellungen zu nähern. Nutzen Sie die Mustervorlage, um sich genau einzuprägen wie Controls, Directives, Symboldeklarationen und Segmentdefinitionen eingesetzt werden und wie insbesondere verschiedene Programmteile definiert und aufgerufen werden. Achten Sie darauf, dass nie die Stack- Reservierung in Ihrem Programm vergessen wird und dass das Label Start Ihres Assemblerprogramms stets die Stack-Adresszuweisung bzw. -korrektur vornimmt. Bei Verwendung der Directives DS und DB, sowie EQU und SET gilt besondere Vorsicht. DS (engl. für define store ; definiere einen Speicherplatz mit einem bestimmten Namen im angegebenen Memorybereich) darf trotz der Ähnlichkeit des Namens nicht mit DB (engl. für define Byte ) verwechselt werden. DB darf nur innerhalb eines Programmteiles verwendet werden und speichert einen oder mehrere vorgegebene Werte im Speicher (z. B. eine Tabelle oder einen Text). Tabelle: DB 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,20 ; diese Zahlenwerte werden als Tabelle gespeichert Tabelle: DB ; Vorsicht! Jetzt werden die ASCII-Zeichen der Zahlen ; gespeichert! Text: DB Bonbons machen froh ; auch das Bereitstellen von Text funktioniert, ; z.b. für eine Display-Anzeige Sammlung: DB 10,20,50,100, $, Das geht ja prima! ; Zahlen und Text dürfen sogar ; gemischt werden Zur Zuweisung eines Wertes oder Namens bei einem Byte kann anstelle von EQU (engl. für equate ; Übersetzung: bedeutet oder entspricht ) auch SET verwendet werden. Mit EQU gilt die Zuweisung allezeit, solange dieses Programm verwendet wird. Mit SET kann man dagegen den Namen im Nachhinein ändern. Nachdem Sie sich mit der Mustervorlage vertraut gemacht haben, können Sie diese als Vorlage für Ihre eigenen Programme verwenden. Die Mustervorlage zeigt die grundsätzliche Struktur von Assemblerprogrammen. Je nach Komplexität der Aufgabenstellung müssen Sie entscheiden wie man sie mit konkretem Inhalt zum Leben erweckt. In der Vorlage ist ein kurzes exemplarisches Hauptprogramm gezeigt, welches zu Übersichtszwecken blau markiert ist. MOP_Labor_Assemblerprogrammierung.doc Seite 5 von 6 Beuth Hochschule Berlin

6 ; Mustervorlage für ASEM-51 Assembler-Code PROG EQU 0000h ORG PROG+0000h SJMP START ; Interrupt-Vektor-Tabelle für die richtigen Stellen im Programmspeicher ORG PROG+0003h LCALL INT0_ISR I ORG PROG+000Bh LCALL T0_ISR I ORG PROG+0013h LCALL INT1_ISR I ORG PROG+001Bh LCALL T1_ISR I ORG PROG+0023h LCALL UART_ISR I ; Ende der Interrupt-Vektor-Tabelle Ausgang BIT P3.6 ; Portpin P3.6 heißt nun "Ausgang" Stack DATA 30h ; definiere symb. Datenadresse für Stack-Anfang ORG PROG+0030h ; Programmcodes werden erst ab Adresse 0030h gespeichert START: MOV ; hier fängt das eigentliche Programm an! SP, #Stack-1 ; Zuweisung der Stack-Adresse LOOP: ZEIT: DONE: CALL ZEIT ; Zeitschleife (Unterprogramm) aufrufen CPL Ausgang ; Portpin P1.0 invertieren JMP LOOP ; springe zu LOOP und wiederhole alles MOV R7, #250d ; lade Register R7 mit der Zahl 250 dezimal DJNZ R7, $ ; dekrementiere R7 bis auf Null, $ steht für aktuell. Programmzähler ; zurück aus dem Unterprogramm SJMP DONE ; Interrupt-Service-Routinen kommen hierher INT0_ISR: T0_ISR: INT1_ISR: T1_ISR: UART_ISR: ; Ende der Interrupt-Service-Routinen END ; Ende des Programms MOP_Labor_Assemblerprogrammierung.doc Seite 6 von 6 Beuth Hochschule Berlin