Maschinensprache und Assembler

Transkript

1 4. Befehle, die ein Digitalrechner ausführen soll, müssen binär codiert vorliegen. Diese Befehle werden als Maschinenbefehle bezeichnet. Will man z.b. beim 8051 den Inhalt des Accus in das Register R2 bringen, so benötigt der Prozessor hierfür den Maschinenbefehl bzw. FAH. Es ist leicht zu erkennen, daß es für einen Programmierer unmöglich sein wird, sich die Binärkombinationen aller Befehle zu merken und sie fehlerfrei anzuwenden. Zur leichteren Handhabung der Maschinenbefehle hat man deshalb schon sehr früh eine symbolische Schreibweise eingeführt, indem jedem Maschinenbefehl ein eindeutiger Name zugeordnet wird. Dieser Name wird dann noch so gewählt, daß er die Wirkungsweise des Befehls (in englischer Sprache) in gut merkbarer (mnemonischer) Form beschreibt. Diese symbolische Schreibweise wird Assemblersprache genannt. Sie wird durch den Befehlssatz des Rechners geprägt, ist jedoch in der Symbolik und Befehlsdarstellung (Notation, Syntax) unabhängig von der Hardware des Rechners. Die Umsetzung der in Assemblersprache geschriebenen Befehle in den Maschinencode besorgt ein Übersetzungsprogramm, der Assembler. Abb zeigt den generellen Ablauf der Erzeugung eines Maschinenprogramms aus einem Assemblerprogramm. Assemblerprogramm (Source) Rechner Maschinenprogram m Programmlisting Assembler bzw. Crossassembler Abb Umsetzung eines Assemblerprogramms in ein Maschinenprogramm Das Assemblerprogramm wird als ASCII-Datei mit Hilfe eines Texteditors erstellt. Dieses Programm wird oft als Quellprogramm oder Sourceprogramm bezeichnet. Es darf normalerweise nicht formatiert sein. Der Assembler liest dann diese Datei ein, überprüft die Syntax und erstellt bei fehlerfreiem Programm eine Datei, die den Maschinencode enthält. Zusätzlich erstellt der Assembler noch weitere Dateien wie z.b. ein Programmlisting, das in jeder Zeile des Quellprogramms die Befehlsadresse und den übersetzten Maschinencode ausgibt. Weiterhin werden Symbolstabellen erzeugt, die den zu jedem Symbol gehörigen Zahlenwert angeben. Das Maschinenprogramm wird in einem quasi-standard-format, dem Intel-HEX-Format, erzeugt und auf der Platte abgelegt. Von hier aus kann es dann in den Simulator oder in den Rechner, der ein entsprechendes Ladeprogramm haben muß, geladen und anschließend ausgeführt werden. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf den im Labor vorhandenen Assemblers A51 der Firma Keil. Dieser Assembler ist als Demoversion über das Internet zu beziehen (siehe Kap. 5) Assemblersyntax Wie schon weiter oben gezeigt, besteht eine feste Zuordnung zwischen dem Maschinenbefehl in binärer Form und seiner Darstellung in der Assemblersprache für den betreffenden Prozessor. Die Umsetzung von der Assemblersprache zum Maschinenbefehl kann damit über eine Tabelle erfolgen, die diese Zuordnung enthält. Eine Umsetzung eines in symbolischer Schreibweise geschriebenen Programms kann entweder von Hand durch den Programmierer oder bei Einhaltung gewisser Regeln automatisch durch ein Übersetzungsprogramm (Assembler) erfolgen. Die Umsetzung von Hand über die Zuordnungstabelle ist sehr zeitaufwendig und vor allem auch fehleranfällig. Sie ist nicht mehr zeitgemäß, da für fast alle Prozessortypen Übersetzungsprogramme zur Verfügung stehen. 5-1

2 Soll die Umsetzung automatisch durch ein Programm erfolgen, sind einige Regeln einzuhalten, um eine eindeutige Übersetzung des Quellprogramms sicherzustellen. Diese Regeln bilden die Syntax der verwendeten Assemblersprache. Grundsätzlich wird bei Assemblerquellprogrammen davon ausgegangen, daß pro Zeile nur ein Befehl geschrieben wird. Jede Zeile kann bis zu vier Felder in folgender Form enthalten: Label: Befehl Operanden Kommentar bzw. auf den 8051-Assembler bezogen [Label:] 8051_Befehl [Operand][,Operand][,Operand] [;Kommentar] wobei [ ] optional bedeutet, d.h. nicht in jeder Befehlszeile müssen die in [ ] stehenden Größen vorkommen. Um die Felder eindeutig automatisch erkennen zu können, bestehen für sie die folgenden Regeln: 1. Labelfeld: Ein Label ist ein symbolisches Sprungziel innerhalb eines Programms. Nicht jede Zeile muß einen Label enthalten. Ist ein Label vorhanden, so muß er als erstes Feld innerhalb der Zeile stehen mit einem Buchstaben beginnen mit einem Doppelpunkt abgeschlossen sein nur Buchstaben und Ziffern, keine Leerzeichen und Tabulatoren enthalten nicht länger als 32 Zeichen sein nicht aus einem reservierten Wort (z.b. einem symbolischen Befehlsnamen) bestehen 2. Befehlsfeld: Enthält 8051-Befehle Pseudobefehle (Anweisungen an den Assembler) Makroaufrufe (fassen eine Anzahl von Befehlen und Pseudobefehlen zusammen) 8051-Befehle und Pseudobefehle sind reservierte Worte und daher genau in der Form zu schreiben, wie sie im Datenbuch festgelegt ist. 3. Operandenfeld: Ausdrücke im Operandenfeld bestehen aus Labeln Konstanten reservierten Wörtern die durch arithmetische und logische Operationen verknüpft sein können. 5-2

3 Konstanten können in verschiedenen Zahlensystemen dargestellt werden. Hier gelten folgende Regeln: a. Hexadezimale Konstanten: Müssen mit einer Ziffer beginnen und mit dem Buchstaben H abgeschlossen sein. Beginnt eine Konstante mit einem Buchstaben, so ist eine Null davor einzufügen. b. Dezimale Konstanten: Alle Konstanten, die keine Kennung des Zahlensystems haben (H,B oder ' '), werden als Dezimalzahlen aufgefaßt, sofern sie nur die Ziffern von enthalten. c. Binäre Konstanten: Müssen mit B abgeschlossen sein und dürfen nur die Zahlenwerte 0 und 1 enthalten. d. Stringkonstanten: Werden in Hochkomma eingeschlossen und bilden eine Folge von druckbaren ASCII-Zeichen. Reservierte Wörter beim 8051-Assembler sind: - spezielle Assemblersymbole (Registernamen) A Akkumulator R0,R1,R2,R3 Arbeitsregister in der aktuellen R4,R5,R6,R7 Registerbank DPTR 16-Bit-Datenzeigerregister PC 16-Bit-Programmzähler C Carry-Flag AB Registerpaar A und B für MUL und DIV-Befehl $ repräsentiert den aktuellen Stand des Adresszählers bei der Übersetzung Befehle - Pseudobefehle 4. Kommentarfeld Das Kommentarfeld wird mit einem Semikolon eingeleitet. Alle Zeichen, die zwischen diesem Semikolon und dem nächsten Zeilenwechsel stehen, werden vom Assembler ignoriert. Assembleranweisungen bzw. Pseudoinstruktionen erzeugen bis auf die Ausnahmen DB und DW keinen Maschinencode. Sie dienen dazu, die Arbeitsweise des Assemblers einzustellen bzw. sie zu verändern. Der Assembler A51 kennt über 20 Assembleranweisungen. Hier sollen nur die für die Übungen unbedingt notwendigen Anweisungen angegeben werden. ORG-Anweisung Hat die Form ORG Ausdruck, wobei Ausdruck die Adresse festlegt, auf die der nächste Maschinenbefehl übersetzt wird. Mit der ORG-Anweisung kann die Lage von Programmteilen festgelegt werden. Es sind beliebig viele ORG- Anweisungen in einem Programm zulässig. Auf ihre sinnvolle Anwendung hat der Programmierer zu achten. 5-3

4 END-Anweisung Die END-Anweisung muß in der letzten Zeile eines Quellprogramms stehen und darf nur einmal verwendet werden. Der Assembler beendet die Übersetzung, sobald er die erste END-Anweisung findet. Textzeilen, die nach dieser Anweisung kommen, werden ignoriert. EQU-Anweisung Mit der EQU-Anweisung kann ein Symbol definiert und diesem ein numerischer Ausdruck zugewiesen werden. Ein mit EQU definiertes Symbol kann später nicht mehr neu definiert oder verändert werden. Allgemeine Form: Symbol_Name EQU Ausdruck DB-Anweisung Mit Hilfe der DB-Anweisung kann eine Folge von Bytes im Programmspeicher des 8051 initialisiert werden. Allgemeine Form: [Marke:] DB Ausdruck [,Ausdruck,...]] Die Ausdrucksliste kann eine Folge von Zahlen, Symbolen, Zeichenketten oder Ausdrücken sein, die jeweils durch Komma getrennt werden müssen. Beispiele: DB 33H, 50H, 0FFH-22 TEXT1: DB 'Hallo World!' DS-Anweisung Mit der DS-Anweisung kann eine zusammenhängende Anzahl von Bytes im Programmspeicher, im internen oder externen Datenspeicher reserviert werden. Allgemeine Form: [Marke:] DS <numerischer Ausdruck> Der reservierte Speicherbereich wird in keiner Weise initialisiert. DW-Anweisung Mit Hilfe der DW-Anweisung können zwei-byte-folgen (words) im Programmspeicher des 8051 initialisiert werden. Allgemeine Form: [Marke:] DW Ausdruck [,Ausdruck,...] Mit Hilfe der DW-Anweisung lassen sich z.b. Sprungtabellen realisieren, in denen die Startadressen verschiedener Programme abgespeichert werden. Welches Programm gestartet werden soll, wird zuvor ausgerechnet und dann auf den entsprechenden Speicherplatz zugegriffen. 5-4

5 5.2. Beispiele An Hand von zwei Beispielprogrammen sollen die Arbeitsweise des Assemblers und die Anwendung von Pseudoinstruktionen gezeigt werden. Abb zeigt ein Quellprogramm, in dem auf einen Signalwechsel von 0 nach 1 am Portpin P1.0 gewartet wird. Nachdem dieser Wechsel eingetreten ist, wird der am Port 0 anliegende 8-Bit-Wert in den Accu gelesen und anschließend ein Unterprogramm aufgerufen, das den im Accu übergebenen Wert in eine dreistellige gepackte BCD-Zahl umwandelt und über die Ports P2 (Hunderterstelle) und P3 (Zehner- und Einerstelle) ausgibt. Die Umwandlung in eine BCD-Zahl erfolgt, indem die umzuwandelnde 8-Bit-Zahl zuerst durch 100 dividiert wird. Das ganzzahlige Teilungsergebnis ergibt die Hunderterstelle. Anschließend wird der Teilungsrest durch 10 dividiert. Damit steht dann im Accu die Zehnerstelle und im B-Register die Einerstelle als Teilungsrest. Beide Stelle werden zusammen in einen 8-Bit-Wert gepackt. ORG 0 MOV SP,#70H LOOP: JB P1.0,$ ;Auf 0-->1 - Wechsel an JNB P1.0,$ ;Port 1 Pin 0 warten MOV A,P0 ;Umzuwandelnden Wert von Port 0 einlesen CALL BINBCD JMP LOOP BINBCD: MOV B,#100 ;umzuwandelnder Wert steht im Accu DIV AB ;ganzzahliges Ergebnis in A, Rest in B MOV R6,A ;Hunderterstelle retten MOV A,#10 ;Rest durch 10 dividieren XCH A,B DIV AB SWAP A ;Zehnerstelle in die oberen 4 Bit von A ADD A,B ;Einerstelle in die unteren 4 Bit von A MOV P3,A MOV P2,R6 RET END Abb Assemblerquellprogramm für Binär-BCD-Wandlung Nach der Übersetzung durch den Assembler wird u.a. vom Assembler eine List-Datei (.LST) erzeugt, die das Quellprogramm und den daraus generierten Maschinencode enthält. Abb zeigt diese List-Datei. Der rechte Teil enthält das eingegebene Quellprogramm, links davon stehen die Zeilennummern des Quellprogramms. In diesem Beispiel beginnt das Quellprogramm mit der Zeilennummer 134, weil die Übersetzung zusätzlich eine die Adressen der Special-Function-Register enthaltende INCLUDE-Datei beinhaltete. Über eine solche Include-Datei läßt sich der Assembler leicht an unterschiedliche Derivate des 8051 anpassen. 5-5

6 A51 MACRO ASSEMBLER TEST1 DATE 17/06/92 PAGE 1 MS-DOS MACRO ASSEMBLER A51 V4.4 OBJECT MODULE PLACED IN C:\535\TEST1.OBJ ASSEMBLER INVOKED BY: A51 C:\535\TEST1.ASM LOC OBJ LINE SOURCE 134 $ LIST ORG MOV SP,#70H FD 137 LOOP: JB P1.0,$ ;Auf 0-->1 - Wechsel an FD 138 JNB P1.0,$ ;Port 1 Pin 0 warten 0009 E MOV A,P0 ;Umzuwandelnden Wert von Port ;einlesen 000B CALL BINBCD 000E 80F3 142 JMP LOOP F BINBCD: MOV B,#100 ;umzuwand. Wert steht im Accu DIV AB ;ganzzahl..ergebnis in A, Rest in B 0014 FE 146 MOV R6,A ;Hunderterstelle retten A 147 MOV A,#10 ;Rest durch 10 dividieren 0017 C5F0 148 XCH A,B DIV AB 001A C4 150 SWAP A ;Zehnerst. in d. oberen 4 Bit von A 001B 25F0 151 ADD A,B ;Einerst. in die unteren 4 Bit von A 001D FF 152 MOV R7,A 001E 8EA0 153 MOV P2,R FB0 154 MOV P3,R RET 156 END REGISTER BANK(S) USED: 0 ASSEMBLY COMPLETE, NO ERRORS FOUND Abb Assemblerliste des übersetzten Programms aus Abb.5.2. Links von der Spalte "LINE" befinden sich die Spalten "OBJ" und "LOC". Die Spalte OBJ enthält den übersetzten Maschinencode in hexadezimaler Darstellung. Aus der Spalte LOC kann die Speicherplatzadresse des betreffenden Befehls entnommen werden. Diese ist z.b. bei der Fehlersuche wichtig, wenn das Programm nur bis zu einer bestimmten Stelle ausgeführt und dann unterbrochen werden soll und wenn kein symbolischer Debugger zur Verfügung steht. Die Übersetzung des Befehls MOV B,#100 in Zeile 144 des Beispielprogramms liefert 75F064. Der Befehlscode für das Laden eines direkt adressierbaren Speicherplatzes (hier des B-Registers) mit einer Konstanten ist 75H. Das nächste Byte F0H stellt die Adresse des B-Registers im SFR-Bereich dar und der darauffolgende Wert 64H ist die Größe der zu ladenden Konstante (100 entspr. 64H). Sollte die Übersetzung nicht fehlerfrei gewesen sein, werden die fehlerhaften Zeilen im List-File markiert und mit einer Fehlerbeschreibung versehen. 5-6

7 Zusätzlich erzeugt der Assembler eine sog. HEX-Datei, die den übersetzten Maschinencode und die Ladeadressen enthält. diese Datei wird benutzt, um das Programm in den Simulator bzw. Übungsrechner zu laden. Das zweite Beispielprogramm in Abb ist etwas umfangreicher und soll zeigen, wie die in Kap besprochenen Regeln und Anweisungen angewendet werden können. Dieses Programm liest die an Port 1 des Übungsrechners eingestellte Tastenkombination ein und gibt die eingelesene Dualzahl als zweistellige Hexadezimalzahl xxh auf dem Bildschirm mit folgender Meldung aus: "An Port 1 liegt der Wert xxh an" Sobald sich der eingestellte Wert ändert, wird die Meldung erneut mit dem geänderten Wert ausgegeben. Dieses Programm sollte selbständig durchgearbeitet werden. Vor allem sollten die Umwandlung von vierstelligen Dualzahlen in Hexadezimalzeichen über eine mit DB definierte Tabelle und die Ausgabe von Texten betrachtet werden. ; Programm läuft nur auf dem Übungsrechner RAM equ 8000h ;ab 8000h ist RAM Stackanf equ 7fh ;Stackbereich ab 80h org RAM mov sp,#stackanf mov dptr,#text1 ;erster Teil des Meldetextes call texta mov a,p1 loop1: mov b,a swap a ;am Port eingestellte Zahl als anl a,#0fh ;2-stellige HEX-Zahl ausgeben mov dptr,#hextab call saus ;obere 4 Bit als HEX-Zahl mov a,b anl a,#0fh call saus ;untere 4 Bit als HEX-Zahl mov dptr,#text2 ;Rest der Meldung ausgeben call texta warte: mov a,p1 cjne a,b,loop1 ;hat sich der eingestellte Wert jmp warte ;geändert? hextab: db text1: db text2: db ' ABCDEF' 0dh,0ah,'An Port 1 liegt der Wert $' 'H an',0dh,0ah,'$' ;Unterprogramme für serielle Ein/Ausgabe ;SAUS sendet ein Zeichen vom Übungsrechner an den als Terminal arbeitenden PC. ; Das zu sendende Zeichen muß im Accu stehen. 5-7

8 saus: jnb ti,$ ;ti = 1, wenn neues Zeichen gesendet werden clr ti ;kann, ti muss softwaremäßig gelöscht werden mov sbuf,a ;sbuf = Sendepuffer, wenn sbuf geschrieben wird ret ;TEXTA Gibt einen String aus, der mit "$" abgeschlossen sein muß ; Erwartet Startadresse des Textes im DPTR, "$" selbst kann ; nicht ausgegeben werden texta: clr a cjne a,#'$',texta1 ret texta1: call saus inc dptr jmp texta ;HEXA Gibt den Inhalt des Accus als zwei Hexadezimalzeichen aus hexa: mov r2,a swap a anl a,#0fh mov dptr,#hextab call saus mov a,r2 anl a,#0fh call saus ret end Abb Zweites Beispielprogramm 5-8