Rechnerarchitektur und Betriebssysteme (CS201): AVR-CPU und -Assembler

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1 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme (CS201): AVR-CPU und -Assembler 1. Oktober 2013 Prof. Dr. Christian Tschudin Departement Mathematik und Informatik, Universität Basel Wiederholung / Diskussion 1. Was ist der Unterschied zw. Mikrokontroller und Mikroprozessor? 2. Welcher Teil eines statischen RAMs ist statisch? 3. Was stellt die Speicherpyramide dar? 4. Ist die Intel 0x86-Prozessorenserie little- oder big-endian? 5. Was ist der Unterschied zwischen Compiler und Assembler? c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 2/38

2 Compiler, Assembler, Linker Schema zeigt Werkzeugkette, nicht die Abstraktionsniveaus c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 3/38 Micro-Programmierung, Version (fehlt seit 2012) IUS Intel Upgrade Service im Web viel Polemik. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 4/38

3 Uebersicht ATmega128 - ISA (instruction set architecture): Adressierungsmodi ausgewählte Instruktionen Programmierbeispiele Memory-Layout, Stack Stackmaschine, Postfix-Code Prozeduraufruf c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 5/38 ATmega128 Ressourcen Hersteller, Befehlssatz (über 150 Seiten!): AVR Studio v6.1 (vs v3.56) Version 3.56 wäre bevorzugt, funktioniert unter Wine C-Compiler: Tutorial: (veraltet?) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 6/38

4 Wiederholung: Von Neumann-Architektur Das Programm ist im Speicher und wird wie Daten behandelt.. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 7/38 Die sog. Harvard -Architektur für CPUs Leichte Abweichung von der Von Neumann-Architektur: Die Instruktionen sind in einem separaten Speicher- und Adressraum. AVR Microcontroller hat eine Harvard-Architektur. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 8/38

5 Die AVR-CPU 8-Bit CPU, 32 Register Uniforme Länge der Instruktionen: 2 Bytes (und 4 Bytes) 5 Speicherzugriffsmodi Allgemeines Format der Befehle: 4 x 4Bits opcode Parameter1 Destination Parameter2 Beispiel für LDI (load immediate): 1110 KKKK dddd KKKK, d=zielregister, K=Zuweisungskonstante ldi r17, 129 c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 9/38 Adressierungsmodus 1: Immediate Siehe auch ATMEL-Dokument zum AVR-Instruktionssatz ldi Rd, const (load immediate) Register erhält Wert einer Konstante Immediate : Konstante ist Teil der Instruktion Auch register direct genannt c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 10/38

6 Adressierungsmodus 2: Data Direct lds Rd, addr sts addr, Rs (Load Direct from data Space) (Store Direct to data Space) Ziel oder Quelle ist ein Register, Quelle oder Ziel ist der Primärspeicher Dem Befehl folgt die Adresse (16 Bits) d.h. gesamter Befehl belegt 4 Bytes c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 11/38 Adressierungsmodus 3: Indirect ld Rd, X st X, Rs (Load indirect from Data space) (Store indirect to Data space) Ziel oder Quelle ist ein Register, Quelle oder Ziel ist eine Speicherzelle im Primärspeicher, deren Adresse im X-Registers definiert ist. Das X-Register ist ein Pointer Technisch: X-Register = Kombination R26:R27 c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 12/38

7 Adressierungsmodus 3 : Indirect with Displacement ldd Rd, Y+d std Y+d, Rs (Load indirect from Data space w/ Displ) (Store indirect to Data space w/ Displ) Ziel oder Quelle ist ein Register, Quelle oder Ziel ist eine Speicherzelle im Primärspeicher, deren Basis-Adresse im Y-Registers definiert ist, zu welcher noch das Displacement (Offset) addiert werden muss Das Y-Register ist ein Pointer Technisch: Y-Register = Kombination R28:R29 c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 13/38 AVR Studio und WINE Die Simulationsumgebung AVR Studio 3.56 kann mit WINE auch unter Linux betrieben werden. WINE (Wine is Not an Emulator) implementiert die Window Programmier-Schnittstelle und bildet Aufrufe auf Linux ab. 3 Varianten, um Windows-Binaries auszuführen: avrstudio.exe avrstudio.exe Windows vmware o.ä. avrstudio.exe WINE Windows Linux Linux c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 14/38

8 Programmierbeispiel 1: Vorzeichen wechseln Input: in Register 16 Output: Register 16 ldi r16, 15 ; Konstante 15 an Register 16 ldi r17, 255 ; Konstante 255 an Register 17 eor r16, r17 inc r16 ; xor von r16 ; r16 um 1 erhöhen Zuerste müssen die Register geladen werden, dann das 2er-Komplement berechnen. Beachte die Bit-Negation mit XOR. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 15/38 Implementierung von IF...ELSE in C: if (r1 < r2), if (r1 <= r2), if (r1 == r2) etc AVR hat ca ein Dutzend Vergleichsoperationen (Seite 10): BR{LT, GE} branch if less than, if greater or equal BR{EQ, NE} branch if equal, if not equal BRCS und BRCC branch if carry set, if carry clear BRLO branch if lower (unsigned) BRSH branch if same or higher (unsigned) BR{MI, PL} branch if minus, if plus BR{VC, VS} branch if overflow clear, if set sowie weitere Abfragen auf anderen Bits und Flags c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 16/38

9 Bedingte Ausführung von Code C: if (r1 < r2) { statement; } Realisierung in zwei Schritte: zuerst Register vergleichen, dann auf Grund von Nebeneffekten (Flags) bedingter Sprung Umsetzung: cp r1, r2 brge L1... statement... ; vergleiche (compare) r1 mit r2 L1: nop ; hier geht s weiter ; verzweige falls r1 >= r2 (mit Vorzeichen!) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 17/38 Ausführung von Code-Alternativen C: if (r1 < r2) { stmt1; } else { stmt2; } Umsetzung: cp r1, r2 ; vergleiche (compare) r1 mit r2 brge L1 ; verzweige falls r1 >= r2 (mit Vorzeichen!)... stmt1... rjmp L2 L1:... stmt2... L2:... ; hier geht s weiter c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 18/38

10 WHILE Schleife C: while (r1 < r2) { statement; } Umsetzung: L1: cp r1, r2 ; vergleiche (compare) r1 mit r2 brge L2 ; springe hinaus falls r1 >= r2 (mit Vorzeichen!)... statement... rjmp L1 L2:... ; hier geht s weiter c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 19/38 REPEAT-UNTIL bzw DO-WHILE Schleife C: do { statement; } while (r1 < r2); Umsetzung: L1:... statement... cp r1, r2 ; vergleiche (compare) r1 mit r2 brlt L1 ; springe zurück falls r1 < r2 (mit Vorzeichen!)... ; hier geht s weiter c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 20/38

11 FOR Schleife C: for (stmt1; r1 < r2; stmt2) { stmt3; } Umsetzung: stmt1 L1: cp r1, r2 ; vergleiche (compare) r1 mit r2 brge L2 ; springe hinaus falls r1 >= r2 (mit Vorzeichen!)... stmt stmt2... rjmp L1 L2:... ; hier geht s weiter c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 21/38 Programmierbeispiel 2: Reihe Zahlen von 1 bis N addieren. clr r0 ; Register auf 0 setzen ldi r16, 1 ; Konstante 1 (erste Zahl N) an Register 16 ldi r17, 4 ; Konstante 4 als Zähler-Variable in Register 17 L1: ; Label (logische Adresse) add r0, r16 ; addiere Inhalt von r16 zu r0 inc r16 ; N erhöhen dec r17 ; Zähler verkleinern (setzt Zero-Flag) brne L1 ; zurück zu L1, falls ungleich 0 end: nop ; no-operation BRNE = branch if not equal c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 22/38

12 Programmierbeispiel 3: Länge eines Strings berechnen ASCIIZ: String wird durch das Zeichen 0x00 abgeschlossen. (in C) Neue Befehle: rjmp relative jump.db Assembler-Anweisung für Datenablage cpi compare immediate, Vergleich mit einer Konstant Z Pseudoregister Zugriff auf Programmspeicherbereich (Z = R31:r30) adiw add immediate to word Bearbeitung von Z lpm load from program memory c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 23/38 Programmierbeispiel 3: Fortsetzung rjmp main str:.db "hello", 0 main: clr r16 ; Register auf 0 setzen ldi r30, LOW(str*2) ; Programmspeicher hat Wort-Adressen ldi r31, HIGH(str*2) L1: lpm r17, Z ; lese Byte cpi r17, 0 ; schon 0? breq L2 ; falls ja gehe zu L2 inc r16 ; erhöhe Zähler r16 adiw r30, 1 ; erhöhe Z Pointer rjmp L1 ; Schleife weiter bei L1 L2: c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 24/38

13 Speicheradressen des Datensegments (Memory Map) 0x0100 0x10ff Stack 4096 Hauptspeicher Zellen (SRAM) 0x0060 0x00ff 0x0020 0x005f 0x0000 0x001f 8 Bits 160 "extended IO" Registers 64 "Input/Output" Register 32 "general purpose" Register c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 25/38 Stack Stapel, Kellerspeicher etc Zwei Operationen: push (neues Element drauf -legen) pop (oberstes Element wegnehmen) Stack pointer (SP): zeigt auf erste freie Stelle Bei AVR (und meisten CPUs): Stack wächst nach unten d.h. ein PUSH verkleinert den Wert des Stack Pointer c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 26/38

14 Stack im AVR-Chip Stack liegt im Datensegment (SRAM) SP ist ein Spezialregister, 16-bit weit. Alle Register sind memory-mapped, auch SP: 0x5d (low byte) 0x5e (high byte) Initialisierung: ldi r16, LOW(4352-1) sts 0x005d, r16 ldi r16, HIGH(4352-1) sts 0x005e, r16 ; Bem: wäre kompakter zu kodieren mit port -Befehlen c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 27/38 Stack-Verwendung Dynamischer Speicher anlegen: Bytes ablegen (und holen) Gegensatz: statisch allozierte Variablen: üblicherweise im unteren Speicherbereich (0x ) (Konstanten: im code -Segment / read-only memory) Beispiel: Register temporär freimachen push r12 ; Inhalt von r12 auf Stack... ; beliebige Verwendung von r12 pop r12 ; r12 erhält wieder den alten Wert Wiederholung: Stackpointer zeigt auf erste freie Position c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 28/38

15 Stack-Maschinen Operationen meist nur im Register wegen Geschwindigkeit (Speicherzugriff) Stack wird aber als Zwischenablage verwendet Beispiel: 3 * ( fct(4) + fct(5) ) sei zu berechnen Umsetzung: push 3 call fct(4) (Resultat auf dem Stack) call fct(5) (Resultat auf dem Stack) pop r1 / pop r2 / add r1,r2 / pop r2 / mult r1,r2 Heutige CPUs sind keine reinen Stackmaschinen, aber beinahe c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 29/38 Infix, Postfix und Prefix-Notation Arithmetische Ausdrücke in verschiedenen Darstellungen: Normale (Infix-) Notation: 3 mult (4 plus 5) Postfix Notation: plus mult reine Stackmaschine keine Register nötig keine Klammern auch bekannt als RPN reverse polnish notation Grundlage von PostScript, Forth Prefix Notation: (mult 3 (plus 4 5)) z.b. in LISP, Tcl c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 30/38

16 Exkurs: Postfix-Notation funktioniert auch für Code C: if ( test(a) ) { stmt1; } else { stmt2; } Umsetzung in Postfixnotation (PostScript) a % push a test % call: Funktion wird Resultat auf dem Stack lassen { stmt1 } % dies setzt einen Codeblock auf den Stack { stmt2 } % dies setzt einen Codeblock auf den Stack ifelse % erwartet 3 Argumente auf dem Stack, führt einen % der Codeblocks aus gemäss 3. Wert auf Stack Vorteil: keine Labels nötig c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 31/38 Postfix-Order abarbeiten (mit Register) infix: a + b * c + (d * e + f) * g postfix: a b c * + d e * f + g * + Initialisiere Stack DO Lese Postfix-Ausdruck Symbol für Symbol IF nächstes Symbol ein Operand THEN push Operand IF nächstes Symbol ein Operator THEN pop von zwei Operanden vom Stack (z.b. in Register) wende Operator an push des Resultats FI OD Schlussresultat auf dem Stack c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 32/38

17 Postfix-Order erzeugen Compiler-Arbeit infix: a + b * c + (d * e + f) * g postfix: a b c * + d e * f + g * + + Syntaxbaum des (Infix-) Ausdrucks erzeugen + + * Baum depth first traversieren (siehe Algo&Daten) * * a b c d e f g dabei Operator (eines Knotens) am Schluss ausgeben. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 33/38 Subroutinen s1: call s1 nop ret Code an Adresse s1 soll mehrfach verwendet werden können. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 34/38

18 (r)call und ret: Stack für Rücksprung-Adresse nutzen call: legt das Wort PC + 1 auf den Stack, SP (Stack-Ptr) wird um 2 verkleinert (post-decrement) setzt PC (Prog-Counter) auf die Adresse der Subroutine ret: erhöhe SP um 2 (pre-increment) ersetzt PC mit Stackwort, auf den SP zeigt rcall S1... S1:... Code von S1... ret c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 35/38 Prozedur-Aufruf Beispiel mit max() C: void max() { if (r1 > r2) r3 = r1; else r3 = r2; } max: cp r2, r1 ; Prozedur max() brge L1 mov r3, r1 rjmp L2 L1: mov r3, r2 L2: ret... main: rcall max ; Prozeduraufruf c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 36/38

19 Prozedur-Aufruf ohne Stackpointer! Rücksprung-Adresse muss nicht im Stack abgelegt werden. Statt rcall max (mit impliziter Benutzung des Stacks) Rücksprungadresse in Reg (oder Hauptspeicher) ablegen. Beispiel mit Register Z (r30:r31) max: cp r2, r1... L2: ijmp ; indirect Jump: benutzt Inhalt von Reg Z main: ldi r30, LOW(next) ldi r31, HIGH(next) rjmp max next:... ; statt rcall c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 37/38 Prozedur-Aufruf ohne Stackpointer! (Forts) Problem: Nur 1 Register Z vorhanden: was, falls max() eine zweite Prozedur aufrufen muss? Für jeden Aufruf (!) einen separaten Speicherplatz, um Rücksprung abzulegen Damit ist aber keine Rekursion möglich. ( frühes Fortran) Man könnte die separaten Speicherplätze wie einen Stapel verwalten (Rekursion auch ohne CPU- Stackpointer ist möglich) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme , 38/38