Система команд микроконтроллера AVR MEGA128

Базовый набор команд языка ASSEMBLER для микроконтроллеров AVR содержит 120 инструкций, которые можно разделить на 4 группы: команды пересылки данных; арифметические и логические команды; инструкции для работы с битами; команды управления ходом исполнения программы.

Команды пересылки данных. Группа команд пересылки данных включает в себя инструкции по загрузке значений констант, пересылки данных типа регистр – регистр, регистр – память, регистр – порт ввода/вывода. Команды данной группы являются двухоперандными, причем первым операндом является приемник данных, а вторым – источник данных.

Команда загрузки констант ldi R, K применяется для записи непосредственного значения К в регистр – приемник R. В качестве регистра – приемника могут использоваться регистры общего назначения R16 – R31. Если константа представлена в двоичной или шестнадцатеричной системах счисления, то перед значением константы К необходимо указать спецификатор системы счисления 0b – для двоичной, 0х – для шестнадцатеричной соответственно. Примеры:

ldi R16, 125 загрузка в R16 десятичного числа 125;

ldi R20, 0xFF загрузка в R20 шестнадцатеричной константы FFh;

ldi R23, 0b11011001 загрузка в R23 двоичной константы 11011001.

Команда пересылки данных между регистрами mov Rd, Rs используется для пересылки значения из регистра-источника Rsв регистр-приемник Rd. Операнды в команде являются исключительно регистрами общего назначения R0 – R31.

Примеры:

mov R16, R0 загрузка в R16 значения из регистра R0;

mov R17, R20 загрузка в R17 значения из регистра R20.

В командах пересылки данных между регистром и ячейкой памяти используется механизм косвенной адресации, при котором адрес ячейки памяти заносится в один из 16-разрядных регистров Х,Y,Z (cм. рисунок 1.3). Форматы команд:

ld R₈, (R₁₆) – загрузка данных из ячейки памяти, адрес которой находится в 16-разрядном регистре R₁₆, в регистр общего назначения R₈;

st (R₁₆), R₈ – загрузка данных из регистра общего назначения R₈ в ячейку памяти, адрес которой находится в 16-разрядном регистре R₁₆;

ldd R₈, (R₁₆+Q) – загрузка данных в регистр общего назначения R₈ из ячейки памяти, адрес которой находится как сумма значения, находящегося в 16-разрядном регистре R₁₆ , и смещения Q;

std (R₁₆+Q), R₈ – загрузка данных из регистра общего назначения R₈ в ячейку памяти, адрес которой находится как сумма значения, находящегося в 16-разрядном регистре R₁₆ , и смещения Q;

ld R₈, (R₁₆) – загрузка в регистр общего назначения R₈ данных из ячейки памяти, адрес которой находится в 16-разрядном регистре R₁₆;

 

Примеры:

ld R2, X загрузка в R2 значения из памяти по адресу, указанному в Х;

st Y, R5 загрузка значения из регистра R5 в память по адресу, указан-
ному в Y.

ldd R5, Z+1 загрузка в R5 байта из памяти по адресу Z+1;

std Y+4, R7 загрузка байта из регистра R7 в память по адресу Y+4.

Для обращения к портам ввода/вывода в микропроцессоре предусмотрены специальные команды in и out:

in R, P ввод данных из порта с адресом Р в регистр общего назначения R;

out P, R вывод данных из регистра общего назначения R в порт с
адресом Р;

Примеры:

in R10, 0x15 ввод данных из порта с адресом 15h в регистр общего назначения R10;

out 0x2F, R8 вывод данных из регистра общего назначения R8 в порт с адресом 2Fh;

Арифметические и логические команды. Для работы с целыми двоичными числами целочисленное АЛУ микроконтроллера AVR MEGA128 поддерживает более десятка арифметических и логических команд.

Основными арифметическими командами являются инструкции сложения, вычитания и умножения. Операндами в командах данной группы могут быть только регистры общего назначения. Результат операции (кроме умножения) записывается по адресу первого операнда.

Основные команды для выполнения операций сложения, вычитания и умножения (для чисел без знака):

add Rd, Rs команда сложения (addition), действие: Rd=Rd+Rs;

sub Rd, Rs команда вычитания (subtraction), действие: Rd=Rd–Rs;

mul Rd, Rs команда умножения (multipl.), действие: R1, R0=Rd*Rs.

Команды изменяют флаги переноса С, переполнения V, знака N, S, и нуля Z. При выполнении операции умножения n -значных чисел местонахождение результата разрядностью 2n фиксировано и не указывается в команде: при умножении двух байтов результат размером в слово заносится в регистровую пару (R1, R0), в R0 – младшее слово, в R1 – старшее слово.

Примеры:

add R10, R15 R10 = R10 + R15;

sub R2, R7 R2 = R2 – R7;

mul R5, R16 R1,R0 = R5 * R16.

Команды положительного и отрицательного приращения (инкремента и декремента):

inc R инкремент (increment), действие R=R + 1;

dec R декремент (decrement), действие R=R – 1.

В качестве операнда в этих командах допускается использовать только регистр общего назначения.

Примеры:

inc R20 действие R20 = R20 + 1;

dec R16 действие R16 = R16 – 1.

Основными логическими командами микроконтроллера AVR MEGA128 являются:

or Rd, Rs логическое “или”; действие: Rd = Rd or Rs;

and Rd, Rs логическое “и”; действие: Rd = Rd and Rs;

eor Rd, Rs “исключающее или”; действие: Rd = Rd eor Rs.

Данные команды выполняют операции поразрядного логического “или”, логического “и”, “исключающего или” (см. таблицу 1.2) над операндами, находящимися в регистрах общего назначения, причем результат записывается по адресу первого операнда. Примеры:

or R7, R11 действие: R7 = R7 or R11;

and R10, R11 действие: R10 = R10 and R11;

eor R25, R30 действие: R25 = R25 eor R30.

 

Таблица 1.2 – Таблицы истинности логических операций or, end, eor

 

оr (или)	and (и)	eor (исключ. или)
Вход	Выход	Вход	Выход	Вход	Выход
А	В	Q	A	B	Q	А	В	Q

 

Указанные команды используются для выполнения операций поразрядного маскирования: or – для установки единиц в заданных разрядах, and – для установки нулей, еor – для выяснения совпадений значений битов первого операнда с маской. Команды изменяют флаги нуля, Z, знака N и переполнения V. Примеры поразрядных логических операций, иллюстрирующие применение механизма маскирования битов, приводятся в таблице 1.3.

Таблица 1.3 – Примеры поразрядных логических операций

Пример поразрядного маскирования or	Пример поразрядного маскирования and	Пример поразрядного маскирования eor
Rd	хххххххх	Rd	хххххххх	Rd
Rs		Rs		Rs
Rd=Rd or Rs	ххх1хх1х	Rd=Rd and Rs	х0хх0х0х	Rd=Rd eor Rs

 

Команда поразрядного инвертирования:

com R логическое отрицание; действие: R = 0b11111111 – R,

выполняет изменение значений двоичных разрядов операнда (регистр общего назначения) на противоположные.

Пример:

com R3 действие: R3 = 0b11111111 – R3.

Полный перечень арифметических и логических команд микроконтроллера AVR MEGA128 приводится в Приложении Б.

 

Команды для работы с битами. Дополняют совокупность логических операций команды сброса, установки и проверки значений отдельных битов.

Команды сброса cbi P, n и установки sbi P, n битов предназначены для присваивания значений 0 и 1 отдельным битам портов ввода/вывода соответственно. Первым операндом в этих командах является адрес порта ввода/вывода, вторым – номер бита (от 0 до 7).

Примеры:

cbi 0x17, 5 действие: 0x17₅ = 0;

sbi 0x40, 1 действие: 0x40₁ = 1.

Команда логического сдвига lsl R осуществляет сдвиг влево на одну позицию всех битов операнда, а в младший разряд добавляется нуль. Старший бит операнда поступает в флаг переноса С. В качестве операнда могут использоваться только регистры общего назначения. Команда lsr R выполняет сдвиг вправо на одну позицию всех битов операнда, а в старший разряд добавляется нуль. Младший бит операнда поступает в флаг переноса С. Механизм работы и синтаксис аналогичен команде lsl. Примеры использования команд логического сдвига:

lsl R17 выполнить логический сдвиг влево всех разрядов в R17;

lsr R9 выполнить логический сдвиг вправо всех разрядов в R9.

Поменять местами младшую и старшую тетрады байта, загруженного в регистр общего назначения, можно с помощью команды swap R. Следующий фрагмент иллюстрирует действие команды swap:

ldi R19, 0b01001101 загрузить константу 0b01001101 в регистр R19;

swap R19 в результате исполнения команды swap в регистре R19 будет сохранено значение 0b11010100.

Дополняют перечень команд для работы с битами инструкции для сброса/установки значений флаговых разрядов в регистре статуса SREG, описание которых приводится в Приложении Б.

Команды сравнения, условного и безусловного перехода. Команда сравнения cp Rd, Rs – осуществляет действие Rd–Rs и устанавливает флаги нуля Z, отрицательного результата N, переполнения V, переноса C и дополнительного переноса H. Результат не сохраняется по адресу первого операнда, а только формируются флаги. Операндами могут быть только регистры общего назначения.

Команды условного перехода вызываются сразу после команд сравнения (или других инструкций, вызывающих изменения битов регистра состояния SREG) и на основе анализа флагов осуществляют переход по указанному адресу (метке) в памяти команд.

Наиболее распространенными среди команд этой группы являются:

breq M переход на М, если равно;

brne M переход на М, если неравно;

brlo M переход на М, если меньше;

brsh M переход на М, если больше или равно.

 

Пример совместного использования команд сравнения и условного перехода:

cp R1, R5 сравнить значения в регистрах R1 и R5;

breq lbl1 выполнить переход на метку lbl1, если значения в регистрах R1 и R5 равны (R1–R5=0).

Команда rjmp М осуществляет безусловный переход по указанному
8-разрядному адресу (метке, label) в памяти команд. Пример:

rjmp lbl2 безусловный переход на метку lbl2.

Команда jmp М осуществляет безусловный переход по указанному
16-разрядному адресу (метке, label) в памяти команд. Пример:

rjmp lbl3 безусловный переход на метку lbl3.

Полный перечень команд сравнения и перехода приводится в Приложении Б.

 

1.1.4 Синтаксис и основные операторы языка С

Сложные программные проекты можно более компактно описывать (по сравнению с языком Assembler) с помощью языка программирования С, который обладает возможностями языков низкого и высокого уровня, а также большой библиотекой функций.

Алфавит языка С состоит из строчных и заглавных букв латинского алфавита, цифр (0 – 9) и специальных символов. Причем, при записи идентификаторов и ключевых слов необходимо учитывать регистр символов. Так, идентификаторы sysreg и Sysreg не являются одинаковыми. Все ключевые слова должны быть набраны строчными буквами. Разделителем между операторами является символ “;” Закомментированные строки начинаются с идущих подряд двух символов “//”.

Константы в языке С декларируются с помощью директивы #define в соответствие с синтаксисом:

#define имя константы значение.

При работе с аппаратными средствами удобно записывать константы в двоичной и шестнадцатеричной формах. Перед значением констант ставятся символы 0b и 0x для двоичного и шестнадцатеричного представлений соответственно. Регистр символов при записи шестнадцатеричных констант не имеет значения. Примеры объявления констант:

#define k 25; // объявлена десятичная константа k=25;

#define KX 0xF5; // объявлена шестнадцатеричная константа KX=F5h;

#define k2 0x6e; // объявлена шестнадцатеричная константа k2=6Eh;

#define KB 0b1010; // объявлена двоичная константа KB=0b1001.

Базовыми целыми типами данных в языке С являются: сhar (размер 1 байт, диапазон значений – 128 ¸ 127) и int (размер 2 байта, диапазон значений – 32768 ¸ 32767). Модификатор unsigned, записывыемый перед именем базового типа, позволяет интерпретировать значения приведенных выше типов данных как числа без знака: unsigned сhar (размер 1 байт, диапазон значений 0 ¸ 255), unsigned int (размер 2 байта, диапазон значений 0 ¸ 65535). При этом старший разряд является битом данных, а не знаковым битом числа.

Все переменные должны быть декларированы до их использования в программе. При записи имен переменных необходимо учитывать регистр символов. Формат объявления переменной:

тип данных имя переменной [=начальное значение].

Если несколько переменных имеют одинаковый тип данных, то при объявлении их идентификаторы можно перечислить через запятую. Начальное значение переменной можно не указывать. Примеры:

char A=10;

int B, C, D;

unsigned int E, F.

Рассмотрим основные операторы языка С.

Оператор присваивания имеет следующий синтаксис:

идентификатор = выражение.

В выражениях над операндами могут использоваться следующие арифметические и логические операции языка С:

Арифметические операции:

+ сложение;

– вычитание;

* умножение,

/ деление.

Логические операции:

|| логическое ИЛИ;

&& логическое И;

! логическое НЕ;

| побитовая операция ИЛИ;

& побитовая операция И;

^ побитовая операция исключающее ИЛИ;

~ побитовая операция НЕ;

<< логический сдвиг влево;

>> логический сдвиг вправо.

Язык С относится к строго типизированным языкам программирования: переменным одного типа нельзя непосредственно присваивать значения другого типа данных. Для однозначного определения приоритета операций в выражениях необходимо использовать круглые скобки (). Пример оператора присваивания:

A = (B+C)*D.

Оператор условия if/else позволяет выполнять одно из двух действий в зависимости от условия. Синтаксис оператора:

if (условие) выражение1;

[ else выражение2].

Условие представляет собой выражение, заданное с помощью операций отношения:

== равно;

!= не равно;

< меньше;

<= меньше или равно;

> больше;

>= больше или равно.

Если условие истинно, то выполняется выражение1, если ложно – выражение2. Часть else может отсутствовать. Если, в зависимости от условия необходимо выполнить фрагмент программы, состоящий из нескольких операторов, то их необходимо поместить в фигурные скобки { }. Пример использования оператора условия:

if (A==B) {C=D+E; I=N+5};

else {C=D–E; I=N–5;}.

Оператор выбора switch/case позволяет избирательно выполнить фрагмент программного кода, в зависимости от значения выражения. Формат оператора:

switch (целочисленное выражение) {

case константа1: выражение1;

break;

case константа2: выражение2;

break;

...

case константаN: выражениеN;

break;

[ default: действия по умолчанию;] }

Оператор break должен находиться во всех ветвях, в противном случае нарушится выборочное выполнение команд в ветвях после case. Ветвь default можно не указывать. Пример использования оператора выбора:

switch (num) {

case 0: A=B+C; C=D+2;

break;

case 1: A=B–C; C=D+10;

break;

case 5: A=B*C; C=D+15;

break; }

Оператор цикла с параметром for используется в тех случаях, когда заранее известно количество итераций цикла. Синтаксис оператора цикла for приведен ниже:

for (инициализирующее выражение; условное выражение; модифицирующее выражение)

{

операторы тела цикла;

}

Рассмотрим работу цикла for: инициализирующее выражение при первом запуске цикла присваивает начальное значение счетчику цикла; затем анализируется условное выражение (цикл выполняется пока условие истинно). Каждый раз после всех строк тела цикла выполняется модифицирующее выражение, в котором происходит изменение счетчика цикла. Выход из цикла произойдет, как только условное выражение получит значение false. Пример оператора цикла:

s=0;

m = 1;

for (i=1; i<=10; i++)

{ s=s+i;

m=m*i; }

Оператор цикла с предусловием while применяется, когда число повторений неизвестно, но необходимо выполнить некоторое условие. Формат оператора приведен ниже:

while (условное выражение)

{

операторы тела цикла;

}

Оператор начинается с ключевого слова while, за которым следует логическое выражение, возвращающее значения false или true. Операторы, заключенные в фигурных скобках, образуют тело цикла. Пример использования оператора цикла while:

a=0;

while (a<10)

{ b=(c+d)*a–f;

a=a+2; }

Подпрограммы на языке С оформляются в виде функций. Описание функции имеет следующий синтаксис:

[Тип возвращаемого значения] имя функции ([список параметров])

{

[декларации локальных переменных]

операторы тела функции;

[ return выражение;]

}

Если функция не возвращает значения, то тип возвращаемого значения не указывается и секция return не используется. При отсутствии параметров после имени функции обязательно указываются пустые круглые скобки (). Тело функции заключается в фигурные скобки { }. Переменные, объявленные в теле функции, являются локальными (видимыми только в пределах тела функции). Функции, возвращающие значения, можно использовать в правой части операторов присваивания.

Рассмотрим пример декларации функции, возвращающей, в зависимости от значения аргумента С, сумму или разность двух целых чисел:

int sum (int A, int B, char C)

{

if (C>=0) return A+B;

else return A–B;

}

Пример функции, не имеющей аргументов и не возвращающей значения:

init_data () {

A=10;

B=100+А; }

 

При программировании микроконтроллера часто возникает необходимость использовать ассемблерный код в программе, написанной на языке С. В этом случае фрагмент программы, составленный из ассемблерных операторов, помещается в операторные скобки:

#asm

операторы языка Assembler

#endasm;

Пример фрагмента программы на языке Assembler:

#asm

mov r1,r5

ldi r17,0xf5

#endasm;

Одиночный ассемблерный оператор в теле С – программы может быть записан в виде директивы #asm("Оператор языка Assembler”);.

Пример:

#asm ("out 0x12,r16"); // выполнить команду out 0x12,r16.

Функции, написанные на ассемблере, возвращают значения через регистр R30 для типов char и unsigned char, и регистровую пару (R31, R30) для типов int и unsigned int (в R31 – старший, а в R30 – младший байты). Параметры функции передаются через стек, на вершину которого указывает регистр Y, причем старший байт слова записывается по старшему адресу. Механизмы вызова и возврата из функции осуществляются средствами компилятора С. Директива #pragma warn- запрещает компилятору генерировать предупреждения о том, что функция не возвращает результат стандартным способом (с помощью оператора return).

В качестве примера рассмотрим ассемблерную функцию, выполняющую суммирование двух целых чисел и возвращающую значение типа int (пояснения к ассемблерному коду прилагаются):

int summa (int A, int B)

{

#asm

ldd R27, Y+3 загрузить старший байт параметра А;

ldd R26, Y+2 загрузить младший байт параметра А;

ldd R25, Y+1 загрузить старший байт параметра В;

ld R24, Y; загрузить младший байт параметра В;

add R24, R26 выполнить суммирование младших байтов А и В;

adc R25, R27 выполнить суммирование старших байтов А и В

c учетом флага переноса С;

mov R30, R24 записать младший байт суммы в регистр R30;

mov R31, R25 занести старший байт суммы в регистр R31;

#endasm

}

Вызов данной функции может осуществляться следующим образом:

...

int С;

C=summa (10, 15);

...

Часто в ассемблерных подпрограммах возникает необходимость получить доступ к значениям переменных, объявленных в С–программе. Размещение переменных (в регистрах процессора или памяти данных) можно определить из файла с расширением *.map, имя которого совпадает с именем файла исходного кода программы. Данный файл генерируется компилятором и находится в одном каталоге с исходным модулем программы.

Рассмотрим структуру программы на С. Текст исходного модуля программы начинается с директив препроцессора #include <имя файла.h>, с помощью которых в программный код проекта подгружаются файлы заголовков, содержащие объявления различных констант, идентификаторов и прототипы функций. Пример использования данной директивы, подгружающей заголовочный файл mega128.h:

#include <mega128.h>

Далее следуют объявления констант (с помощью директив #define) и глобальных переменных.

Затем записываются декларации функций, используемых в тексте главной программы, расположенной в теле функции main(), с операторов которой начинается выполнение программы. Тело функции main() расположено внутри фигурных скобок {}.

 

1.1.5 Принципы программного управления светодиодами, подключенными к внешним выводам портов ввода/вывода микроконтроллера AVR ATMEGA128

Согласно технической документации на выходных линиях микроконтроллеров AVR при уровне напряжения, соответствующем “логическому нулю”, ток нагрузки составляет порядка 20 мА. Стандартные светодиоды потребляют ток в пределах 3¸20 мА при рабочем напряжении порядка 1,5¸4 В. Это позволяет непосредственно подключать светодиод к выходной линии порта последовательно с ограничивающим ток резистором (см. рисунок 1.5). Второй вывод цепи необходимо подсоединить к положительному полюсу источника питания (+5 В).

Для управления светодиодом необходимо подавать на соответствующий вывод микроконтроллера уровни “логического нуля” или “логической единицы”. При появлении на выводе микроконтроллера, к которому подключен светодиод, уровня «логического нуля», падение напряжения на светодиоде будет достаточным для свечения. При формировании на соответствующем выводе микроконтроллера напряжения “логической единицы” падения напряжения на светодиоде не будет, и он будет погашен.

 

Рисунок 1.5 – Схема подключения светодиода к выходу порта

ввода/вывода микроконтроллера AVR

 

Для управления уровнями напряжения на выходных линиях микроконтроллера можно применять алгоритмы маскирования или, непосредственно, команды для работы с битами (cbi, sbi), описанные в пункте 1.1.3 Прямое обращение к регистрам портов ввода/вывода на языке Assembler обеспечивается с помощью команд in и out (см. пункт 1.1.3). Компилятор языка С допускает использование идентификаторов регистров ввода/вывода: DDRX – регистр управления направлением передачи данных, PORTX регистр вывода данных, PINX – регистр ввода данных, где Х – обозначение порта ввода/вывода. Например, программно доступные регистры порта А обозначаются как: DDRA, PORTA, PINA (см. таблицу 1.1). Если линия порта ввода/вывода Х программируется на вывод, то в соответствующем бите регистра управления направлением передачи данных DDRX должна быть установлена 1, если на ввод – то 0. Рассмотрим примеры:

unsigned char a, b;декларация переменных а и b размером в байт;

DDRB=0b0101110;линии 0, 5 и 7 порта В запрограммированы на вывод данных, остальные (1,2,3,6) – на ввод.

DDRD=0xFF;установка всех линий порта D в режим вывода данных;

а=0х12;присвоить переменной а значение 12h;

PORTD = a; вывести данные (значение переменной а) в порт вывода D.

DDRС=0;установка всех линий порта С в режим ввода данных;

b=PINС; записать данные из порта ввода С в переменную b.

Для работы с отдельными разрядами регистров портов ввода/вывода на языке С можно использовать конструкции: POTTX.N и PINX.N, где N – номер бита. Например,

PORTB.2=0; второй бит порта D сбросить в 0;

PORTB.4=1; четвертый бит порта D установить в 1;

PORTD.5=PINF.3;пятому биту порта D присвоить значение третьего

бита порта F;

Наиболее универсальным способом работы с отдельными разрядами регистров портов ввода/вывода является использование масок и поразрядных логических операций.

 

1.2 Описание лабораторной установки

 

Лабораторная работа выполняется в индивидуальном порядке. На каждом рабочем месте должны быть установлены: многофункциональный лабораторный макет на базе микроконтроллера AVR ATMEGA 128, ПЭВМ типа IBM PC/AT c инсталлированным программным обеспечением: операционной системой MS–WINDOWS v. 9x, 2000, XP и программатором на основе кросс-компилятора языка программирования C CodeVision AVR.

1.2.1 Описание лабораторного макета

Лабораторный макет представляет собой универсальное устройство на базе 8-разрядного микроконтроллера AVR ATMEGA 128 (f_т=11,0592 MГц), в состав которого входят (рисунок 1.6): микроконтроллер AVR ATMEGA128, графический ЖК-дисплей Toshiba T6963C, блок светодиодов, клавиатуры: 3´4 и 3´1 (количество столбцов ´ количество строк), АЦП, внешний аналоговый термодатчик, пьезоизлучатель, последовательный интерфейс RS-232C. Сопряжение лабораторного макета и программатора (ПЭВМ) обеспечивается с помощью последовательного интерфейса SPI, конструктивно использующего стандартный разъем Centronics DB-25. Общий вид передней панели лабораторного макета приведен на рисунке 1.7. Управление встроенным в макет графичес-
ким ЖК-дисплеем осуществляется через порты А и С. Блок из восьми светодиодов подключен к микроконтроллеру через порт D. Сопряжение клавиатуры 3´4 осуществляется с помощью порта Е. Через порт F, линии которого являются входами АЦП, к микроконтроллеру подключаются: пьезоизлучатель, термодатчик и клавиатура 3´1. Порт В микроконтроллера свободен и предназначен для подключения внешних устройств, таких как цифровые ЖК-индикаторы, датчики и т.д. Расположение выводов микроконтроллера AVR АТMEGA 128 приводится в Приложении А.

Рисунок 1.6 – Структурная схема лабораторного макета на базе