No title

Mikrokontoléry Atmel AVR

ASSEMBLER Vladimír Váòa

Praha 2003

Publikace poskytuje základní informace dùležité pro aplikaci jednoèipových mikrokontrolérù AVR firmy ATMEL. Klade si za cíl seznámit pøedevším zaèáteèníky s tvorbou programového vybavení pro mikrokontroléry AVR. Volnì navazuje na knihu "Mikrokontroléry Atmel AVR – popis procesoru a instrukèní soubor". V této knize se budeme vìnovat pouze jednomu assembleru a to ATMEL AVR assembleru pro mikrokontroléry øady AT90S. Tento assembler poskytuje zdarma firma ATMEL. Nejprve se seznámíme se strukturou AVR programù v assembleru, práci s registry, porty, použitím SRAM, øízením chodu programù a provádìním výpoètù v assemblerech AVR. Rovnìž je uveden popis ATMEL assembleru AVR tak, jak ho uveøejnil výrobce v helpu k tomuto assembleru. Tyto kapitoly obsahují jen fragmenty kódù. Proto je na konci knihy uvedeno pro zaèáteèníky nìkolik jednoduchých, avšak úplných programù, odzkoušených s AT90S8515 ve startkitu uvedeném v pøíloze. Na doprovodném CD jsou kromì výpisù programù a softwarových balíkù umístìna i klišé plošných spojù všech ètyø pøípravkù (programátoru ISP a tøí startkitù).

Vladimír Váòa

Mikrokontroléry Atmel AVR assembler Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù. Pøedkládané informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Všechny registrované nebo jiné obchodní známky použité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù. Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva. Veškerá práva vyhrazena © Vladimír Váòa, Praha 2003 © Nakladatelství BEN – technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Vladimír Váòa: Mikrokontroléry Atmel AVR assembler BEN – technická literatura, Praha 2003 1. vydání ISBN 80-7300-093-8

OBSAH Co najdete na doprovodném CD-ROM ......................................... 7 Ještì než se zaètete ....................................................................... 8 Assemblery ...................................................................................................... 9

1

Struktura AVR programù v assembleru ............................... 11

Komentáøe ...................................................................................................... 11 Zaèátek programu .......................................................................................... 12 Struktura programového kódu ....................................................................... 13

2

Registry .................................................................................... 17

Rozdílné  registry ........................................................................................... 18 Registry – ukazatele ...................................................................................... 19 Shrnutí o používání registrù ........................................................................... 22

3

Porty procesorù AVR .............................................................. 23

Nìkteré dùležité porty u AVR ......................................................................... 25 Stavový registr ............................................................................................... 26 Vstupní/výstupní brány AVR .......................................................................... 27

4

Použití SRAM v AVR assembleru .......................................... 29

SRAM ............................................................................................................. 29 Dùvody používání SRAM ............................................................................... 30 Ukázky používání SRAM ............................................................................... 30

A

MIKROKONTROLÉRY ATMEL AVR ASSEMBLER

3

Použití SRAM jako zásobníku ....................................................................... 32 Definice SRAM jako zásobníku ..................................................................... 32 Použití zásobníku .......................................................................................... 33 Chyby pøi zásobníkových operacích .............................................................. 34

5

Øízení chodu programu .......................................................... 35

Reset .............................................................................................................. 35 Lineární provádìní programu a skoky ........................................................... 37 Èasování pøi bìhu programu ......................................................................... 38 Makra a bìh programu .................................................................................. 39 Podprogramy ................................................................................................. 40 Pøerušení a bìh programu ............................................................................. 42

6

Výpoèty v AVR assembleru ................................................... 47

Základní datové typy v assembleru ............................................................... 47 BCD (Binary Coded Digits) ............................................................................ 48 Zhuštìná BCD ............................................................................................... 49 Èísla v ASCII formátu .................................................................................... 49 Bitové operace ............................................................................................... 50 Posuv a rotace ............................................................................................... 51 Sèítání, odèítání a porovnávání ..................................................................... 53 Konverze èíselných formátù .......................................................................... 56

7

AVR assembler ........................................................................ 59

Obecné informace.......................................................................................... 59 Zdrojový kód assembleru ............................................................................... 59 Mnemonické instrukce ................................................................................... 60

4

VLADIMÍR VÁÒA

A

Direktivy assembleru ..................................................................................... 65 Výrazy ............................................................................................................ 74 Funkce ........................................................................................................... 79 Obecné použití ............................................................................................... 79

8

První program

Støídavé rozsvìcení LED programované pomocí èasových smyèek ............ 85

Pøíklad 2 Støídavé rozsvìcení LED programované pomocí maker ............................... 93

Pøíklad 3 Støídavé rozsvìcení LED programované pomocí podprogramu ................... 95

Pøíklad 4 Ovládání rozsvìcení LED pomocí tlaèítek ..................................................... 97

Pøíklad 5 Ovládání rozsvìcení LED pomocí tlaèítek s použitím rùzných programátorských obratù ................................................ 99

Pøíklad 6 Programování hardwarového èítaèe v poling módu .................................... 104

Pøíklad 7 Programování hardwarového èítaèe s použitím pøerušení .......................... 107

Pøíklad 8 Využití hardwarového èítaèe ke generování sekundových tikù a jejich èítání s pøevodem výsledku do BCD kódu .......................................110

Pøíklad 9 Programování s využitím tabulky pevných hodnot .......................................116

A

MIKROKONTROLÉRY ATMEL AVR ASSEMBLER

5

Pøíklad 10 Ukázka programátorských „fint“, volání podprogramu pomocí zásobníku ...119

Pøíklad 11 Vysílání a pøíjem sériových znakù pomocí UARTu ...................................... 121

Pøíloha Pøíloha 1 Popisek zapojení tlaèítek a LED pøipojených k portùm ............................... 125

Pøíloha 2 Pøíklady zapojení s MCU AVR – konstrukce startkitù .................................. 126 Programovací jazyky pro AVR ..................................................................... 126

Pøíloha 3 AVR ISP programátor .................................................................................. 135

Literatura ..................................................................................... 137 Pøehled pøípravkù ATMEL a plošné spoje ................................ 138

Knihy nakladatelství BEN – technická literatura ..................... 139 Kontaktní adresy na firmu BEN – technická literatura ................................. 143 Pár slov o nakladatelství BEN – technická literatura ................................... 144

6

VLADIMÍR VÁÒA

A

CO NAJDETE NA DOPROVODNÉM CD-ROM Doprovodné CD-ROM obsahuje všechny informace potøebné pro snadnou práci s knihou. Tyto informace lze rozdìlit do logických celkù, které se nacházejí v oddìlených adresáøích: n adresáø BEN obsahuje off-line verzi www stránek nakladatelství BEN – technická literatura (aktualizováno k poèátku léta 2003), jejichž souèástí je poèítaèová verze tištìného katalogu – Edièního plánu „jaro a léto 2003“ a samostatného pøehledu naší produkce „BEN 2003“. n adresáø DATASHEET obsahuje dokumentaci ve formátu PDF vybraných integrovaných obvodù ATMEL, které jsou v knize používány. Najdete zde též samorozbalitelný archiv programu Adobe Acrobat Reader verze 5.0, který slouží k prohlížení PDF souborù, n adresáø PRIKLADY obsahuje zdrojové i pøeložené formy všech programù realizovaných v knize, n adresáø SPOJE obsahuje klišé plošných spojù všech pøípravkù popsaných v knize ve formátu TIF, aby si ètenáøi pøípadnì mohli plošné spoje upravit podle vlastních pøedstav. Nìkteré spoje jsme ještì v redakci dodateènì upravovali (tvar úchytných plošek pro souèástky, …), takže finální verze je uložena pouze ve formátu TIF (je shodná s klišé otištìnými v knize). n adresáø SW obsahuje samostatné složky s volnì šíøitelnými verzemi nebo demoverzemi vývojového prostøedí urèeného pro procesory ATMEL AVR. ATMEL – obsahuje pøedevším více verzí vývojového prostøedí AVR Studio v3.20, v3.56 a v4.07 Všechny verze pracují pod operaèním systémem Windows. Starší verze (3.xx) jsme uvedli proto, že pracují témìø na každém PC s prostøedím alespoò Windows 95. Navíc je na CD program WAVRASM v1.30, který rovnìž umožòuje kompletní vývoj programù pro ATMEL AVR v assembleru. Pro ètenáøe bude jistì i užiteèný ovládací program pro programátor ATMEL AVR ISP 3.30, který je rovnìž ve složce ATMEL. BASCOM – vývojové prostøedí vèetnì pøekladaèe z jazyka, který se podobá známému Visual Basicu 6.0. Je produktem firmy MCS Electronics. Omezení je na maximálnì 2 kB výsledného kódu (HEX). Výhodou jsou speciální pøíkazy podporující práci s LCD displeji, komunikaci I2C, 1WIRE atd. CVAVR – výborným kompilátorem C pro AVR, vèetnì vývojového prostøedí, je CodeVision AVR. Rovnìž tento pøekladaè C lze nainstalovat jako souèást AVR Studia. Zdarma je jeho školní verze (CodeVisionAVR C Compiler v1.23.5 Evaluation), jejímž jediným omezením je velikost výsledného kódu do 2 kB. GNU_C – Kompilátor C, který lze nainstalovat jako souèást AVR Studia. Na tento pøekladaè není žádné èasové omezení nebo omezení velikosti kódu. Je k dispozici zcela zdarma. Pro jeho užití je pouze nutné dodržet licenci GNU. IAR – obsahuje èasovì omezená vývojová prostøedí firmy IAR. Jedná se pøedevším o assembler a pøekladaè z jazyka C/C++. Konkrétnì se jedná o IAR Embedded Workbench Evaluation version for Atmel AVR v2.27B a IAR Embedded Workbench Assembler Edition for Atmel AVR v1.50B. Navíc je zde umístìn i produkt IAR MakeApp for Atmel AVR v3.01. JAVA – klasická Java, ke které jsou pøidány knihovny JEPES dánské firmy Mjolner Informatics. Demoverze umožòuje programovat pouze AT90S8515. PASCAL – ideální prostøedek pro programování, jedná se o školní verzi produktu (demo) nìmecké firmy E-LAB Computers. Omezení je na maximálnì 4 kB výsledného kódu (HEX), což pro vìtšinu aplikací staèí. V assembleru to pøedstavuje cca 6000 øádkù kódu. PONYPROG – volnì šíøitelný ovládací program firmy LancOS, který je urèen pro programátory mnoha typù vèetnì mikrokontrolérù ATMEL AVR. Program je lokalizován do mnoha svìtových jazykù vèetnì slovenštiny. PROG910 – ovládací sw pro programátor s AT90S1200. Autor knihy jej upravil i pro mikrokontrolér AT90S8535.

A

MIKROKONTROLÉRY ATMEL AVR ASSEMBLER

7

JEŠTÌ NEŽ SE ZAÈTETE Publikace poskytuje základní informace dùležité pro aplikaci jednoèipových mikrokontrolérù AVR firmy ATMEL. Navazuje na knihu „Mikrokontroléry Atmel AVR, popis procesoru a instrukèní soubor“, která seznamuje ètenáøe pøedevším s RISCovou architekturou mikrokontrolérù ATMEL øady AT90 a se souborem instrukcí – popisuje tedy pøedevším hardware a instrukèní soubor. Jeho znalost se nám bude hodit v této další publikaci, jež si klade za cíl seznámit pøedevším zaèáteèníky s tvorbou programového vybavení pro mikrokontroléry AVR. K tvorbì programového vybavení je potøeba mít vhodné nástroje a znalosti, jak tyto nástroje používat. Mají vývojáøùm co nejvíce usnadnit práci, zlevnit a zrychlit vývoj konkrétních aplikací. Tìmito nástroji jsou pøekladaèe z kódu nìjakého programovacího jazyka do strojového kódu MCU AVR, simulátory, emulátory a vlastní vývojové prostøedí. Pokud jde o programovací jazyky pro mikrokontroléry AVR, máme k dispozici jednak rùzné jazyky symbolických adres, jednak vyšší programovací jazyky C/C++, Pascal a Basic. U „velkých“ poèítaèù (mezi nì mùžeme poèítat i poèítaèe PC, pokud je budeme srovnávat s „jednoèipáky“) byl dlouhou dobu nejrozšíøenìjším a nejžádanìjším programovacím jazykem C++ a C. Podle nìkterých studií byl v poslední dobì pøedstižen jazykem Java. Jde o objektový jazyk odvozený od C a C++, pùvodnì vyvíjený pro „vestavìné (Embedded) systémy“, což je odborný termín pro bìžná elektronická zaøízení (typu praèky, mikrovlnné trouby atd.) ovládaná zabudovaným mikroprocesorem. Firma SUN, která tento jazyk vyvíjela, si brzy uvìdomila vzrùstající dùležitost WWW a možnosti využít Javu pro programování aplikací pro WWW. Proto si vìtšinou spojujeme Javu právì s Internetem. Rozšíøenost Javy a její výhody vedly v poslední dobì k tomu, že si ji všimli ti, kterým byla pùvodnì urèena – vývojáøi embedded zaøízení. Jako pøíklad si mùžeme uvést programování mobilních telefonù v Javì. Ze vzrùstající oblíbenosti Javy i pøi vývoji programového vybavení pro embedded zaøízení lze usuzovat, že zasáhne i vývoj pro MCU AVR (viz napø. projekt/knihovna Javy JEPES dánské firmy Mjolner Informatics z jejichž www stránek si lze zdarma stáhnout funkèní demo verzi umožòující programovat AT90S8515 v Javì). Kromì ulehèení práce vývojáøe je další výhodou použití vyšších programovacích jazykù pøi tvorbì programového vybavení pro MCU, èi jednoèipové mikropoèítaèe i to, že zdrojový kód programu urèeného pùvodnì pro urèitý typ MCU se dá snadnìji pøepsat na zdrojový kód jiného typu MCU, jiného výrobce než pøepisovat kód, který je více závislý na hardware (assembler). Jako pøíklad mohu uvést napø. IAR Embedded Workbench, což je jednotné vývojové prostøedí s velkým poètem pøekladaèù z jazyka C++ do strojových kódù rùzných jednoèipových mikropoèítaèù a mikrokontrolérù, samozøejmì vèetnì ATMEL AVR, x51, PIC atd. Stále však existuje jistá tøída úloh, kterou ve vyšších programovacích jazycích nelze realizovat, nebo

8

VLADIMÍR VÁÒA

A

k nimž nemáme v pøíslušném vyšším jazyce zabudovanou podporu. V tom pøípadì musíme použít jazyk symbolických adres – assembler. Nejefektnìjší v takovém pøípadì je napsat aplikaci ve vyšším programovacím jazyce a jen její èást v assembleru. Proto i v pøípadì, že používáme vyšší programovací jazyky, je dobré mít alespoò základní znalosti programování v assembleru. K jejich získání má posloužit tato kniha. Programování AVR aplikací ve vyšších programovacích jazycích budou pøedmìtem dalších publikací.

Assembler y Jazyky symbolických adres patøí mezi nejstarší programovací jazyky, se kterými se setkáváme již u poèítaèù první generace, tedy již pøed nìkolika desítkami let. Døíve, než se u poèítaèù objevily, programovalo se pøímo ve strojovém kódu, tj. vìtšinou v binární, oktalové nebo hexadecimální reprezentaci instrukcí poèítaèe. Všechny objekty, s nimiž poèítaè pracoval, byly pochopitelnì oznaèovány pouze èíselnì. Napø. naplnìní registru 16 konstantou má ve strojovém jazyce mikrokontroléru ATMEL AVR tvar: 1100 1111 0000 0110 Poznámka:

Že jde o binární reprezentaci, budeme zapisovat 0b1100111100000110

Je zøejmé, že programování ve strojovém jazyce je obtížné a nepøehledné a mohlo vyhovovat jen v úplných zaèátcích, kdy programy byly krátké a jednoduché. Se zdokonalováním technického vybavení rostly nároky na programy a programování ve strojovém jazyce zaèalo být neúnosné. Brzo se však zjistilo, že pracnost programování lze znaènì snížit, zrušíme-li nutnost oznaèovat objekty v instrukcích èíselnì (vyhovuje stroji) a zavedeme-li symbolické oznaèování objektù (vyhovuje èlovìku) s tím, že vazbu symbolù na jejich èíselné vyjádøení nebude provádìt programátor, ale zajistí ji specializovaný program – pøekladaè. Tak vznikly jazyky symbolických adres, v nichž se mohly operaèní znaky instrukcí a jejich operandy oznaèovat symboly, a pøekladaèe jazykù symbolických adres (assemblery), které pøekládaly symbolický jazyk do strojového jazyka. V dalším vývoji byly do jazykù symbolických adres doplòovány nové prostøedky (napø. makrojazyk, makra), pøièemž vývoj byl obvykle spjat s rozšíøením symbolických objektù. Makrojazyk je napø. založen na možnosti pojmenovat posloupnost instrukcí, bez makrojazyka bylo možné pojmenovávat pouze objekty v instrukcích. Brzy se ukázalo, že programátorovi lze práci ještì více usnadnit, zbavíme-li ho závislosti na instrukèní síti poèítaèe, se kterou byl spjat i pøi programování v jazyce symbolických adres. Objevily se proto jazyky nezávislé na poèítaèi, které jsou na-

A

JEŠTÌ NEŽ SE ZAÈTETE

9

vrženy tak, aby programátor instrukèní èást poèítaèe vùbec nemusel znát. Jazyky symbolických adres však nebyly zcela nahrazeny, nebo stále existují úlohy, které ve vyšších programovacích jazycích nelze vyøešit. Pøi programování v jazyce symbolických adres se totiž dostáváme do nejužšího styku se systémem, s hardware. Velké poèítaèe obvykle øeší úlohy, snadno øešitelné pomocí vyšších programovacích jazykù, jednoèipové mikropoèítaèe a mikrokontroléry naopak úlohy, øešitelné assemblery. Vyšší programovací jazyky jsou implementovány øadou výrobcù a pro mnoho rùzných procesorù pracujících pod rùznými operaèními systémy, èasto pro urèitý operaèní systém a procesor existuje i dosti velký poèet rùzných pøekladaèù z téhož jazyka. Rùzné verze pøekladaèù téhož jazyka se liší rychlostí pøekladu, velikostí a rychlostí výsledného kódu, komfortem vývojového prostøedí, knihovnami atd. Definice vlastního vyššího programovacího jazyka, jeho lexikální symboly, syntaxe, sémantika, je však èasto dána nìjakou normou, a mezinárodní (napø. ANSI C, ANSI C++) nebo podnikovou (Java u SUNu). Proto rùzné pøíruèky èi uèebnice napø. jazyka C, C++, Javy jsou použitelné pøi práci s rùznými pøekladaèi. Mùžeme øíci: programuji v C++, Javì, Pascalu, SQL, C#. Prohlásit „programuji v assembleru“ již není tak jednoznaèné. Z toho, co jsme o assemblerech zatím uvedli je zøejmé, že máme mnoho rùzných assemblerù. Jednak rùzné procesory mají rùzné instrukèní soubory, jednak jsou rozdíly i mezi assemblery pro urèitý konkrétní typ procesoru. Vždy je nutné prostudovat dokumentaci k pøíslušnému assembleru. My se v této knize budeme vìnovat pouze jednomu assembleru a to ATMEL AVR assembleru pro mikrokontroléry øady AT90S. Tento assembler poskytuje zdarma firma ATMEL. Je naprosto odlišný od assemblerù napø. pro 8086 èi x51 nebo PIC. Na druhé stranì bude mít hodnì spoleèného s jinými assemblery pro MCU øady AT90S, napø. s IAR AVR assemblerem, takže informace z této knížky mùžeme s urèitou dávkou opatrnosti použít i pøi práci s jinými assemblery pro AVR. V následujících kapitolách se nejprve seznámíme se strukturou AVR programù v assembleru, práci s registry, porty, použitím SRAM, øízením chodu programù a provádìním výpoètù v AVR assembleru. Rovnìž je uveden popis ATMEL AVR assembleru tak, jak ho uveøejnil výrobce v helpu k tomuto assembleru. Tyto kapitoly obsahují jen fragmenty kódù. Proto na konci knihy je pro zaèáteèníky uvedeno nìkolik jednoduchých, ale úplných programù, odzkoušených s AT90S8515 v startkitu uvedeném v pøíloze této publikace.

10

VLADIMÍR VÁÒA

A