Книга по работе с WinAVR и AVR Studio / AVR_17_2011

Книга по работе

Роман Абраш

с WinAVR и AVR Studio

г. Новочеркасск

E-mail: arv@radioliga.com

Входные операнды должны быть определены как доступ-

Продолжение. Начало в №1-12/2010; №1-4/2011

ные только для чтения (без символа-модификатора). Одна-

ко, в случае, когда единственный операнд используется и

Операнды оператора asm()

как входное и как выходное значение, существует способ

Параметры оператора asm, используемые в качестве опе-

обойти это ограничение: необходимо вместо символа опе-

рандов инструкций ассемблера, обозначаются, как было сказа-

ранда использовать номер соответствующего операнда в ин-

но ранее, определенными символами, помещаемыми в двой-

струкции:

ные кавычки (см. таблицу 4).

В таблице 4 перечислены все допустимые символы для обо-

asm volatile(«swap %0» : «=r» (value) : «0» (value));

значения параметров. Обнаружив такой символ, компилятор само-

стоятельно подставит вместо него соответствующее значение из

Пример показывает, как переменная value используется

числа допустимых. При этом могут быть странные на первый взгляд

в качестве входного значения и в нее же помещается ре-

ошибки, если символ выбран программистом неверно. Например,

зультат ассемблерной команды, меняющей тетрады байта.

программист применил для операнда-приемника инструкции ORI

“0” – это номер операнда команды SWAP. Такая запись ука-

символ “r”. Компилятор может выбрать для этого любой регистр из

зывает компилятору использовать для операнда-приемника

числа имеющихся в его распоряжении в текущий момент. При этом

результата то же самое значение, что было выбрано для опе-

может быть выбран и регистр, например, r3, что приведет к ошибке,

ранда-источника. Однако следует знать, что компилятор

т.к. для инструкции ORI допустимо применять только регистры из

может выбрать одно и то же значение и для источника и для

старшей половины. Компилятор может выбрать и «правильный»

приемника, даже если это явно не указано. Обычно это не

регистр, и это может привести к сомнениям: почему ранее работав-

опасно, но может быть фатальным, если значение операн-

шая без ошибок ассемблерная вставка вдруг стала вызывать ошиб-

да-результата модифицируется другими ассемблерными ин-

ку. Поэтому правильным выбором для ORI будет символ “d”.

струкциями до выполнения сохранения результата операто-

В таблице 5 приведены все инструкции ассемблера, требу-

ра asm.

ющие операндов, с указанием подходящих им символов. Одна-

ко, эти требования недостаточно строгие, т.к. не ограничивают,

asm volatile(«in %0,%1»

«\n\t»

например, диапазон номеров битов от 0 до 7 и т.п.

«out %1, %2»

«\n\t»

: «=&r» (input)

Любой символ может предваряться символом-модификатором:

: «I» (_SFR_IO_ADDR(port)), «r» (output)

= – обозначает, что операнд только для записи. Использу-

);

ется для операндов результата.

+ – обозначает, что операнд для записи и чтения.

Таблица 5

& – обозначает, что для вывода должен использоваться но-

вый регистр.

Инструкция

Символы операндов

Инструкция

Символы операндов

Используемые для результата операнды всегда должны быть

adc

r, r

add

r, r

только для записи и иметь вид «леводопустимого выражения».

adiw

w, I

and

r, r

Компилятор не проверяет совместимость типов операнда и при-

сваемого ему значения.

andi

d, M

asr

r

Таблица 4

bclr

I

bld

r, I

brbc

I, label

brbs

I, label

Символ

Что обозначает

Допустимые

значения

bset

I

bst

r, I

a

Старшие регистры без указателей

r16 … r23

cbi

I, I

cbr

d, I

b

Базовые регистровые пары – указатели

y, z

com

r

cp

r, r

d

Старшие регистры

r16 … r31

cpc

r, r

cpi

d, M

e

Регистровые пары – указатели

x, y, z

cpse

r, r

dec

r

q

Указатель стека

SPH:SPL

elpm

t, z

eor

r, r

r

Любой регистр

r0 … r31

in

r, I

inc

r

t

Вспомогательный регистр

r0

ld

r, e

ldd

r, b

w

Специальный старший регистр

r24, r26, r28, r30

ldi

d, M

lds

r, label

x

Регистровая пара X

x (r27:r26)

lpm

t, z

lsl

r

y

Регистровая пара Y

y (r29:r28)

lsr

r

mov

r, r

z

Регистровая пара Z

z (r31:r30)

movw

r, r

mul

r, r

G

Kонстанта в формате с плавающей точкой

0.0

neg

r

or

r, r

I

6-битовое положительное число (константа)

0 … 63

ori

d, M

out

I, r

J

6- битовое отрицательное число (константа)

-63 … 0

pop

r

push

r

K

Целочисленная константа

2

rol

r

ror

r

L

Целочисленная константа

0

sbc

r, r

sbci

d, M

l

Младшие регистры

r0 … r15

sbi

I, I

sbic

I, I

M

Однобайтная константа

0 … 255

sbiw

w, I

sbr

d, M

N

Целочисленная константа

-1

sbrc

r, I

sbrs

r, I

O

Целочисленная константа

8, 16, 24

ser

d

st

e, r

P

Целочисленная константа

1

std

b, r

sts

label, r

Q

Адрес памяти по указателю Y или Z со смещением

sub

r, r

subi

d, M

R

Целочисленная константа

-6 to 5

swap

r

5 7

Радиолюбитель – 05/2011

В этом примере сначала осуществляется считывание порта

То есть вопреки всему ранее сказанному надо использовать

port, а затем другое значение в этот же самый порт выводится.

нижний регистр для указания младшего байта операнда! Это про-

Компилятор вполне может выбрать для ввода и вывода один и

блема реализации компилятора GCC текущей версии40.

тот же регистр, например, r5, при этом значение r5, считанное

первой командой еще до того, как будет записано эпилогом в

Зависимости оператора asm()

переменную output, будет изменено значением, загруженным

Как было сказано, последним элементом оператора asm мо-

из переменной input для вывода во второй команде. Чтобы это-

жет быть список зависимостей. Этот список может отсутствовать

го избежать, применен модификатор &, который указывает ком-

вместе с отделяющим его двоеточием. Однако если внутри ас-

пилятору выбрать для операнда источника обязательно другой

семблерной вставки программист использует значения регистров,

регистр, т.е. не совпадающий ни с одним из выбранных для дру-

не указанных в списках операндов, он обязан уведомить компиля-

гих операндов “r”.

тор об этом. В этом случае в код пролога будет добавлены коман-

Нередка ситуация, когда ассемблерная вставка должна ма-

ды сохранения перечисленных в этом списке регистров, а в коде

нипулировать числами более одного байта. В этом случае воз-

эпилога эти значения будут восстановлены в прежнем виде.

никает проблема с обращением к нескольким байтам, состав-

Например, при помощи следующего кода осуществляется ато-

ляющим один операнд. Для обозначения регистров, в которых

марное увеличение 8-битной переменной:

хранится значение переменной, используются дополнительные

символы – заглавные латинские символы «A», «B», «C» и т.д.

asm volatile(

Такая запись указывает компилятору выбрать очередной ре-

«cli»

«\n\t»

«ld r24, %a0»

«\n\t»

гистр для хранения очередного байта, составляющего перемен-

«inc r24»

«\n\t»

ную. Младший байт соответствует символу «А», более старшие

«st %a0, r24»

«\n\t»

последовательно назначаются для «В», «С» и т.д. Программист

«sei»

«\n\t»

:

может использовать соответственно «%A0» для обращения к

: «e» (ptr)

младшему байту первого операнда, «%A1» – младшему байту

: «r24»

второго операнда и т.д.

);

В этом примере производится перестановка байтов в 16-бит-

Примечательно в этом примере то, что используется указа-

ной переменной value:

тель для обращения к переменной, иначе сохранение значения

asm volatile(«mov __tmp_reg__, %A0» «\n\t»

произошло бы только в коде эпилога, который будет добавлен пос-

«mov %A0, %B0»

«\n\t»

ле команды разрешения прерывания, т.е. это уже нарушило бы

«mov %B0, __tmp_reg__» «\n\t»

условие атомарности ассемблерной вставки. А с использованием

: «=r» (value)

указателя переменная обновляется до разрешения прерываний.

: «0» (value)

);

Более правильным было бы в этом случае использовать

__tmp_reg__ вместо r24:

Перестановка байтов 32-битного переменной value:

asm volatile(

«cli»

«\n\t»

asm volatile(«mov __tmp_reg__, %A0» «\n\t»

«ld __tmp_reg__, %a0»

«\n\t»

«mov %A0, %D0»

«\n\t»

«inc __tmp_reg__»

«\n\t»

«mov %D0, __tmp_reg__» «\n\t»

«st %a0, __tmp_reg__»

«\n\t»

«mov __tmp_reg__, %B0» «\n\t»

«sei»

«\n\t»

«mov %B0, %C0»

«\n\t»

:

«mov %C0, __tmp_reg__» «\n\t»

: «e» (ptr)

: «=r» (value)

: «0» (value)

);

);

Вышеприведенные примеры имеют одну неприятную особен-

Для обозначения операнда, используемого и как источник, и

ность: их нельзя использовать в участках программы, где преры-

как приемник результата, разумно использовать модификатор «+»:

вания уже запрещены, т.к. эти вставки принудительно разрешают

прерывания. Казалось бы, эту проблему легко решить при помо-

asm volatile(«mov __tmp_reg__, %A0» «\n\t»

щи локальной переменной:

«mov %A0, %D0»

«\n\t»

«mov %D0, __tmp_reg__» «\n\t»

{

«mov __tmp_reg__, %B0» «\n\t»

uint8_t s;

«mov %B0, %C0»

«\n\t»

asm volatile(

«mov %C0, __tmp_reg__» «\n\t»

«in %0, __SREG__»

«\n\t»

: «+r» (value)

«cli»

«\n\t»

);

«ld __tmp_reg__, %a1»

«\n\t»

«inc __tmp_reg__»

«\n\t»

Непредвиденная проблема может возникнуть еще и в случае,

«st %a1, __tmp_reg__»

«\n\t»

если осуществляется работа с указателем, т.е. регистровой парой.

«out __SREG__, %0»

«\n\t»

: «=&r» (s)

Предположим, программист использует следующее определения

: «e» (ptr)

операнда:

);

}

«e» (ptr)

К сожалению, это не так, хотя и выглядит правильно. Ассемблер-

Допустим, компилятор избрал для хранения этого операнда

ный код модифицирует переменную, на которую указывает указа-

тель ptr. Но загрузка значения указателя в регистровую пару осу-

регистровую пару Z, т.е. %A0 соответствует ZL (r30), а %B0 – ZH

(r31). Однако компилятор вызовет ошибку, если программист ис-

ществляется в коде пролога, который выполняется еще до запре-

щения прерываний, т.е. вполне значение указателя может быть из-

пользует обращение к этой паре так:

менено на этом этапе. Разумеется, в этом случае результат работы

ld

r24, Z

ассемблерной вставки непредсказуем. Более того, при оптимиза-

ции значение указателя вообще может оказаться не в ОЗУ, а в ре-

Чтобы компилятор сгенерировал правильный код, необходи-

гистрах. Самое меньшее, что можно в этом случае сделать, это

применить специальный элемент списка зависимостей вставки

мо использовать только такую конструкцию:

memory:

ld

r24, %a0

5 8

41 На момент написания книги это соответствует версии GCC 4.3.хх

Радиолюбитель – 05/2011

{

«dec %1»

«\n\t»

«brne L_dl1%=»

«\n\t»

uint8_t s;

: «=&w» (cnt)

asm volatile(

: «r» (ms), «r» (delay_count)

«in %0, __SREG__»

«\n\t»

);

«cli»

«\n\t»

«ld __tmp_reg__, %a1»

«\n\t»

}

«inc __tmp_reg__»

«\n\t»

«st %a1, __tmp_reg__»

«\n\t»

Пример демонстрирует реализацию функции задержки про-

«out __SREG__, %0»

«\n\t»

граммным циклом на заданное количество миллисекунд. В функ-

: «=&r» (s)

: «e» (ptr)

ции используется глобальная переменная delay_count, которая

: «memory»

должна содержать значение тактовой частоты, деленное на 4000,

);

причем это значение должно быть присвоено этой переменной до

}

обращений к функции. Как было показано ранее, функция исполь-

Это укажет компилятору учесть при оптимизации тот факт, что

зует локальную переменную для сохранения значения используе-

мых регистров.

ассемблерная вставка использует память, которую нельзя модифици-

Следующий пример показывает, как реализуется возврат зна-

ровать. Но наиболее простой и удобный способ все-таки состоит в

чения из ассемблерной функции:

том, чтобы использовать volatile при определении указателя ptr:

volatile uint_t *ptr;

uint16_t inw(uint8_t port)

{

uint16_t result;

Это обеспечит правильное поведение как самой ассемблерной

asm volatile (

вставки, так и оптимизатора в ее отношении.

«in %A0,%1» «\n\t»

«in %B0,(%1) + 1»

Примечание. Случаи действительной необходимости в указании

: «=r» (result)

списка зависимостей достаточно редки. Почти всегда есть возмож-

: «I» (_SFR_IO_ADDR(port))

ность избежать их, обеспечив компилятору больше свободы в оптими-

);

return result;

зации кода.

}

Макросы на ассемблере

Функция inw возвращает 16-разрядное число, считанное из

Для многократного использования ассемблерных вставок в раз-

пары «смежных» портов ввода-вывода. port определяет «младший»

личных проектах имеет смысл разместить их в заголовочном файле в

порт.

виде макросов. AVR-LIBC содержит немалое количество таких фай-

лов, найти которые можно в директории avr/include. Однако такое ис-

Соглашения об именах Си и ассемблера

пользование ассемблерных вставок может вызвать предупреждения

По умолчанию GCC использует одинаковые имена переменных

компилятора для режима соответствия ANSII-стандарту. Чтобы избе-

и функций для Си и для ассемблера. Однако программист может

жать предупреждений, достаточно писать __asm__ вместо asm и

изменить эту ситуацию при помощи особой формы оператора asm:

__volatile__ вместо volatile – это полные синонимы.

Более заметная проблема ассемблерных вставок в виде макро-

unsigned long value asm(«clock») = 3686400;

сов связана с использованием меток. Макрос – это ведь просто под-

становка текста, поэтому в случае использования обычных меток в

Это определение вынудит компилятор использовать имя clock

ассемблерныхвставкахвозможнопоявлениеодинаковыхметоквраз-

вместо его значения. Такая «подмена» имеет смысл только для

личных участках программы, что недопустимо. Для избежания этого

глобальных (статических) или внешних переменных, так как локаль-

следуетиспользоватьособыйсинтаксисметокдляассемблерныхвста-

ные переменные не имеют символьных имен для ассемблера. Кро-

вок: в определении метки используется сочетание «%=», которое на

ме того, локальные переменные могут быть помещены в регистры.

этапе компиляции заменяется на некий уникальный номер, таким об-

Программист может назначить локальной переменной опреде-

разом, гарантируя уникальность всех меток. Вот, например, как реа-

ленный регистр:

лизован один из макросов в iomacros.h:

void Count(void)

#define loop_until_bit_is_clear(port,bit)

\

{

register unsigned char counter asm(«r3»);

__asm__ __volatile__ (

\

«L_%=: « «sbic %0, %1» «\n\t»

\

... какие то действия ...

«rjmp L_%=»

\

asm volatile(«clr r3»);

: /* no outputs */

\

... какие то действия ...

: «I» (_SFR_IO_ADDR(port)),

«I» (bit)

}

)

В этом примере показано, как заставить компилятор поместить

Метка L_%= будет заменена на что-то типа L_1234, при-

локальную переменную counter в регистр r3. Однако, это не «веч-

чем это будет гарантированно уникальная метка.

ное» закрепление: если оптимизатор компилятора сочтет, что зна-

чение переменной более не требуется сохранять, назначение реги-

Функции на ассемблере

стра r3 может быть переопределено. Если программист закрепляет

Макрос с ассемблерной вставкой будет приводить к появлению

слишком много регистров за переменными, компилятор может ис-

одного и того же кода каждый раз при использовании макроса. Для

черпать ресурсы регистров для компиляции остального кода. Кро-

многих критичных к размеру памяти приложений это неприемлемо.

ме этого, принудительное назначение регистра переменной чаще

В этом случае логичнее реализовать С-функцию целиком на ас-

приводит к ухудшению эффективности кода вместо ожидаемой его

семблере.

оптимизации.

Существует и способ изменить имя функции:

void delay(uint8_t ms)

{

extern long Calc(void) asm («CALCULATE»);

uint16_t cnt;

asm volatile (

Вышеприведенный пример заставит компилятор при обраще-

«\n»

«L_dl1%=:»

«\n\t»

нии к функции Calc() генерировать инструкцию вызова функции

«mov %A0, %A2»

«\n\t»

CALCULATE.

«mov %B0, %B2»

«\n»

«L_dl2%=:»

«\n\t»

«sbiw %A0, 1»«\n\t»

«brne L_dl2%=»

«\n\t»

Окончание следует.

5 9

Радиолюбитель – 05/2011