Что такое система команд микроконтроллеров AVR. Какие основные группы команд существуют в AVR. Как программировать микроконтроллеры AVR на языке ассемблера. Какие инструменты нужны для разработки программ для AVR.
Архитектура и особенности микроконтроллеров AVR
Микроконтроллеры AVR, разработанные компанией Atmel (ныне часть Microchip Technology), являются одним из самых популярных семейств 8-битных микроконтроллеров. Они обладают рядом особенностей, которые делают их привлекательными для разработчиков:
- RISC-архитектура с быстрым однотактным выполнением большинства инструкций
- Гарвардская архитектура с раздельной памятью для программ и данных
- 32 регистра общего назначения, напрямую подключенные к АЛУ
- Встроенная Flash-память программ и EEPROM для данных
- Широкий набор периферийных модулей (таймеры, АЦП, интерфейсы и др.)
- Низкое энергопотребление и различные режимы сна
Такая архитектура позволяет эффективно выполнять программы и обрабатывать данные при низком энергопотреблении, что делает AVR отличным выбором для встраиваемых систем и устройств с батарейным питанием.
Основные группы команд системы команд AVR
Система команд микроконтроллеров AVR содержит более 130 различных инструкций. Их можно разделить на несколько основных групп:
1. Арифметические и логические команды
Эта группа включает команды для выполнения математических и логических операций над данными в регистрах. Некоторые примеры:
- ADD — сложение двух регистров
- SUB — вычитание
- AND, OR, EOR — побитовые логические операции
- INC, DEC — инкремент и декремент
2. Команды передачи данных
Эти инструкции используются для перемещения данных между регистрами, памятью и портами ввода-вывода:
- MOV — копирование данных между регистрами
- LDI — загрузка константы в регистр
- LD, ST — загрузка и сохранение в память
- IN, OUT — чтение и запись портов ввода-вывода
3. Команды передачи управления
Группа команд для организации переходов, вызовов подпрограмм и возвратов:
- JMP, RJMP — безусловные переходы
- CALL, RCALL — вызов подпрограмм
- RET — возврат из подпрограммы
- BREQ, BRNE и др. — условные переходы
Программирование микроконтроллеров AVR на ассемблере
Хотя сегодня большинство разработчиков предпочитает использовать языки высокого уровня, такие как C, знание ассемблера AVR может быть полезно для оптимизации критичных участков кода или лучшего понимания работы микроконтроллера.
Для программирования на ассемблере AVR необходимо знать:
- Синтаксис команд и директив ассемблера
- Структуру регистров и памяти микроконтроллера
- Принципы работы стека и организации подпрограмм
- Особенности работы с периферийными модулями через регистры
Вот простой пример программы на ассемблере AVR, которая мигает светодиодом, подключенным к порту B:
.include "tn2313def.inc"
.org 0
rjmp start
.org OVF0addr
rjmp timer0_ovf
start:
ldi r16, (1<<PB0)
out DDRB, r16
ldi r16, (1<<TOV0)
out TIFR, r16
ldi r16, (1<<TOIE0)
out TIMSK, r16
ldi r16, (1<<CS02)|(1<<CS00)
out TCCR0, r16
sei
loop:
rjmp loop
timer0_ovf:
in r16, PORTB
ldi r17, (1<<PB0)
eor r16, r17
out PORTB, r16
reti
Эта программа настраивает таймер 0 для генерации прерываний, в обработчике которых происходит переключение состояния светодиода.
Инструменты для разработки программ для AVR
Для разработки программ для микроконтроллеров AVR используются различные инструменты. Вот некоторые из наиболее популярных:
1. Atmel Studio (теперь Microchip Studio)
Это интегрированная среда разработки (IDE) от производителя микроконтроллеров. Она включает в себя:
- Редактор кода с подсветкой синтаксиса
- Компилятор C/C++ и ассемблер
- Отладчик с поддержкой симуляции и отладки на реальном устройстве
- Менеджер проектов
2. AVR-GCC и AVRDUDE
Это набор инструментов с открытым исходным кодом, включающий:
- Компилятор GCC, адаптированный для AVR
- Ассемблер и компоновщик
- Утилиту AVRDUDE для прошивки микроконтроллеров
Эти инструменты можно использовать из командной строки или интегрировать в различные IDE.
3. PlatformIO
Это современная кросс-платформенная среда разработки, которая поддерживает множество плат и микроконтроллеров, включая AVR. Особенности PlatformIO:
- Интеграция с популярными редакторами (VS Code, Atom и др.)
- Автоматическое управление зависимостями и библиотеками
- Поддержка различных фреймворков и платформ
Отладка программ для микроконтроллеров AVR
Отладка программ для встраиваемых систем, таких как микроконтроллеры AVR, может быть непростой задачей. Однако существует несколько методов и инструментов, которые облегчают этот процесс:
Симуляция
Многие среды разработки, включая Atmel Studio, предоставляют возможность симуляции работы микроконтроллера. Это позволяет:
- Пошагово выполнять код
- Просматривать и изменять содержимое регистров и памяти
- Симулировать работу некоторых периферийных устройств
Симуляция особенно полезна на начальных этапах разработки, когда нужно проверить логику работы программы.
Аппаратная отладка
Для отладки на реальном устройстве используются специальные отладочные интерфейсы, такие как JTAG или debugWIRE. Они позволяют:
- Устанавливать точки остановки в коде
- Выполнять программу пошагово
- Просматривать содержимое регистров и памяти в реальном времени
Для работы с этими интерфейсами требуются специальные программаторы-отладчики, например, Atmel-ICE или JTAGICE3.
Отладочная печать
В случаях, когда нет возможности использовать аппаратный отладчик, часто прибегают к отладочной печати. Это может быть:
- Вывод информации через UART на компьютер
- Использование светодиодов для индикации состояния программы
- Запись отладочной информации во внутреннюю EEPROM для последующего анализа
Хотя этот метод менее удобен, он часто оказывается полезным при отладке в полевых условиях.
Оптимизация кода для микроконтроллеров AVR
Оптимизация кода для микроконтроллеров AVR может быть критически важной, особенно для устройств с ограниченными ресурсами или работающих от батарей. Вот несколько советов по оптимизации:
1. Использование регистров
AVR имеет 32 регистра общего назначения, которые работают гораздо быстрее, чем память. Старайтесь максимально использовать регистры для хранения часто используемых переменных.
2. Избегайте операций с плавающей точкой
Операции с плавающей точкой требуют значительных вычислительных ресурсов. Где возможно, используйте целочисленную арифметику или арифметику с фиксированной точкой.
3. Используйте встроенные функции и макросы
Многие операции, такие как установка/сброс битов, могут быть выполнены с помощью встроенных функций компилятора, которые часто оптимизируются лучше, чем написанный вручную код.
4. Оптимизируйте циклы
Разворачивайте короткие циклы, используйте инкремент вместо декремента (если это не влияет на логику), выносите неизменяемые вычисления за пределы цикла.
5. Используйте правильные типы данных
Выбирайте наименьший возможный тип данных для переменных. Например, используйте uint8_t вместо int, если значение никогда не превысит 255.
Заключение
Микроконтроллеры AVR предоставляют мощную и гибкую платформу для разработки встраиваемых систем. Понимание их архитектуры, системы команд и методов программирования позволяет создавать эффективные и оптимизированные приложения. Независимо от того, используете ли вы ассемблер или язык высокого уровня, знание особенностей AVR поможет вам максимально использовать возможности этих микроконтроллеров.
Таблицы команд ассемблера AVR — Микроконтроллеры для всех
В этой статье я хочу представить еще один вариант таблиц команд ассемблера для микроконтроллеров AVR.
Из дополнительных материалов у приобретателей курса уже есть pdf документ с набором таблиц команд. Так в чем же основное отличие набора команд, который представлен ниже?
В первую очередь, тем что в колонке «Описание» дается описание команд на английском. И как не трудно заметить, многие мнемоники команд образованы как раз от этих сокращений. Поэтому, тем кто знает английский язык, тем будет проще запомнить написание команд. И так же присутствует колонка «Код операции», где можно посмотреть каким образом та или иная команда выглядит в двоичном виде. Это на тот случай, если вам вдруг захочется по-программировать в машинных кодах.
Сразу стоит отметить, что здесь представлены в основном только команды семейства tiny. Я намерено убрал команды семейства mega, что бы лишний раз не вносить путаницу.
Арифметические и логические команды| Команда | Описание | Действие | Циклы | Код операции | Флаги |
| add Rd,Rr | Add two Registers | Rd←Rd+Rr | 1 | 0000 11rd dddd rrrr | Z,C,S,N,V,H |
| adc Rd,Rr | Add with Carry two Registers | Rd←Rd+Rr+C | 1 | 0001 11rd dddd rrrr | Z,C,S,N,V,H |
| adiw Rdl,K | Add Immediate to Word | Rdh:Rdl←Rdh:Rdl+K | 2 | 1001 0110 KKdd KKKK | Z,C,S,N,V |
| sub Rd,Rr | Subtract two Registers | Rd←Rd-Rr | 1 | 0001 10rd dddd rrrr | Z,C,S,N,V,H |
| sbc Rd,Rr | Subtract with Carry two Registers | Rd←Rd-Rr-C | 1 | 0000 10rd dddd rrrr | Z,C,S,N,V,H |
| subi Rd,K | Subtract Constant from Register | Rd←Rd-K | 1 | 1010 KKKK dddd KKKK | Z,C,S,N,V,H |
| sbci Rd,K | Subtract with Carry Constant from Register | Rd←Rd-K-C | 1 | 0100 KKKK dddd KKKK | Z,C,S,N,V,H |
| sbiw Rdl,K | Subtract Immediate from Word | Rdh:Rdl←Rdh:Rdl-K | 2 | 1001 0111 KKdd KKKK | Z,C,S,N,V |
| and Rd,Rr | Logical AND Registers | Rd←Rd AND Rr | 1 | 0010 00rd dddd rrrr | Z,S,N |
| andi Rd,K | Logical AND Register and Constant | Rd←Rd AND K | 1 | 0111 KKKK dddd KKKK | Z,S,N |
| or Rd,Rr | Logical OR Registers | Rd←Rd OR Rr | 1 | 0010 10rd dddd rrrr | Z,S,N |
| ori Rd,K | Logical OR Register and Constant | Rd←Rd OR K | 1 | 0110 KKKK dddd KKKK | Z,S,N |
| eor Rd,Rr | Exclusive OR Registers | Rd←Rd EOR Rr | 1 | 0010 01rd dddd rrrr | Z,S,N |
| com Rd | One’s complement | Rd←0xFF-Rd | 1 | 1001 010d dddd 0000 | Z,S,N |
| neg Rd | Two’s complement | Rd←0x00-Rd | 1 | 1001 010d dddd 0001 | Z,C,S,N,V,H |
| sbr Rd,K | Set Bit (s) in Register | Rd←Rd OR K | 1 | 0110 KKKK dddd KKKK | Z,S,N |
| cbr Rd,K | Clear Bit (s) in Register | Rd←Rd AND (0xFF- K) | 1 | 0111 KKKK dddd KKKK | Z,S,N |
| inc Rd | Increment | Rd←Rd+1 | 1 | 1001 010d dddd 0011 | Z,S,N,V |
| dec Rd | Decrement | Rd←Rd-1 | 1 | 1001 010d dddd 1010 | Z,S,N,V |
| tst Rd | Test for Zero or Minus | Rd←Rd AND Rd | 1 | 0010 00dd dddd dddd | Z,S,N |
| clr Rd | Clear Register | Rd←Rd EOR Rd | 1 | 0010 01dd dddd dddd | Z,S,N |
| ser Rd | Set Register | Rd←0xFF | 1 | 1110 1111 dddd 1111 | None |
Команды пересылки данных
| Команда | Описание | Действие | Циклы | Код операции | Флаги |
| mov Rd,Rr | Move Between Registers | Rd←Rr | 1 | 0010 11rd dddd rrrr | None |
| movw Rd,Rr | Copy Register Word | Rd+1:Rd←Rr+1:Rr | 1 | 0000 0001 dddd rrrr | None |
| ldi Rd,K | Load Immediate | Rd←K | 1 | 1110 KKKK dddd KKKK | None |
| ld Rd,X | Load Indirect | Rd← (X) | 2 | 1001 000d dddd 1100 | None |
| ld Rd,X+ | Load Indirect and Post-Inc.  | Rd← (X), X←X+1 | 2 | 1001 000d dddd 1101 | None |
| ld Rd, -X | Load Indirect and Pre-Dec. | X←X-1, Rd← (X) | 2 | 1001 000d dddd 1110 | None |
| ld Rd,Y | Load Indirect | Rd← (Y) | 2 | 1000 000d dddd 1000 | None |
| ld Rd,Y+ | Load Indirect and Post-Inc. | Rd← (Y), Y←Y+1 | 2 | 1001 000d dddd 1001 | None |
| ld Rd, -Y | Load Indirect and Pre-Dec. | Y←Y-1, Rd← (Y) | 2 | 1001 000d dddd 1010 | None |
| ldd Rd,Y+q | Load Indirect with Displacement | Rd← (Y+q) | 2 | 10q0 qq0d dddd 1qqq | None |
| ld Rd,Z | Load Indirect | Rd← (Z) | 2 | 1000 000d dddd 0000 | None |
| ld Rd,Z+ | Load Indirect and Post-Inc.  | Rd← (Z), Z←Z+1 | 2 | 1001 000d dddd 0001 | None |
| ld Rd, -Z | Load Indirect and Pre-Dec. | Z←Z-1, Rd← (Z) | 2 | 1001 000d dddd 0010 | None |
| ldd Rd,Z+q | Load Indirect with Displacement | Rd← (Z+q) | 2 | 10q0 qq0d dddd 0qqq | None |
| lds Rd,k | Load Direct from SRAM | Rd← (k) | 2 | 1001 000d dddd 0000kkkk kkkk kkkk kkkk | None |
| st X,Rr | Store Indirect | (X) ←Rr | 2 | 1001 001r rrrr 1100 | None |
| st X+,Rr | Store Indirect and Post-Inc. | (X) ←Rr, X←X+1 | 2 | 1001 001r rrrr 1101 | None |
| st -X,Rr | Store Indirect and Pre-Dec.  | X←X-1, (X) ←Rr | 2 | 1001 001r rrrr 1110 | None |
| st Y,Rr | Store Indirect | (Y) ←Rr | 2 | 1000 001r rrrr 1000 | None |
| st Y+,Rr | Store Indirect and Post-Inc. | (Y) ←Rr, Y←Y+1 | 2 | 1001 001r rrrr 1001 | None |
| st -Y,Rr | Store Indirect and Pre-Dec. | Y←Y-1, (Y) ←Rr | 2 | 1001 001r rrrr 1010 | None |
| std Y+q,Rr | Store Indirect with Displacement | (Y+q) ← Rr | 2 | 10q0 qq1r rrrr 1qqq | None |
| st Z,Rr | Store Indirect | (Z) ←Rr | 2 | 1000 001r rrrr 0000 | None |
| st Z+,Rr | Store Indirect and Post-Inc.  | (Z) ←Rr, Z←Z+1 | 2 | 1001 001r rrrr 0001 | None |
| st -Z,Rr | Store Indirect and Pre-Dec. | Z←Z-1, (Z) ←Rr | 2 | 1001 001r rrrr 0010 | None |
| std Z+q,Rr | Store Indirect with Displacement | (Z+q) ← Rr | 2 | 10q0 qq1r rrrr 0qqq | None |
| sts k,Rr | Store Direct to SRAM | (k) ←Rr | 2 | 1001 001r rrrr 0000kkkk kkkk kkkk kkkk | None |
| lpm | Load Program Memory | R0← (Z) | 3 | 1001 0101 1100 1000 | None |
| lpm Rd,Z | Load Program Memory | Rd← (Z) | 3 | 1001 000d dddd 0100 | None |
| lpm Rd,Z+ | Load Program Memory and Post-Inc.  | Rd← (Z), Z←Z+1 | 3 | 1001 000d dddd 0101 | None |
| spm | Store Program Memory | (Z) ←R1:R0 | — | 1001 0101 1110 1000 | None |
| in Rd,P | In Port | Rd←P | 1 | 1011 0PPd dddd PPPP | None |
| out P,Rr | Out Port | P←Rr | 1 | 1011 1PPr rrrr PPPP | None |
| push Rr | Push Register in Stack | STACK←Rr, SP←SP-1 | 2 | 1001 001r rrrr 1111 | None |
| pop Rd | Pop Register from Stack | SP←SP+1, Rd←STACK | 2 | 1001 000d dddd 1111 | None |
Команды передачи управления
| Команда | Описание | Действие | Циклы | Код операции | Флаги |
| rjmp k | Relative Jump | PC←PC+k+1 | 2 | 1100 kkkk kkkk kkkk | None |
| ijmp | Indirect Jump to (Z) | PC← (Z) | 2 | 1001 0100 0000 1001 | None |
| *jmp k | Direct Jump | PC←k | 3 | 1001 010k kkkk 110kkkkk kkkk kkkk kkkk | None |
| rcall k | Relative Subroutine Call | STACK←PC+1,PC←PC+k+1,SP←SP-2 or 3 | ¾ | 1101 kkkk kkkk kkkk | None |
| icall | Indirect Call to (Z) | STACK←PC+1, PC← (Z),SP←SP-2 or 3 | ¾ | 1001 0101 0000 1001 | None |
| *call k | Direct Subroutine Call | STACK←PC+1, PC←k,SP←SP-2 or 3 | 4/5 | 1001 010k kkkk 111kkkkk kkkk kkkk kkkk | None |
| ret | Subroutine Return | PC←STACK, SP←SP+2 or 3 | 4/5 | 1001 0101 0000 1000 | None |
| reti | Interrupt Return | PC←STACK, SP←SP+2 or 3 | 4/5 | 1001 0101 0001 1000 | I |
| cpse Rd,Rr | Compare, Skip if Equal | if (Rd=Rr) PC←PC+2 or 3 | ½/3 | 0001 00rd dddd rrrr | None |
| cp Rd,Rr | Compare | Rd-Rr | 1 | 0001 01rd dddd rrrr | Z,C,S, N,V,H |
| cpc Rd,Rr | Compare with Carry | Rd-Rr-C | 1 | 0000 01rd dddd rrrr | Z,C,S, N,V,H |
| cpi Rd,K | Compare Register with Immediate | Rd-Rr-K | 1 | 0011 KKKK dddd KKKK | Z,C,S, N,V,H |
| sbrc Rr,b | Skip if Bit in Register is Cleared | if (Rr (b)=0) PC←PC+2 or 3 | ½/3 | 1111 110r rrrr obbb | None |
| sbrs Rr,b | Skip if Bit in Register is Set | if (Rr (b)=1) PC←PC+2 or 3 | ½/3 | 1111 111r rrrr obbb | None |
| sbic P,b | Skip if Bit in IO Register is Cleared | if (P (b)=0) PC←PC+2 or 3 | ½/3 | 1001 1001 PPPP Pbbb | None |
| sbis P,b | Skip if Bit in IO Register is Set | if (P (b)=1) PC←PC+2 or 3 | ½/3 | 1001 1011 PPPP Pbbb | None |
| brbc s,k | Branch if Status Flag is Cleared | if (SREG (s)=0) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 01kk kkkk ksss | None |
| brbs s,k | Branch if Status Flag is Set | if (SREG (s)=1) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 00kk kkkk ksss | None |
| brcc k | Branch if Carry Flag is Clearsd | if (C=0) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 01kk kkkk k000 | None |
| brcs k | Branch if Carry Flag is Set | if (C=1) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 00kk kkkk k000 | None |
| brsh k | Branch if Same or Higher | if (C=0) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 01kk kkkk k000 | None |
| brlo k | Branch if Lower | if (C=1) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 00kk kkkk k000 | None |
| brne k | Branch if Not Equal | if (Z=0) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 01kk kkkk k001 | None |
| breq k | Branch if Equal | if (Z=1) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 00kk kkkk k001 | None |
| brpl k | Branch if Plus | if (N=0) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 01kk kkkk k010 | None |
| brmi k | Branch if Minus | if (N=1) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 00kk kkkk k010 | None |
| brvc k | Bruach if Overflow Flag is Cleared | if (V=0) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 01kk kkkk k011 | None |
| brvs k | Branch if Overflow Flag is Set | if (V=1) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 00kk kkkk k011 | None |
| brge k | Branch if Greate or Equal, Signed | if (S=0) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 01kk kkkk k100 | None |
| brlt k | Branch if Less than Zero, Signed | if (S=1) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 00kk kkkk k100 | None |
| brhc k | Branch if Half Carry Flag is Cleared | if (H=0) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 01kk kkkk k101 | None |
| brhs k | Branch if Half Carry Flag is Set | if (H=1) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 00kk kkkk k101 | None |
| brtc k | Branch if Transfer Flag is Cleared | if (T=0) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 01kk kkkk k110 | None |
| brts k | Branch if Transfer Flag is Set | if (T=1) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 00kk kkkk k110 | None |
| brid k | Branch if Interrupt Disable | if (T=0) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 01kk kkkk k111 | None |
| brie k | Branch if Interrupt Enable | if (T=1) PC←PC+k+1 | ½ | 1111 00kk kkkk k111 | None |
*Обратите внимание! Команды jmp и call не поддерживаются микроконтроллерами семейства tiny, но так как они часто используются при программировании семейства mega, то я решил их так же внести в таблицу, что бы вы не забывали о их существовании.
Команды условных переходов по состоянию флагов SREG
| Проверкафлага | Команда условногоперехода | АльтернативнаяФорма написания | Условие перехода |
| C | brbc 0,k | brcc k | Переход если флаг переноса установлен |
| brsh k | Переход если больше или равно | ||
| brbs 0,k | brcs k | Переход если флаг переноса сброшен | |
| brlo k | Переход если меньше | ||
| Z | brbc 1,k | breq k | Переход если равно |
| brbs 1,k | brne k | Переход если не равно | |
| N | brbc 2,k | brpl k | Переход если плюс |
| brbs 2,k | brmi k | Переход если минус | |
| V | brbc 3,k | brvc k | Переход если флаг дополнительного кода сброшен |
| brbs 3,k | brvs k | Переход если флаг дополнительного кода установлен | |
| S | brbc 4,k | brge k | Переход если больше или равно нулю (знаковое) |
| brbs 4,k | brlt k | Переход если меньше нуля (знаковое) | |
| H | brbc 5,k | brhc k | Переход если флаг половинного переноса сброшен |
| brbs 5,k | brhs k | Переход если флаг половинного переноса установлен | |
| T | brbc 6,k | brtc k | Переход если флаг хранения бита сброшен |
| brbs 6,k | brts k | Переход если флаг хранения бита установлен | |
| I | brbc 7,k | brid k | Переход если прерывания запрещены |
| brbs 7,k | brie k | Переход если прерывания разрешены |
Команд битовых операций
| Команда | Описание | Действие | Циклы | Код операции | Флаги |
| sbi P,b | Set Bit in I/O Rerister | I/O (P,b) ←1 | 2 | 1001 1010 PPPP Pbbb | None |
| cbi P,b | Clear Bit in I/ORerister | I/O (P,b) ←0 | 2 | 1001 1000 PPPP Pbbb | None |
| lsl Rd | Logical Shift Left | Rd (n+1) ←Rd (n), Rd (0) ←0 | 1 | 0000 11dd dddd dddd | Z,C,N,V |
| lsr Rd | Logical Shift Right | Rd (n) ←Rd (n+1), Rd (7) ←0 | 1 | 1001 010d dddd 0110 | Z,C,N,V |
| rol Rd | Rotate Left through Carry | Rd (0) ←C, Rd (n+1) ←Rd (n), C←Rd (7) | 1 | 0001 11dd dddd dddd | Z,C,N,V |
| ror Rd | Rotate Right through Carry | Rd (7) ←C, Rd (n) ←Rd (n+1), C←Rd (0) | 1 | 1001 010d dddd 0111 | Z,C,N,V |
| asr Rd | Arithmetic Shift Right | Rd (n) ←Rd (n+1), n=0…6 | 1 | 1001 010d dddd 0101 | Z,C,N,V |
| swap Rd | Swap Nibbles | Rd (3…0) ←Rd (7…4),Rd (7…4) ←Rd (3…0) | 1 | 1001 010d dddd 0010 | None |
| bst Rr,b | Bit Store from Rerister to T | T←Rr (b) | 1 | 1111 101b bbbb 0bbb | T |
| bld Rd,b | Bit Load from T to Rerister | Rd (b) ←T | 1 | 1111 100b bbbb 0bbb | None |
| bset s | Flag Set | SREG (s) ←1 | 1 | 1001 0100 0sss 1000 | SREG (s) |
| bclr s | Flag Clear | SREG (s) ←0 | 1 | 1001 0100 1sss 1000 | SREG (s) |
| sec | Set Carry | C←1 | 1 | 1001 0100 0000 1000 | C |
| clc | Clear Carry | C←0 | 1 | 1001 0100 1000 1000 | C |
| sez | Set Zero Flag | Z←1 | 1 | 1001 0100 0001 1000 | Z |
| clz | Clear Zero Flag | Z←0 | 1 | 1001 0100 1001 1000 | Z |
| sen | Set Negative Flag | N←1 | 1 | 1001 0100 0010 1000 | N |
| cln | Clear Negative Flag | N←0 | 1 | 1001 0100 1010 1000 | N |
| sev | Set Twos Complement Overflow | V←1 | 1 | 1001 0100 0011 1000 | V |
| clv | Clear Twos Complement Overflow | V←0 | 1 | 1001 0100 1011 1000 | V |
| ses | Set Signed Test Flag | S←1 | 1 | 1001 0100 0100 1000 | S |
| cls | Clear Signed Test Flag | S←0 | 1 | 1001 0100 1100 1000 | S |
| seh | Set Half Carry Flag | H←1 | 1 | 1001 0100 0101 1000 | H |
| clh | Clear Half Carry Flag | H←0 | 1 | 1001 0100 1101 1000 | H |
| set | Set Transfer bit | T←1 | 1 | 1001 0100 0110 1000 | T |
| clt | Clear Transfer bit | T←0 | 1 | 1001 0100 1110 1000 | T |
| sei | Global Interrupt Enable | I←1 | 1 | 1001 0100 0111 1000 | I |
| cli | Global Interrupt Disable | I←0 | 1 | 1001 0100 1111 1000 | I |
Команды управления процессором
| Команда | Описание | Действие | Циклы | Код операции | Флаги |
| nop | No operation | — | 1 | 0000 0000 0000 0000 | None |
| sleep | Sleep | — | 1 | 1001 0101 1000 1000 | None |
| wdr | Watchdog Reset | — | 1 | 1001 0101 1010 1000 | None |
Сделаем простой AVR микроконтроллер
Меня часто спрашивают: «Чем отличается микроконтроллер от ПЛИС?» Ну что тут можно ответить? Это как бы разные вещи.
.. Микропроцессор последовательно выполняет команды, описанные в его программе. Работа ПЛИС в конечном счете определяется принципиальной электрической схемой, реализованной внутри чипа. Архитектура микроконтроллера, то есть тип процессора, количество портов ввода вывода, интерфейсы, определяется производителем. Микросхема микроконтроллера изготовлена на заводе и изменить ее нельзя. Можно только написать программу, которую он будет исполнять. ПЛИС — это свобода для творчества. Архитектура реализуемого устройства может быть почти любая, лишь бы поместилась вся логика в чип. В ПЛИС можно, например, попробовать реализовать даже и микроконтроллер! Попробуем?
Один из самых распространенных микроконтроллеров — это 8-ми разрядные RISС процессоры семейства AVR компании Atmel. В этой статье я расскажу как реализовать «почти» совместимый с AVR микроконтроллер внутри нашей ПЛИС на плате Марсоход.
Прежде, чем начинать делать свою реализацию микроконтроллера, конечно, следует изучить внутренности контроллера AVR.
Нужно как минимум знать систему команд микропроцессора AVR. На нашем сайте можно скачать его описание:
Система команд микроконтроллера AVR ( 703303 bytes )
Мы не будем ставить себе целью полностью повторить поведение чипа Atmel, мы хотим сделать наш микропроцессор лишь частично совместимым. Полностью повторить можно, но нужна ПЛИС гораздо большего объема. У нас на плате Марсоход стоит CPLD EPM240T100C5, значит у нас есть всего-навсего 240 триггеров и логических элементов.Кроме триггеров и логики в нашей ПЛИС имеется последовательная флеш память UFM объемом 512 слов по 16 бит. В этой флеш памяти мы будем хранить программу микроконтроллера. Удобно, что слова, хранимые во флеш, имеют разрядность 16. Все команды процессора AVR также шестнадцатиразрядные. Кое-что про UFM мы уже писали на нашем сайте. У нас был проект для ПЛИС платы Марсоход, который выполнял чтение из UFM памяти.
«Оперативной памяти» в нашей ПЛИС нет. Ну значит не будет памяти у нашего микроконтроллера, жаль но это нас не остановит.
У микроконтроллера AVR имеется 32 восьмиразрядных регистра общего назначения. Нижняя группа регистров r0-r15 может быть использована только в командах с операндами-регистрами. Верхняя группа регистров r16-r31 может использоваться в командах и с непосредственными операндами. Поскольку места внутри нашего чипа на плате Марсоход действительно не много, нам придется реализовать только некоторые регистры. Это довольно существенное ограничение, и его нужно будет учитывать при написании программ для нашего микроконтроллера.
Мы реализуем только 7 регистров: r16-r22:
- Первые 4 регистра r16…r19 — это просто регистры.
- Регистр r20 — это тоже обычный регистр, только его биты мы подключим к 8-ми светодиодам платы Марсоход.
- Регистр r21 — это тоже обычный регистр, но его биты мы подключим к выводам управления шаговых двигателей на плате Марсоход.
- Регистр r22 — только для чтения.
К нему подключены входы от 4-х кнопочек платы Марсоход.
К нему подключены входы от 4-х кнопочек платы Марсоход.Схема нашего микроконтроллера создана в среде Altera QuartusII и выглядит вот так (нажмите на картинку, чтобы увеличить):
Наш микроконтроллер работает по простому алгоритму:
- Считывает из флеш памяти UFM очередную команду.
- Декодирует команду и выбирает для нее нужные операнды из регистров или непосредственно из кода команды.
- Выполняет команду в арифметико-логическом устройстве.
- Запоминает результат исполнения команды в регистре приемнике, определяемом командой.
- Переходит к исполнению следующей команды.
У нас сейчас нет цели сделать высокопроизводительный микроконтроллер, мы не будем делать конвейерную обработку данных. Это объясняется тем, что команды из флеш памяти чипа мы можем считывать только в последовательном формате, то есть на чтение одной команды нужно как минимум 16 тактов.
Быстрее здесь сделать нельзя (да нам и не нужно сейчас).
Ход выполнения программы может изменяться в зависимости от результата исполнения команд. Специальные команды переходов позволяют переходить к нужной операции в нужных условиях.
Перечислим команды микроконтроллера AVR, которые мы собираемся реализовать:
ADD 0000 11rd dddd rrrr
SUB 0001 10rd dddd rrrr
AND 0010 00rd dddd rrrr
EOR 0010 01rd dddd rrrr
OR 0010 10rd dddd rrrr
MOV 0010 11rd dddd rrrr
CP 0001 01rd dddd rrrr
LSR 1001 010d dddd 0110
SUBI 0101 KKKK dddd KKKK
ANDI 0111 KKKK dddd KKKK
ORI 0110 KKKK dddd KKKK
CPI 0011 KKKK dddd KKKK
LDI 1110 KKKK dddd KKKK
BREQ 1111 00kk kkkk k001
BRNE 1111 01kk kkkk k001
BRCS 1111 00kk kkkk k000
BRCC 1111 01kk kkkk k000
Слева написаны названия команд, а справа — их бинарное представление (кодирование). Так буква «r» обозначает регистр источник, буква «d» — регистр приемник, «K» — это непосредственно операнд.
Конечно — это только малая часть от «настоящей системы команд», но уже и эти команды позволять писать вполне работающие программы.
У нас будет упрощенное АЛУ (Арифметико-Логическое Устройство). Оно реализует только некоторые, наиболее употребительные команды, а так же всего 2 флага для условных переходов: «Z» и «C».
Флаг «Z» устанавливается, если результат АЛУ это ноль. Если результат из АЛУ не нулевой, то флаг «Z» сбрасывается. Флаг «C» устанавливается при возникновении переноса в арифметических операциях ADD и SUB/SUBI или сравнения CP/CPI. Флаги влияют на исполнение команд условных переходов: флаг «Z» влияет на BREQ, BRNE, а флаг «C» влияет на BRCS, BRCC.
Вообще всеь проект мы уже реализовали и его можно взять здесь:
Ядро микропроцессора Atmel AVR ( 109584 bytes )
.Исходный текст нашего ядра AVR написан на языке Verilog и его можно посмотреть здесь.
Теперь посмотрим, как мы сможем написать программу для нашего микроконтроллера? Для написания программы на языке ассемблер воспользуемся средой разработки компании Atmel AVRStudio4.
Эту среду разработки можно скачать прямо с сайта компании Атмел (после регистрации), вот здесь. Или поищите в яндексе — наверняка найдете в свободном доступе.
Создаем проект в AVRStudio4 и пишем простую программу. Программа будет моргать светодиодом на плате Марсоход и опрашивать состояние нажатых кнопочек. Если нажать одну кнопочку, то моргающий светодиод «побежит» в одну сторону, а если нажать другую кнопочку, то светодиод «побежит» в другую сторону. Вот исходный текст на ассемблере для нашего примера:
.include «1200def.inc»
.device AT90S1200
.cseg
.org 0
start:
;initial one bit in register
ldi r16,$80
rd_port:
;read port (key status)
mov r17,r22
cpi r17,$0f
;go and blink one LED if no key pressed
breq do_xor
cpi r17,$0e
;go and right shift LEDs if key[0] pressed
breq do_rshift
cpi r17,$0d
;go and left shift LEDs if key[1] pressed
breq do_lshift
;jump to read keys
or r16,r16
brne rd_port
do_rshift:
cpi r16,1
breq set80
lsr r16
mov r20,r16
brne pause
set80:
ldi r16,$80
mov r20,r16
or r16,r16
brne pause
do_lshift:
cpi r16,$80
breq set1
lsl r16
mov r20,r16
brne pause
set1:
ldi r16,$01
mov r20,r16
or r16,r16
brne pause
do_xor:
eor r20,r16
pause:
ldi r18,$10
cycle2:
ldi r19,$FF
cycle1:
or r19,r19
or r19,r19
subi r19,1
brne cycle1
subi r18,1
brne cycle2
or r16,r16
brne rd_port
Видите? Чтение состояния кнопочек — это чтение из регистра r22.
Изменение состояния светодиодов — это запись в регистр r20.
Настройте AVRStudio так, что бы выходной формат был «Generic». Это в свойствах проекта, «Assembler Options», настройка «Hex Output Format».
После компиляции программы получается вот такой текстовый файл с кодами программы:
000000:e800
000001:2f16
000002:301f
000003:f0c1
000004:301e
000005:f021
000006:301d
000007:f059
000008:2b00
000009:f7b9
00000a:3001
00000b:f019
00000c:9506
00000d:2f40
00000e:f471
00000f:e800
000010:2f40
000011:2b00
000012:f451
000013:3800
000014:f019
000015:0f00
000016:2f40
000017:f429
000018:e001
000019:2f40
00001a:2b00
00001b:f409
00001c:2740
00001d:e120
00001e:ef3f
00001f:2b33
000020:2b33
000021:5031
000022:f7e1
000023:5021
000024:f7c9
000025:2b00
000026:f6d1
Этот файл нам почти подходит для QuartusII. В нашем проекте для ПЛИС есть файл avr_prog.
mif (Memory Initialization File), куда мы и вставляем полученный из AVRStudio код (только нужно добавить точку с запятой в конце каждой строки). Таким образом, после компиляции QuartusII эти коды попадут во флеш UFM нашей ПЛИС.
Теперь можно компилировать и пробовать наш проект в плате Марсоход. Вот видеоролик, демонстрирующий работоспособность нашего процессора:
youtube.com/embed/zABN8733wlY?rel=0&autoplay=1>
<img src=https://img.youtube.com/vi/zABN8733wlY/hqdefault.jpg>▶</a>»>
Все работает так как и задумывалось!
Обратите внимание, что после компиляции, весь проект занимает только 205 логических элемента из 240 имеющихся в нашей ПЛИС. Это значит, что наш микроконтроллер можно и дальше усложнять или добавить какую-то новую логику. Так что проект может быть полезен для создания Ваших устройств.
Это позволяет проводить 16-битные сравнения.
адрес X
Это программное обеспечение очень мощное, но его сложно использовать в первый раз. Тем не менее, вы должны проявить настойчивость, и через несколько раз им станет (легче) пользоваться.
Не пытайтесь запомнить их, просто поймите, что некоторые из них могут делать.
д.
r|w|v означает, что вы можете использовать r (чтение), w (запись) или v (проверка) в качестве команды. 
1 для AVR-SDK1 с 
conf:536] 
conf:438] 
conf:355] 
Не запоминайте этот список, просто просмотрите его, чтобы получить представление о поддерживаемых микросхемах.
conf:8911] 
conf:5933] 
conf:3146] 
conf:980] 
Может быть несколько COM-портов, но обычно есть только один параллельный (принтерный) порт.
Вот тут-то мы и начинаем рассказывать avrdude , как поместить данные в чип. Эта команда довольно сложная, но мы разберем ее.
eep из eeprom, используйте команду -U eeprom:v:mydata.eep 
Вместо этого 3 предохранителя, как правило, устанавливаются один раз (хотя их можно устанавливать столько раз, сколько вы хотите). Фьюзы определяют такие параметры, как тактовая частота, тип кристалла, включен ли JTAG, уровень снижения напряжения (минимальное напряжение) и т. д. Для получения дополнительной информации о фьюзах вы можете прочитать о них здесь.
По этой причине я предлагаю трижды проверить значения предохранителей. Затем проверьте еще раз, убедитесь, что вы не отключили программирование интернет-провайдера или контакт сброса или не установили тактовую частоту на 32 кГц. Затем снова убедитесь, что у вас есть правильный чип для расчета. Тогда, наконец, вы можете попробовать записать их на чип!
