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Einführung
Assembler
Die Maschinensprache, auch Assembler oder kurz ASM genannt, ist eine Sprache die nur bestimmter Prozessor (kurz: CPU) versteht. Für einen Menschen ist sie unverständlich, da sie nur aus hexadezimalen (kurz: hex) Zahlen besteht.
Um sich die Sprache verständlicher zu machen wurden den hex Zahlen s.g. Mnemonics aus Buchstaben zugewiesen. Jeder Befehl für einen CPU hat somit ein "Namen", der meistens aus einer Abkürzung des Namens in englischer Sprache stammt.
Obwohl sie 200 bis 1000 mal schneller als die meisten Hochsprachen ist, wird sie wegen dem grossen Aufwand bei Erstellung umfangreichen Programmen, selten benutzt. Man findet sie aber oft in fast allen Hochsprachen, in eigebundenen Funktionen, überall dort wo die Hochsprachen zu langsam sind.
ASM eignet sich aber sehr gut für kleine Anwendungen (meistens Steuerungen) mit Mikrokontrollern (kurz: µC), weil nur bei dieser Programmiersprache ein direkter Zusammenhang zwischen einem bit im Programm und einer Spannung am I/O Pin besteht.
Die Aufgabe eines ASM-Programmierers ist, ein Programm zu schreiben, das das Assemblerprogramm ( z.B. MPASM) fehlerfrei "überstzt" und der bestimmte CPU "versteht".
Weil ASM Programme nicht besonders durchschaubar sind, wurde als Hilfsmittel ein Programmablaufdiagramm (kurz: PAD) erfunden. Beim Programmerstellung fängt man damit an ein PAD zu erstellen, das die wichtigsten Programmschritte enthält.
Weiter werden alle Befehle nach dem PAD mit einem üblichen Texteditor in eine Textdatei mit Erweiterung .asm (Quellcode) geschrieben, durch ein Assemblerprogramm (für PICs: MPASM oder GPASM) von dem für Menschen noch verständlichen Code in die Maschinensprache "übersetzt" und als Texdatei mit Erweiterung .hex gespeichert. Diese Datei wird danach in den Programmspeicher des µC übertragen ("gebrannt").
Das Assemblerprogramm MPASM kann kostenlos von der Homepage des Herstellers von PICs [1] runtergeladen werden. Es muss zuerst vom Downloads die "MPLAB IDE v7.50 Full Zipped Installation" runtergeladen und erst danach können gewählte Programme (z.B. nur MPASM) intalliert werden. Für MPASM benutzer werden auch folgende .pdf Dateien empfohlen:
MPASM/MPLINK User's Guide (2628 KB) [Benutzerhandbuch]
MPASM™/MPLINK™ PICmicro® Quick Chart (81 KB) [Kurzübersicht]
Nach dem Eischalten der Betriebsspannung des µC, fängt der CPU an, sich im Programmspeicher befindliches Programm mit dem Befehl, der an der Adresse 0 steht, auszuführen.
Aber wann das Programm endet? Natürlich wenn die Versorgungsspannung abgeschaltet wird. Nein! Das ist die einfachste Lösung um ein laufendes Programm auf zufälliger Stelle zu unterbrechen, aber keine um ihn auf einer definierten Stelle zu beenden.
Wenn an den µC angeschlossene externe Hardware (z.B. Grafikdisplay), eine bestimmte Befehlsfolge vor dem Abschalten benötigt oder wichtige Daten (in EEPROM oder Flash) abgespeichert werden sollen, darf die Spannung erst dann abgeschaltet werden, wenn der CPU eine Meldung ausgibt, dass er sich schon auf der "STOP" Stelle des Programms befinet. Es muss auch definiert werden (z.B. durch eine Tastenkombination), wann der CPU zum letzten Fragment des Programms vor dem "STOP" gehen soll.
Grundbeschaltung
Der Prozessor von einem PIC kann sofort nach dem Eischalten der Versorgungsspannung arbeiten. Allerdings nur, wenn er den Takt, in dem er die Befehle ausführen soll, vorgegeben hat. Manche PICs besitzen einen internen Oszillator,(z.B. PIC12F629, PIC16F630, PIC16F628, u.s.w.). Bei diesen reicht es bereits Spannung anzulegen und sie laufen bereits. Die meisten haben ihn aber nicht (z.B. PIC16F84, PIC16F870, u.s.w.) und brauchen fürs Funktionieren zusätzliche Bauteile (Resistor + Kondensator, Quarz + 2 Kondensatoren oder Keramik-Resonator + 2 Kondensatoren, bzw. Quarzoszillator) die an Pins OSC1/OSC2 angeschlossen werden um notwendigen Prozessortakt zu erzeugen. Durch das Konfiguration-Word muss noch angegeben werden, welcher Oszillator verwendet wird.
Damit ein Programm zuverlässig ausgeführt werden kann, muss die Versorgungspannung störungsfrei sein. Dafür wird ein Keramik-Vielschicht-Kondensator 100 nF möglichts am kürzesten direkt zwischen VDD und VSS Pins geschaltet.
Folgende Skizzen zeigen die Grundbeschaltung eines PICs:
Wahl des PICs
Es gibt PIC µC die im Typenbezeichnung den Buchstaben "C" oder "F" haben.
Die älteren mit "C" haben EPROM Programmspeicher und die gibt es in zwei Versionen: ohne und mit Fenster (aus Quarz-Glass) fürs Löschen des EPROMs mit UV Strahlung. Bei denen ohne Fenster kann der Programmspeicher nur einmal beschrieben und nicht mehr gelöscht werden.
Die neuen mit "F" besitzen einen Flash-Programmspeicher, der bis zu 100 000 mal mit angelegter Spannung gelöscht und danach neu beschrieben werden kann.
Für die Wahl eines PICs für bestimmte Anwendung wichtig sind:
- Max. Taktfrequenz des Prozessors.
- Grösse des Datenspeichers (für Variablen).
- Grösse des Programmspeichers (für Programm).
- Integrierte Hardware (komparatoren, A/D Wandler, Timer, USART, I²C, SPI, PWM, u.s.w.).
- Freie I/O Pins für externe Hardware (Display, Tasten, u.s.w.).
- Vorhandene Betriebspannung (Netzteil, Akku, Batterie).
In der Praxis wird meistens für die Programmerstellung ein grösserer PIC genommen (wenn möglich pinkompatibler z.B. PIC16F628 für PIC16F84 oder PIC16F630 für PIC12F629) und erst nach der Optimierung des lauffägiges Programms, der tatsächlich nötiger, da seine Parameter am Anfang nur geschätzt werden können. Wenn man viel Programme für verschiedene PICs entwickelt, optimal wäre der grösste PIC16F877 mit 20 MHz max. Taktfrequenz.
Diese Lösung hat auch den Vorteil, dass während der Programmerstellung kurze Hilfsprogramme (z.B. PIC Trainer) in den Programmspeicher kopiert und benutzt werden können, da sie sowohl ein bischen Programmspeicher und RAM als auch 2 freie I/O Pins fürs PIC Miniterminal brauchen.
Programm
Allgemeines
Jedes Program kann man auf klenere Fragmente unterteilen, die auf bestimmter Weise miteinander verknüpft sind und gemeinsam die Aufgabe des Programms erfüllen. Das wichtigste Teil eines Programms ist s.g. Hautprogram (kurz:HP), das eine führende Rolle spielt. Dem HP sind fast alle andere Programmteile untergeordnet (weiter als Unterprogramm (kurz:UP) genannt) und werden nach Bedarf von ihm aufgerufen um eine bestimmte Aufgabe zu erledigen.
Die Struktur eines Programs ist aber komplizierter, da ein UP kann auch ein oder mehrere UPs nacheinander aufrufen. Deswegen wird ein Programm von "unten" aufgebaut. Zuerst werden die UP1s erstellt, die ganz einfache Sachen erledigen. Danach kommt das nächste Ebene mit UP2s die schon mehr komplizierten Aufgaben durch ein Aufruf der UP1s erledigen können, u.s.w. Bei Mid-Range PICs (12FXXX und 16FXXX) können maximal bis zu 8 Ebenen benutzt werden.
Jedes UP kann jederzeit aufgerufen werden, je nach dem was gerade eledigt werden muss. Weil das nicht egal ist, welches UP augerufen wird, da jedes nur eine bestimmte Funktion im Programm hat, muss der Programmierer dafür sorgen, dass alles richtig nach PDA, und nicht chaotisch, abläuft.
Der PDA ist sehr eifach zu erstellen, weil dafür nur drei Symbole benötigt sind:
Das "Start/Stopp" Symbol bedeutet, dass das Programm sich im stabilen Zustand befindet und nicht "läuft". Anstatt "Stopp" kann auch "Schlaf" (Sleep) agewendet werden, da das Programm in dem Fall auch nicht aktiv ist. Das "Tun" Symbol stellt meistens ein UP mit Reihenfolge von Befehlen dar. Das "Prüfen" bedeutet eine Prüfung bestimmter Bedingung und abhängig davon einen weiteren Lauf des Programs, endweder in der "ja" (J) oder "nein" (N) Richtung.
Das Erstellen von PDA bei ASM Programmen ist sehr wichtig und darf nicht unterschätzt werden. Je stärker ein Programmierer glaubt, dass er das ohne PDA schaft, um so mehr Zeit wird er danach bei Fehlersuche oder Änderunen im Programm verlieren. Für einfache Programme, die gut kommentiert sind, reicht es meistens aus, ein PDA nur "im Kopf" zu erstellen, aber ganz ohne PDA geht es sicher nicht.
Die Programmierung in ASM ist änlich wie bei Hochsprachen, wenn man sich Bibliotheken mit Prozessorspezifischen UPs erstellt. Um ein lauffähiges Programm zu erstellen, braucht man nur benötigte UPs ins Program kopieren und ein geignetes HP, das sie aufruft, schreiben.
Ein ASM Programm (Quellcode) muss in einer Texdatei .asm in der vom Assemblerprogramm erwarteter Form verfasst werden, um fehlerfreie Konvertierung in die Maschinensprache (Assemblierung) zu gewährleisten. Dieses Prozess verläuft in der Form eines Dialoges.
Der Programmierer schreibt und gibt es dem Assemblerprogram zum Übersetzen. Alles was das Programm nicht versteht, erscheint als Fehlermeldungen, die der Programmierer verstehen muss um die Fehler korrigieren zu können. Eine .hex Datei wird erst erstellt, wenn das Assemblerprogramm keine Fehler mehr im Quellcode findet. Deswegen sehr wichtig ist, sich mit dem Assemblerprogramm vertaut zu machen, um die Dialogzeit zu minimieren.
Programmdurchlaufdiagramm
Der PAD ist eine Vorläfige und laufend änderbare Stufe zwischen einer Idee und ihrer Verwirklichung. Er wird erst dann fertig, wenn nach ihm erstelltes ASM Program auf einem µC so wie gewünscht funktioniert. Jedes sein Symbol muss später als Befehlsreihenfolge für den CPU in den Quellcode übertragen werden.
Als allgemeinnutziges Standard für µCs kann man folgender PAD bezeichnen:
_____
/ \
Spannungen ein ----->( Start )
\_____/
|
V
.---------------.
|Initialisierung|
'---------------'
|
+--------->|
| V
| .---------------.
| | Hauptprogramm |
| '---------------'
| |
| V
| / \
| /Ende?\____
| \ /J |
| \ / |
| N| |
+----------+ |
V
.---------------.
| Beenden |
'---------------'
|
V
_____
/ \
Spannungen aus <-------------( Stopp )
\_____/
Er kann aber für Programme, die in beliebigem Moment unterbrochen werden können, deutlich vereifacht werden, da die Prüfung ob das Program beendet werden soll, und das Beenden, etfallen. Deswegen die meisten ASM Programme sind nach solchem PAD erstelt:
_____
/ \
Spannungen ein ----->( Start )
\_____/
|
V
.---------------.
|Initialisierung|
'---------------'
|
+--------->|
| V
| .---------------.
| | Haüptprogramm |
| '---------------'
| |
+----------+
Für Testprogramme wird meistens fogender PAD angewendet, weil es ziemlich einfach festzustellen ist (z.B. durch Stromverbrauchmessung des µCs), wann sich der CPU schon im Schlaf befindet.
_____
/ \
Spannungen ein ----->( Start )
\_____/
|
V
.---------------.
|Initialisierung|
'---------------'
|
V
.---------------.
| Hauptprogramm |
'---------------'
|
V
_____
/ \
( Schlaf)
\_____/
Und eine batteriebetriebene Uhr wird überwiegend so gestaltet:
_____
/ \
Spannungen ein ----->( Start )
\_____/
|
V
.---------------.
|Initialisierung|
'---------------'
| Interrupt .-----.
|<----------------|Timer|
V '-----'
.---------------.
| Hauptprogramm |
'---------------'
|
V
_____
/ \
( Schlaf)
\_____/
In dem Fall reicht es, wenn der CPU jede Minute vom Timer aufgeweckt wird, um die Zeit zu aktualisieren. Eine Uhr ist immer (ausser Batteriewechsel) ununterbrochen mit Spannung versorgt.
In der Praxis ist es unmöglich ein PDA zu erstellen, in dem jeder CPU Befehl sein eigenes Symbol hat. Man beschränkt sich nur auf alle Prüfungen, die über weiteres Lauf des Programms entscheiden, und ganze UPs nur als ein Symbol zeichnet.
Midrange
Kurzübersicht Assembler Befehle
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Ausführliche Beschreibung zu den Befehlen
Erklärungen zu den Verwendeten Platzhaltern:
- k stellt einen fest definierten Wert da. z.B. 0x20, d'42' oder b'00101010'
- W steht für das W-Register.
- d steht für destination. Im code wird d durch ein w bzw. 0 (der Wert wird in das W-Register gespeichert ) oder f bzw. 1 (der Wert wird in das davor definierte Register gespeichert)
- R steht für ein Register
- fett geschrieben Bedeutet, dass es ein Platzhalter ist und im Quellcode durch eine Registeradresse oder einen Wert ersetzt werden muss
- Schreibmaschinenstil bedeutet, dass es so im Quellcode geschrieben werden kann.
- Vom Wert des Registers R wird 1 subtrahiert und das Ergebniss entweder in das W-Register (d=W=0) oder in R gespeichert (d=F=1).
- Vom Wert des Registers R wird 1 subtrahiert und das Ergebniss entweder in das W-Register (d=W=0) oder in R gespeichert (d=F=1). Der Zusatz SZ steht für skip if zero, d.h. wenn das Ergebnis der Rechnung Null ist, wird der nächste Befehl übersprungen.
- Nach dem GOTO Befehl wird das Programm ab der Adresse weiter ausgeführt, die nach dem GOTO-Befehl steht. Diese Adresse wird durch so genannte Sprungmarken definiert, welche, im Gegensatz zu den Befehlen nicht eingerückt in der asm-Datei stehen.
- Zum Wert des Registers R wird 1 addiert und das Ergebniss entweder in das W-Register (d=W=0) oder in R gespeichert (d=F=1).
- Zum Wert des Registers R wird 1 addiert und das Ergebniss entweder in das W-Register (d=W=0) oder in R gespeichert (d=F=1). Der Zusatz SZ steht für skip if zero, d.h. wenn das Ergebnis der Rechnung Null ist, wird der nächste Befehl übersprungen.
- Es wird bitweise die logische Funktion [math]W\ ior\ k[/math] ausgeführt und das Ergebniss in das W-Register gespeichert. Dieser Befehl setzt das Z bit des STATUS-Register, falls W=k und das Ergebnis 0 ist.
- Zur Verdeutlichung der Ooperation:
- 1100 1010 ---- ior 1110
- Es wird bitweise die logische Funktion [math]W\ ior\ R[/math] ausgeführt und das Ergebniss entweder in das W-Register (d=W=0) oder in R gespeichert (d=F=1). Vergleiche IORLW
- Das Register R wird in das W-Register (d=W=0) oder wieder in R geschoben (d=F=1). Letzteres mag sinnlos scheinen, ist aber nützlich, da durch den Befehl das Z-Bit im STATUS-Regsiter gesetzt wird, falls R Null ist.
- Der festgelegte Wert k wird in das W-Register geschoben.
- Das W-Register wird in das Register R kopiert.
- Dieser Befehl macht nichts. Er verbraucht nur Zeit, welche sich einfach mit folgender Formel berechnen lässt. [math]t=\frac{4}{f}[/math],wobei [math]f[/math] für die Frequenz des Oszillators steht.
- Mit diesem Befehl wird der Interrupthandler (ISR) beendet und das Programm wird an der Zeile weiter ausgeführt, vor der es durch den Interrupt angehalten wurde. Es werden auch alle Interrupts wieder erlaubt (das GIE bit wird gesetzt). Siehe hierzu auch Interrupt
- Wurde ein Programmteil mit dem Befehl CALL aufgerufen, dann springt man mit dem Befehl RETLW zurück in die nächste Zeile nach der Zeile aus der das CALL Befehl ausgeführt wurde. Der in k angegebene Wert wird dabei in das W-Register geschrieben. Dieser Befehl wird vor allem für s.g Sprungtabellen (eng: lookup tables) und Computed-Gotos verwendet.
- Wurde ein Programmteil mit dem Befehl CALL aufgerufen, dann springt man mit dem Befehl RETURN zurück zu der nächsten Zeile nach der Zeile aus der das CALL Befehl ausgeführt wurde.
- Die Bits im Register R werden nach links verschoben. Dabei wird das Carry bit (STATUS,C) in das Bit 0 des Registers R geschoben. Bit 7 aus dem Register R wird in das Carry bit "geschoben". Das Ergebnis wird entweder in das W-Register (d=W=0) oder in R gespeichert (d=F=1).
- Zur Verdeutlichung:
- |C| |-Register R-| ;C steht für das Carry-bit, STATUS,C c 7 6 5 4 3 2 1 0 ;vor dem Verschieben 7 6 5 4 3 2 1 0 c ;nach dem Verschieben
- Die Bits im Register R werden nach rechts verschoben. Dabei wird das Carry bit (STATUS,C) in das 7.Bit des Registers R geschoben. Bit 0 aus dem Register R wird in das Carry bit "geschoben". Das Ergebnis wird entweder in das W-Register (d=W=0) oder in R gespeichert (d=F=1).
- Zur Verdeutlichung:
- |C| |-Register R-| ;C steht für das Carry-bit, STATUS,C C 7 6 5 4 3 2 1 0 ;vor dem Verschieben 0 C 7 6 5 4 3 2 1 ;nach dem Verschieben
- Der µC wird in den Sleep-Mode versetzt, in dem er weniger Strom verbraucht. Er kann durch einen Reset, einem Watchdog-Timer-Reset oder durch einen Interrupt wieder aufgeweckt werden.
- Es wird die Rechenoperation [math]k-W[/math] ausgeführt und das Ergebniss in das W-Register gespeichert. Dieser Befehl beeinflusst das STATUS-Register. Siehe hierzu Überprüfung von Rechenergebnissen mit Hilfe des STATUS-Register
- Es wird die Rechenoperation [math]R-W[/math] ausgeführt und das Ergebniss entweder in das W-Register (d=W=0) oder in R gespeichert (d=F=1). Dieser Befehl beeinflusst das STATUS-Register. Siehe hierzu Überprüfung von Rechenergebnissen mit Hilfe des STATUS-Register
- Beispiel:
- movlw d'20' ;schreibe 20 in das W-Register movwf Register1 ;bewegt das W-Register in das Register1 movlw d'10' ;schreibt 10 in das W-Register SUBWF Register1,F ;schreibt Register1(20)-W(10) in Register1
- Es werden die höheren 4 bit (B7-B4) mit den niedrigeren 4 bit (B3-B0) eines Registers vertauscht und entweder in das W-Register (d=W=0) oder in R gespeichert (d=F=1).
- Beispiel:
- movlw b'00001111' ;schreibe b'00001111' in das W-Register movwf Register1 ;bewegt das W-Register in das Register1 SWAPF Register1,W ;vertauscht die ersten 4 bit mit den letzen ;4 bit in Register 1 und schreibt es in das W-Register ;im W-Register steht nun b'11110000'
- Es wird bitweise die logische Funktion [math]W\ xor\ k[/math] ausgeführt und das Ergebniss in das W-Register gespeichert. Dieser Befehl setzt das Z bit des STATUS-Register, falls W=k und das Ergebnis 0 ist.
- Zur Verdeutlichung der Operation:
- 1100 1010 ---- xor 0110
- Es wird bitweise die logische Funktion [math]W\ xor\ R[/math] ausgeführt und das Ergebniss entweder in das W-Register (d=W=0) oder in R gespeichert (d=F=1). Vergleiche XORLW
Überprüfung von Rechenergebnissen mit Hilfe des STATUS-Register
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