Электромеханические системы автоматизации

Встроенные имена присвоены адресам регистров специальных функций, адресам флагов специальных функций, рабочим регистрам R0-R7 текущего банка регистров, а также аккумулятору A и флагу переноса C.

Определяемые имена объявляются пользователем. В языке программирования ASM-51 имеются следующие категории определяемых идентификаторов:

- Метки.

- Внутренние и внешние переменные адресного типа.

- Внутренние и внешние переменные числового типа.

- Имена сегментов.

- Названия программных модулей.

В языке программирования ASM-51 используются целые беззнаковые числа, представленные в двоичной, восьмеричной, десятичной и шестнадцатеричной формах записи. Для определения основания системы счисления используется суффикс (буква, следующая за числом):

B -двоичное число;

Q или O - восьмеричное число;

[D] - десятичное число (суффикс допускается пропускать);

H - шестнадцатеричное.

Для десятичного числа суффикс может отсутствовать. Количество символов в числе ограничено размером строки, однако значение числа определяется по модулю 2.

Примеры записи чисел:

Число всегда начинается с цифры. Это необходимо для того, чтобы отличать шестнадцатеричное число от идентификатора: ADCH - идентификатор; 0ADCH - число.

Часто бывает удобно выполнить некоторые вычисления для того, чтобы получить число. Язык программирования ASM-51 позволяет выполнять беззнаковые операции над числами. В таких выражениях допустимо использовать арифметические операции:

- «+» суммирование.

- «-» вычитание.

- «*» умножение.

- «/» деление.

- «mod» вычисление остатка от целочисленного деления

В языке программирования ASМ-51 также определена одноместная операция «-». Для нее требуется один операнд, которому она предшествует. Для изменения порядка выполнения операций можно воспользоваться скобками. Кроме арифметических операций в выражениях допустимо использование логических операций:

- «not» побитовая инверсия операнда.

- «and» логическое «и».

- «or» логическое «или».

- «xor» «исключающее или» (суммирование по модулю два).

- Функций выделения старшего HIGH и младшего LOW байта шестнадцатиразрядного числа.

Пример использования выражений для определения числовой константы:

Рисунок 14 - Использование выражений числовой константы на языке ASM-51

Часто число используется для представления символов. В этом случае для определения числа можно воспользоваться литеральной константой «'». Литеральная константа заключается в апострофы:

MOV SBUF,#`A'

Для записи фраз в памяти программ можно воспользоваться литеральными строками:

ERROR: DB`Ошибка при передаче'

В этом случае каждый символ заменяется отдельным байтом и запоминается в ПЗУ памяти программ.

2.4 Директивы языка ASM-51

Константы, назначаемые директивой equ, могут быть использованы только в одной команде. Достаточно часто требуется работа с таблицей констант, такой как таблица перекодировки, таблицы элементарных функций или синдромы помехоустойчивых кодов. Такие константы используются не на этапе трансляции, а хранятся в памяти программ микроконтроллера. Для занесения констант в память программ микроконтроллера используются директивы db и dw.

Рассмотрим применение данных директив на примере. Пусть у нас имеется цифровой семисегментный индикатор с общим катодом, подключенный к микропроцессорной системе согласно рис. 15:

Рисунок 15 - Пример подключения индикатора к МПС

При установке соответствующего бита разряда выходного буфера в логическую «1», зажигается соответствующий сегмент. Например, для отображения числа 1 необходимо установить биты D1 и D2, соответствующие сегментам «b» и «c». Тогда, для вывода чисел на такой индикатор, необходимо выполнить программный дешифратор из числа в код семисегментного индикатора. Можно выполнить табличный перевод, напоминающий поиск значения функции по таблицам Брадиса. Непосредственно данные для свечения на индикаторе задаются директивой db:

Эта же директива позволяет легко записывать надписи, которые в дальнейшем потребуется высвечивать на встроенном дисплее или экране дисплея универсального компьютера, подключенного к разрабатываемому устройству через какой-либо интерфейс. Пример использования директивы db для занесения надписей в память программ микроконтроллера приведен ниже:

Необходимо отметить, что при использовании этой директивы возможна ситуация, когда программист приказывает транслятору разместить новый код программы по уже написанному месту, что приводит к неверной трансляции программы.

Директива using. При использовании прерываний критичным является время, занимаемое программой, обработчиком прерываний. Это время можно значительно сократить, выделив для обработки прерываний отдельный банк регистров. Выделить отдельный банк регистров можно при помощи директивы USING. Номер банка используемых регистров указывается в директиве в качестве операнда. Пример использования директивы USING для подпрограммы обслуживания прерываний от таймера 0 приведен ниже:

Директива CALL. В системе команд микроконтроллера MCS-51 используется три команды безусловного перехода. Выбор конкретной команды зависит от расположения ее в памяти программ, однако программист обычно этого не знает. В результате во избежание ошибок приходится использовать самую длинную команду LJMP. Это приводит к более длинным программам и к дополнительной нагрузке на редактор связей. Транслятор сам может подобрать наилучший вариант команды безусловного перехода. Для этого вместо команды микроконтроллера следует использовать директиву call.

2.6 Реализация подпрограмм

При написании программ часто при реализации алгоритма работы устройства приходится повторять одни и те же операторы (например операторы, работающие с параллельным или последовательным портом). Было бы неплохо использовать один и тот же участок кода, вместо того, чтобы повторять одни и те же операторы несколько раз.

Участок программы, к которому можно обращаться из различных мест программы для выполнения некоторых действий называется подпрограммой.

Проблема, с которой приходится сталкиваться при многократном использовании участков кодов - это в какое место памяти программ возвращаться после завершения подпрограммы. Обращение к подпрограмме производится из нескольких мест основной программы. Описанную ситуацию иллюстрирует рис. 16. На этом рисунке изображено адресное пространство микроконтроллера. Младшие адреса адресного пространства на этом рисунке находятся в нижней части.

Рисунок 16 - Вызов подпрограммы и возврат к выполнению основной программы

Для обращения к подпрограмме и возврата из нее в систему команд микропроцессоров вводят специальные команды. В микроконтроллерах семейства MCS-51 это команды LCALL, ACALL для вызова подпрограммы и команда RET для возврата из подпрограммы. Эти команды не только осуществляют передачу управления на указанный адрес, но и запоминают адрес команды, следующей за командой вызова подпрограммы в стековой памяти. Команда возврата из подпрограммы RET передает управление команде, адрес которой был запомнен командой вызова подпрограммы. Пример использования подпрограммы на языке программирования ASM-51 приведен ниже:

...

Mov G_Per,#56 ; Передать 56 через последовательный порт.

Call PeredatByte

...

Mov G_Per,#49 ; Передать 49 через последовательный порт.

Call PeredatByte

...

;-----------------------------------------------------------------------*

; Подпрограмма передачи байта по последовательному порту

;-----------------------------------------------------------------------*

PeredatByte:

Jb TI,$ ; Ожидание конца передачи предыдущего байта.

Mov SBUF,G_Per ; Передача байта

Ret

Ни в коем случае нельзя попадать в подпрограмму любым способом кроме команды вызова подпрограммы CALL. В противном случае команда возврата из подпрограммы передаст управление случайному адресу. По этому адресу могут быть расположены данные, которые в этом случае будут интерпретированы как программа, или обратиться к внешней памяти, откуда будут считываться случайные числа.

Очень часто требуется из одной подпрограммы обращаться к другой подпрограмме. Такое обращение к подпрограмме называется вложенным. Количество вложенных подпрограмм называется уровнем вложенности подпрограмм. Максимально допустимый уровень вложенности подпрограмм определяется количеством ячеек стековой памяти. Логически эти ячейки памяти организованы так, чтобы считывание последнего записанного адреса производилось первым, а первого записанного адреса производилось последним (буфер LIFO). Такая логическая организация формируется специальным счетчиком. Этот счетчик, как было указано выше, называется указателем стека SP. Ячейка памяти, в которую в данный момент может быть записан адрес возврата из подпрограммы, называется вершиной стека. Количество ячеек памяти, предназначенных для организации стека, называется глубиной стека. Последняя ячейка памяти, в которую можно производить запись называется дном стека. Логическая организация стека приведена на рис. 17.

В микроконтроллерах семейства MCS-51 при занесении информации в стек содержимое указателя стека увеличивается (стек растет вверх), поэтому стек размещается в самой верхней части памяти данных. Для того, чтобы установить глубину стека 28 байт, необходимо вычесть из адреса максимальной ячейки внутренней памяти микроконтроллера глубину стека и записать полученное значение в указатель стека SP:

Рисунок 17 - Организация стека в памяти данных микропроцессора

Кроме содержимого программного счетчика часто требуется запоминать содержимое внутренних регистров и флагов процессора, локальных переменных подпрограммы. Стек оказался удобным средством и для этой задачи. Сохранение локальных переменных в стеке позволило осуществлять вызов подпрограммы самой из себя (реализовывать рекурсивные алгоритмы). Это привело к введению в систему команд специальных команд работы со стеком. В микроконтроллерах семейства MCS-51 это команды PUSH и POP. Использование этих команд показывается на следующем примере:

Podprogramma:

PUSH PSW ; Сохраняем используемые в подпрограмме

PUSH ACC ; регистры в стеке

PUSH R0

... ; Код самой подпрограммы.

POP R0 ; Извлекаем сохраненные регистры из стека

POP ACC ; в обратном порядке.

POP PSW

RET ; Выход из подпрограммы.

В приведенном выше примере передачи байта через последовательный порт, сам байт передается в подпрограмму через глобальную переменную G_Per. Однако программа будет эффективнее при использовании подпрограммы с параметрами. Мы знаем, что параметр подпрограммы - это локальная переменная. В этом случае могут значительно снизиться требования к памяти данных. Для размещения локальных переменных лучше всего использовать внутренние регистры процессора. На языке ASM51 для передачи параметра размерностью один байт обычно используется аккумулятор.

Если в подпрограмму нужно передать двухбайтовое значение, то в качестве параметра подпрограммы используется пара регистров (обычно регистры R6-старший байт и R7-младший байт). Пример программы, передающей в подпрограмму двухбайтовое число, написанной на языке программирования ASM-51 приведен ниже:

...

;Пример передачи в подпрограмму двухбайтового числа.

Mov R7, #56 ; Передача младшего байта.

Mov R6, #0 ; Передача старшего байта.

Call Podprog ; Вызвать подпрограмму.

...

Если в подпрограмму нужно передать четырехбайтовое значение (это требуется для переменной, соответствующей типу long или float), то используются регистры R4...R7 (регистр R4 - старший байт):

...

;Пример передачи в подпрограмму четырехбайтового числа.

Mov R7, #56 ; Передача младшего байта.

Mov R6, #0

Mov R5, #0

Mov R4, #0 ; Передача старшего байта.

Call Podprog ; Вызвать подпрограмму.

...

Регистры R0 и R1 обычно используются в качестве указателей обрабатываемых переменных, таких как строки или массивы. Если требуется, чтобы подпрограмма обработала значительный объем данных, то эти данные можно передать через параметр - указатель. В качестве указателя при обращении к внешней памяти данных или к памяти программ обычно используется регистр-указатель данных DPTR. Пример передачи в качестве параметра строки, написанный на языке программирования ASM-51 приведен ниже:

...

;Пример передачи в подпрограмму указателя данных.

Mov DPTR, #Stroka ; Передача указателя на строку.

Call Podprog ; Вызвать подпрограмму.

...

Stroka: DB `Наша строка символов.'

При обращении к массивам или структурам, расположенным во внутренней памяти данных в качестве указателя адреса используется регистр R0 или R1:

...

;Пример передачи в подпрограмму указателя данных внутренней памяти.

Mov R0, #Array ; Передача указателя на данные.

Call Obrabotka ; Вызвать подпрограмму.

...

Часто требуется передавать результат вычислений из подпрограммы в основную программу. Для этого можно воспользоваться подпрограммой-функцией. Подпрограмма-функция возвращает вычисленное значение:

Mov A,X ; Передать в подпрограмму значение Х.

Call Sin ; Вызов функции Y=sin(X)

Mov Y,A ; Сохранение функции в переменной Y.

При этом переменные X и Y должны быть заранее определены директивой EQU.

2.7 Реализация многомодульных программ

Разбиение исходного текста программы на несколько файлов делает этот текст более понятным для программиста или нескольких программистов, участвующих в создании программного продукта. Однако остается нерешенными еще несколько задач:

- Программа-транслятор работает со всем исходным текстом целиком, ведь она соединяет все файлы перед трансляцией вместе. Поэтому время трансляции исходного текста программы остается значительным (и даже возрастает). В то же самое время программа никогда не переписывается целиком. Обычно изменяется только небольшой участок программы.

- При назначении переменных их количество ограничено программой-транслятором и может быть исчерпано при написании программы.

- Различные программисты, участвующие в создании программного продукта могут назначать одинаковые имена для своих переменных и при попытке соединения файлов в единую программу обычно возникают проблемы.

Все эти проблемы могут быть решены при раздельной трансляции программы. То есть было бы неплохо уметь транслировать каждый файл с исходным текстом программы отдельно и соединять затем готовые оттранслированные участки программы.

Компиляторы, которые позволяют транслировать отдельные участки программы, называются компиляторами с раздельной трансляцией.

Исходный текст программы, который может быть отдельно оттранслирован, называется программным модулем.

Оттранслированный программный модуль сохраняется в виде отдельного файла в объектном формате, где кроме машинных команд сохраняется информация об именах переменных, адресах команд, требующих модификации при объединении модулей в единую программу и отладочная информация.

Раздельная трансляция программы возможна при использовании двух программ: транслятора исходного текста программы и редактора связей.

На первый взгляд раздельная трансляция не должна вызывать каких-либо проблем. Однако это не так. При компиляции исходного текста программы транслятор составляет таблицу ссылок на константы, переменные и команды. Если при втором просмотре исходного текста программы, во время которого формируется объектный модуль, транслятор не обнаружит имени переменной или метки в своей таблице, то будет сформировано сообщение об ошибке и объектный модуль будет стерт с диска компьютера.

Для того, чтобы транслятор вместо формирования сообщения об ошибке записал в объектный модуль информацию, необходимую для редактора связей, нужно использовать специальные директивы ссылок на внешние переменные или метки. Обычно эти директивы называются PUBLIC (общие) и EXTRN (внешние). Для ссылки на переменную или метку используется директива EXTRN. В этой директиве перечисляются через запятую метки и переменные, точное значение которых редактор связей должен получить из другого модуля и модифицировать все команды, в которых эти метки или переменные используются. Пример использования директивы EXTRN на языке программирования ASM-51:

EXTRN DATA (BufInd, ERR)

EXTRN CODE (Podprog)

Для того, чтобы редактор связей мог осуществить связывание модулей в единую программу, переменные и метки, объявленные по крайней мере в одном из модулей как EXTRN, в другом модуле должны быть объявлены как доступные для всех модулей при помощи директивы PUBLIC. Пример использования директивы PUBLIC:

PUBLIC BufInd, Parametr

PUBLIC Podprogr, ?Podprog?Byte

Использование нескольких модулей при написании программы увеличивает скорость трансляции и, в конечном итоге, скорость написания программы. Однако объявления переменных и имен подпрограмм внешних модулей загромождают исходный текст модуля. Кроме того, при использовании чужих модулей трудно объявить переменные и подпрограммы без ошибок. Поэтому обычно объявления переменных, констант и предварительные объявления подпрограмм хранят во включаемых файлах, которые называются файлами-заголовками. Правилом хорошего тона считается при разработке программного модуля сразу же написать файл-заголовок для этого модуля, который может быть использован программистами, работающими с Вашим программным модулем.

Для объединения нескольких модулей в исполняемую программу имена всех модулей передаются в редактор связей rl51.exe в качестве параметров при запуске этой программы. Пример вызова редактора связей из командной строки DOS для объединения трех модулей:

rl51.exe progr.obj, modul1.obj, modul2.obj

BSEG AT 8 ; Сегмент начинается с 8 бита.

RejInd: DBIT 1 ; Флаг режима индикации.

RejPriem: DBIT 1 ; Флаг режима приема.

Flag: DBIT 1 ; Флаг общего назначения.

ISEG AT 40h ; Расположить сегмент в адресах от 40h.

Buffer: DS 10 ; Переменная Buffer объемом 10 байт.

Stack: DS 245 ; Глубина стека 245 байт.

Если абсолютные адреса переменных или участков программ не интересны, то можно воспользоваться перемещаемыми сегментами. Имя перемещаемого сегмента задается директивой segment.

Директива segment позволяет определить имя сегмента и область памяти, где будет размещаться данный сегмент памяти. Для каждой области памяти определено ключевое слово:

3.1 Структурное программирование

Создание программ для микроконтроллеров резко отличается от написания программ для универсального компьютера. При выполнении программы на универсальном компьютере запуск программ, взаимодействие с внутренними, внешними устройствами или человеком берет на себя операционная система. Программа, написанная для микроконтроллера, должна решать все эти задачи. Программа, написанная для компьютера, когда-нибудь запускается и завершается. Программа, управляющая микроконтроллером, запускается при включении устройства и не завершает свою работу пока не будет выключено питание.

Программа для микроконтроллера должна решать все перечисленные выше проблемы. Простейшим видом программы, которая может решать поставленные задачи является монитор.

Алгоритм программы-монитора приведен на рис. 19.

Рисунок 19 - Алгоритм программы-монитора

После включения питания эта программа должна настроить микросхему под выполняемую программой задачу, то есть настроить определенные ножки микросхемы на ввод или вывод информации, включить и настроить внутренние таймеры микроконтроллера и так далее. Этот блок алгоритма программы-монитора называется инициализацией процессора.

Основная часть программы начинает выполняться после настройки микроконтроллера на выполняемую работу. При этом необходимо понимать, что если в аппаратуре ввод, обработка и вывод информации производится различными блоками, то при выполнении программы эти же действия производятся последовательно одним и тем же устройством - микропроцессором. В этом же цикле предусмотрен блок обработки ошибок. Его предназначение сообщать оператору о непредвиденной ситуации, такой как неправильный ввод с клавиатуры или неправильные данные с подключенного к микроконтроллеру устройства.

При использовании нескольких подпрограмм встает проблема обмена информацией между этими подпрограммами. Как уже рассматривалось ранее, информация в подпрограмму может быть передана через параметры подпрограммы или через глобальные переменные. При создании программы-монитора может потребоваться передавать одну и ту же информацию нескольким подпрограммам, поэтому в мониторах информация обычно передается через глобальные переменные.

В настоящее время существует два способа написания программ: снизу вверх и сверху вниз. При написании программы снизу вверх приступить к отладке программы невозможно, не написав полностью всю программу. При написании программы сверху вниз на любом этапе написания программы она может быть оттранслирована и выполнена, при этом можно отследить все алгоритмические действия программы, написанные к этому времени. Процесс написания программы не отличается от процесса создания алгоритма. Более того, эти этапы создания программы можно объединить. Выполняемое алгоритмическое действие отображается в названии подпрограммы. Например:

Call ReadPort ; Прочитать порт

Call IndOFF ; Прочитать порт

Основная идея структурного программирования заключаются в том, что существует только четыре структурных оператора. Используя эти операторы, можно построить сколь угодно сложную программу.

Первый структурный оператор называется линейная цепочка операторов. Любая задача может быть разбита на несколько подзадач. Выполнение подзадач может быть поручено подпрограмме, в названии которой можно (и нужно) отразить подзадачу, которую должна решать эта подпрограмма. На момент написания алгоритма (и программы) верхнего уровня нас не интересует, как будет решаться эта задача, поэтому вместо настоящей подпрограммы поставим подпрограмму-заглушку (Подпрограмма-заглушка это подпрограмма, которая ничего не выполняет, а только возвращает управление главной программе; действие, которое в дальнейшем должна выполнять эта программа, отображается в названии подпрограммы-заглушки).

Алгоритмически такая цепочка операторов изображена на рис. 20.

Рисунок 20 - Алгоритмическое изображение линейной цепочки операторов

Второй структурный оператор называется условный оператор (оператор ветвления). Достаточно часто одна или другая задачи должны исполняться в зависимости от определенного условия, которое зависит от результатов выполнения предыдущей программы или от внешних устройств. Каждая из таких задач называется плечом условного оператора и изображена на рис. 21:

Рисунок 21 - Алгоритмическое изображение условного оператора

Условный оператор может использоваться в неполном виде, когда отсутствует одно из плеч оператора.

Третий структурный оператор - это оператор цикла с проверкой условия после тела цикла. Такой оператор легко реализуется на языке программирования ассемблер при помощи команды условного или безусловного перехода. Отличие от условного оператора заключается в том, что передача управления осуществляется не вперед, а назад. На языках программирования высокого уровня такой оператор входит в состав языка (оператор do..while в языке программирования C++, или оператор repeat..until в языке программирования PASCAL). В языке ассемблер MCS-51 - это команда DJNZ, перед которой пишется тело цикла.

Алгоритмически такой оператор изображен на рис. 22.

Рисунок 22 - Алгоритмическое изображение оператора цикла с проверкой условия после тела цикла

Четвертый структурный оператор - это оператор цикла с проверкой условия до тела цикла. В отличие от предыдущего оператора тело цикла в этом операторе может ни разу не выполниться, если условие цикла сразу же выполнено. Этот оператор, как и условный оператор, невозможно реализовать на одной машинной команде:

Рисунок 23 - Алгоритмическое изображение оператора цикла с проверкой условия до тела цикла

Условный оператор выполняется путем сравнения величин. Если это битовая величина, то в таком случае все просто - если бит установлен, выполняется одно плечо, если нет - другое. При сравнении байтовых и более размером величин выделяют следующие условия:

E (equal) - Равно;

NE (Not Equal) - Не равно;

GE (Great or Equal) - Больше или равно;

LE (Less or Equal) - Меньше или равно;

GT (Great Than) - Больше;

LT (Less Than) - Меньше.

У некоторых микропроцессоров операции данных условных переходов присутствуют. Для микропроцессоров, у которых нет таких операций (в том числе и I8051), данные условия строятся на анализе результатов регистра PSW после выполнения сравнения чисел.

Рассмотрим пример сравнения двух байтовых величин на микроконтроллере I8051. Т. к. данный контроллер имеет команду сравнения и перехода, если не равно (CJNE), то данный вариант мы рассматривать не будем. Пусть имеется 2 байта, один в аккумуляторе, другой - в регистре R1. Нужно их сравнить и выполнить плечо условия №1, если они равны. Иначе - плечо №2:

Clr C ; Отчистим признак переноса перед сравнением.

Subb A,R1 ; Сравнение вычитанием

Jnz NeRavno ; Переход на плечо №2.

... ; Здесь выполняется плечо №1 равенства.

Jmp Dalee

NeRavno:

... ; Здесь выполняется плечо №2 не равно.

Dalee: ; Продолжение программы.

При выполнении мягких условий (GE и LE) задача усложняется из-за контроля двух признаков. Пусть нам необходимо проверить условие (A)(R1). Если оно соблюдается, то выполняем плечо №1, иначе - №2:

Clr C ; Отчистим признак переноса перед сравнением.

Subb A,R1 ; Сравнение вычитанием.

Jb ACC.7,Menwe ; Переход на плечо №1.по условию меньше (А<0).

Jz Menwe ; Переход на плечо №1 по условию равенства (A=0).

... ; Здесь выполняется плечо №2.

Jmp Dalee

Menwe:

... ; Здесь выполняется плечо №1.

Dalee: ; Продолжение программы.

По такому принципу можно построить конструкции и с помощью команды сложения. Пример контроля признаков результата сравнения в зависимости от разных условий при выполнении вычитания приведен в таблице 2. В процессе построения программы следует помнить, что условные переходы в языке ассемблер для микроконтроллера I8051 могут выполнить только относительный переход по адресному пространству в пределах -128…+127 адресов относительно самой команды. Поэтому желательно располагать плечи условий, которые выполняются по переходу, как можно ближе к участку программы, где выполняется сравнение. Если такой возможности нет и в процессе компиляции программы, компилятор выдал ошибку о невозможности выполнить переход, то приведенные выше конструкции условных операторов нужно дополнить «длинными прыжками» LJMP к плечу оператора.

Таблица 2 - Ветвления и их команды после операции вычитания

3.2 Создание программы микропроцессорного устройства

Рассмотрим пример написания программы для микроконтроллера. Прежде всего, не нужно забывать, что программа не может существовать отдельно независимо от схемы устройства. Если при написании программы для универсального компьютера, такого как IBM PC можно не задумываться о схеме, так как она стандартная, то перед написанием программы для микроконтроллера необходимо разработать схему устройства, или изучить, если последняя имеется в наличии, в состав которого будет входить микроконтроллер.