KyungHee Univ. 2-1

Chapter 2Assembly Language Programming

KyungHee Univ. 2-2

왜 Assembly Language Programming 을 배워야 하나 ? 프로세서의 동작 이해에 필요 하다 .

Programmable Digital System 설계에 필요한 기본 기술 이해 프로그램 오류 ( 알고리즘 또는 Coding 상의 문제 ) 해결에 필요 Higher-level Language 가 지원하지 못하는 Hardware 기능 구현Time-critical 한 Routine 의 작성

Assembly Language 의 특징 Assembler Instructions 은 1 대 1 로 Machine Instruction 에 대응

한다 . uP 의 성능을 100% 구현 할 수 있다 .

가장 효율적인 프로기램 구현이 가능 하다 . 실행 속도 프로그램 Code 길이

배우기 쉽다 .

Assembly Language Programming

KyungHee Univ. 2-3

Instruction Set 란 ? 프로세서의 명령 실행 주기 동안에 실행되는 Code set 를 말한다 .

Binary Instructions 명령어에서 Binary pattern 111011000001100(0xEA0A) 의 의미는 R16 0xAA (LDI R16, 0xAA) 의 의미 이다 . 위 Binary Instruction 은 프로세서에게는 효과적인 명령 이지만

인간이 이해하기에는 너무불편하여 보다 효과적인 표시 방법이 필요 하여 ,

16 진법과 8 진법을 이용 하여 에서 Binary pattern 을 표시 한다 . 그러나 , 16 진법과 8 진법도 인간이 프로세서의 동작을 이해하기에

부족 하기 때문에 Assembly Language 를 사용 한다 .

Assembly Language Programming

KyungHee Univ. 1-4

Assembly Language 인간이 좀더 쉽게 프로세서의 명령을 이해할 수 있도록 이해하기

쉬운 심볼을 사용한 프로그래밍 언어 이다 .

예 )Instruction Mnemonic Rg/Memory Hexadecimal Equivalent

ldi R16, 0xAA EA0A

mov R0, R16 2E00

ldi R16, 0x55 E505

mov R2, R16 2E20

Assembler 그러나 Assembly Language 는 프로세서가 직접 실행할 수 없기

때문에 Assembly Language 로 작성된 프로그램을 Binary Instruction 으로 변환 하는 프로그램이 필요 하게 되고 , 이 프로그램이 Assembler 이다 .

KyungHee Univ. 2-5

Assembly language Development Process

Source Code ; I/O Port Init clr AC0 sts PORTF, AC0 out DDRD, AC0 ser AC0 out PORTD, AC0 sts DDRF, AC0

Object Code00004b 2700 00004c 9300 0062 00004e bb0100004f ef0f 000050 bb02000051 9300 0061

Processor

RAM

ROM2700 9300 0062 bb01Ef0f bb029300 0061

I/O Port

External Device

Assembler Loader

Microcontroller

KyungHee Univ. 1-6

AVR128A Processor Architectural Overview : Block Diagram of the AVR Architecture

KyungHee Univ. 2-7

Architectural Overview Harvard architecture

Program 과 data 를 위한 Memory 와 Bus 가 분리되어 있다 . Register file : 32 x 8-bit general purpose working registers 3 개의 16-bit indirect address register pointers. ALU supports arithmetic and logic operations

Registers Registers fun Registers Registers Registers fun Constant

Program Flash memory space 는 Boot Program section 과 Application Program section 2 가지로 구성 된다 .

I/O memory space contains 64 addresses : $20 - $5F ATmega128A 는 Extended I/O space($60 - $FF in SRAM) 를 갖는다 .

오직 ST/STS/STD and LD/LDS/LDD 명령만 사용 가능 함 .

KyungHee Univ. 2-8

ALU – Arithmetic Logic Unit High-performance AVR ALU operation

32 개의 general purpose working registers 와 직접 연결 되어 있다 .

Single clock cycle arithmetic operations Registers Registers fun Registers Registers Registers fun Constant

Three main categories ALU operations Arithmetic, Logical, and Bit-functions

Powerful multiplier Signed/unsigned multiplication and fractional format

KyungHee Univ. 2-9

Status Register 최근에 실행된 Arithmetic instruction 결과에 대한 정보를 표시한다 . 이 정보는 Program 흐름을 바꾸는 Conditional Operations 에 사용

할 수 있다 . 모든 ALU 연산에 의하여 Status Rg 가 Update 된다 .

SREG - AVR Status Register

Bit 7 – I: Global Interrupt Enable Bit Bit 6 – T: Bit Copy Storage

Bit Copy instructions BLD (Bit LoaD) 과 BST (Bit STore) 에서 T-bit 가 source 또는 destination 으로 사용 된다 .

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0

I T H S V N Z C

Read/Write R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W

Initial Value 0 0 0 0 0 0 0 0

KyungHee Univ. 2-10

Bit 5 – H: Half Carry Flag : Half carry 는 BCD arithmetic 에서 이용 된다 .

Bit 4 – S: Sign Bit, S = N V⊕ Bit 3 – V: Two’s Complement Overflow Flag Bit 2 – N: Negative Flag Bit 1 – Z: Zero Flag Bit 0 – C: Carry Flag

Register File 의 Address Map Data memory space 의 첫 32($20) 번지에 mapping 된다 .

KyungHee Univ. 2-11

AVR General Purpose Register File

Rg0 – Rg15

Rg16 – Rg31X Rg

Y Rg

Z Rg

KyungHee Univ. 2-12

X-register, Y-register, and Z-register Registers R26:R31 은 일반 Rg 로의 기능 이외에 Data Space 에서

Indirect addressing 을 위한 16-bit address pointers 로서의 기능을 갖는다 .

15 XH XL 0

X-Rg 7 0 7 0

R27($1B) R26($1A)

15 YH YL 0

Y-Rg 7 0 7 0

R29($1D) R28($1C)

15 ZH ZL 0

Z-Rg 7 0 7 0

R31($1F) R30($1E)

KyungHee Univ. 1-13

Index Rg 이용 예1000 번지 부터 1099 번지 까지 100Byte 를 2000 번지

부터 저장하라 .

Index Rg 가 없는 경우의 예

• (2000) (1000)

• (2001) (1001)

• (2002) (1002)

- - - -

- - - -

• (2099) (1099)

KyungHee Univ. 1-14

Index Rg 이용 예1000 번지 부터 1099 번지 까지 100Byte 를 2000 번지

부터 저장하라 .

Index Rg 와 Counter Rg 가 있는 경우의 예

Start :

Index Rg1 1000

Index Rg2 2000

Counter Rg 100

Loop :

(Index Rg2 ) (Index Rg1)

Index Rg1 Index Rg1 + 1

Index Rg2 Index Rg2 + 1

Counter Rg Counter Rg - 1

If (Counter Rg != 0 ) goto Loop

Done:

KyungHee Univ. 1-15

AVR Memory Space

Data Memory MapWorking Registers

Includes X, Y, and Z registers.I/O Register Space

Includes “named” registersSRAM – Data Space

Runtime Variables and Data Stack space

Program Flash Memory MapProgram Flash Memory

Vectors, Code, and (Unchangeable) Constant Data.Boot Program Flash Memory

EEPROM space For non-volatile but alterable data

KyungHee Univ. 1-16

Data Memory Map 32 Registers $0000-$001F

64 I/O Registers $0020 - $005F

160 Ext. I/O Reg. $0060 - $00FF

Internal RAM (4096 x 8)

$0100

$10FF

External RAM

$1100

$FFFF

KyungHee Univ. 1-17

SRAM Data Memory

Tmega128A Normal ModeRegister file : First 32($0-$19) locations addressStandard I/O memory : Next 64($20-$5f) locationExtended I/O memory : Next 160($60-$ff) locations Internal data SRAM : Next 4096 locations address

Configuration Internal SRAM Data Memory

External SRAM Data Memory

Normal mode 4096 up to 64K

ATmega103 Compatibilitymode

4000 up to 64K

Memory Configurations

KyungHee Univ. 1-18

In-System Reprogrammable Flash Program Memory

128K bytes On-chip In-System All AVR instructions are 16 or

32 bits wide. Flash is organized as 64K x 16 Divided into two sections

Boot Program section and Application Program section.

Interrupt VectorTable

$0000

Application ProgramSection

Boot ProgramSection $FFFF

KyungHee Univ. 1-19

EEPROM Data Memory

ATmega128A 4K bytes 의 Data EEPROM memorySeparate data spaceSingle bytes read, written 가 가능 함 .EEPROM access registers are accessible in the I/O

spaceEEPROM is read, the CPU is halted for four clock

cycles before the next instruction is executedEEPROM is written, the CPU is halted for two clock

cycles before the next instruction is executed

KyungHee Univ. 1-20

I/O Memory

ATmega128A ATmega128A 의 모든 I/O 와 주변 장치는 I/O Space 에 할당

되어 있다 . I/O Space 에 할당된 모든 I/O 와 주변 장치가 사용 하는

Register 는 32 개의 Register(Data) 와 Data Transfer 가 가능 하다 .

IN, OUT 명령은 I/O addresses $00 - $3F 에 할당된 I/O 와 주변 장치에 사용 한다 .

Data Space 에 있는 I/O Registers($60-$FF) 는 LD 와 ST 명령을 사용 한다 .

I/O Port 의 실제 번지는 32 개의 일반 Register 에 할당된 $0-$19($20) 번지 값을 더 한 값이 된다 . 참고자료 : ATmega128_doc8151.pdf

KyungHee Univ. 1-21

AVR Instruction Set Overview The AVR instruction set is divided into:

ARITHMETIC AND LOGIC INSTRUCTIONS Branch instructions DATA TRANSFER INSTRUCTIONS BIT AND BIT-TEST INSTRUCTIONS MCU CONTROL INSTRUCTIONS

KyungHee Univ. 1-22

일반적인 uP 에서 Registers 의 종류와 역활Data Rg

연산 및 자료 처리에 필요한 Data 를 저장함 Index Rg

Operand 의 주소를 저장 ( Pointing ) 함 .

Stack Pointer

Last-In-First-Out : Stack Operation

First-In-First-Out : Buffed I/O 에 유용Program Counter

다음에 실행할 명령어의 번지를 저장함 .

Status Rg

연산 결과 상태를 표시하는 Flag 를 저장함 .

KyungHee Univ. 2-23

Stack Pointer Stack 은 LIFO(Last In First Out) 알고리즘을 수행 한다 . Stack 의 이용 분야

Temporary data 의 저장 Local variables 의 저장 Interrupts 과 Subroutine calls 후 Return addresses 의 저장

Stack 은 Stack 영역이 필요 할 경우 Stack memory 의 Higher memory locations 로 부터 Lower memory locations 으로 확장 된다 .

Stack Pointer Register 는 항상 Stack 의 Top 위치를 Pointing 한다 .

Stack Pointer instructions

Instruction Stack pointer Description

PUSH Decremented by 1 Data is pushed onto the stack

CALLICALLRCALL

Decremented by 2 Return address is pushed onto the stack with a sub-routine call or interrupt

POP Incremented by 1 Data is popped from the stack

RETRETI

Incremented by 2 Return address is popped from the stack with return from subroutine or return from interrupt

KyungHee Univ.2-24

SPH and SPL - Stack Pointer High and Low Register AVR Stack Pointer 는 I/O space 내에 Two 8-bit registers 로 실현된

다 . Stack 영역을 작게 요구되는 기종에서는 SPL(8-bit) 만 이용 된다 .

Bit 15 14 13 12 11 10 9 8

SPH SP15 SP14 SP13 SP12 SP11 SP10 SP9 SP8

SPL SP7 SP6 SP5 SP4 SP3 SP2 SP1 SP0

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0

Read/Write R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W

Initial Value 0 0 0 0 0 0 0 0

KyungHee Univ. 2-25

Subroutines and the Stack

Last in First Out (LIFO)사용 예 : Stack Operation

First in First Out (FIFO)사용 예 : I/O Buffer 등

Stack 의 사용 예Subroutine 의 Return Address 저장Local variable 영역 확보Parameter Passing : 상위 계층 프로그램 모듈과 하위

모듈 사이에 Parameter Passing Subroutine 내에서 사용하는 Rg 의 보호를 위한 임시

저장 장치로 사용

KyungHee Univ. 2-26

Subroutines and the Stack

push Operation 예 : push Rg(SP) ← RgSP ← SP - 1

Pull Operation 예 : pull RgSP ← SP + 1Rg ← (SP)

KyungHee Univ. 2-27

Subroutine일반 프로세서에서의 Subroutine

Call sub• (SP) PC• SP SP--• PC Subroutine 의 시작 번지

Return• SP SP ++• PC (SP)

주 : 여기에서 ++, -- 의 의미는 다음 번지 , 이전 번지의 의미 임 .

Subroutines and the Stack

KyungHee Univ. 2-28

2.2.9 Subroutines and the Stack

push Operationldi R16, 0xAApush R16

Push Operation 실행 전 실행 후

Lower Address

SP

3 Top

2

HigherAddress

1

Lower Address

SP

AA Top

3

2

HigherAddress

1

KyungHee Univ. 2-29

2.2.9 Subroutines and the Stack

pop Operationpop R16

Pop Operation 실행 전 실행 후

Lower Address

SP

AA Top

3

2

HigherAddress

1

Lower Address

SP AA

3 Top

2

HigherAddress

1

R16 AA

KyungHee Univ. 1-30

일반적인 Addressing Mode

Inherent Addressing ModeOperand Field 를 갖지 않는다 .

Immediate Addressing ModeOperand Field 에 상수 값이 직접 주어진다 .

Direct Addressing ModeOperand Field 에 실제 Address 가 온다 .

Indirect Addressing ModeOperand Field 에 실제 Address 가 저장된 주소가

온다 .Relative Addressing Mode

PC 또는 Index Rg 를 기준으로한 상대번지가 온다 .

KyungHee Univ. 1-31

Register Direct, with 1 and 2 registers

I/O Direct

Data Direct

Data Indirect

with pre-decrement

with post-increment

Code Memory Addressing

AVR uP 의 Addressing Mode

KyungHee Univ. 1-32

Register Direct: 1 Register

Register File

0

d

31

15 4 0

OP Rd

Example: inc R16 clr R22

KyungHee Univ. 1-33

Register Direct: 2 Register

Register File

0

d

r

31

15 9 5 4 0

OP Rr Rd

Example: add R16,R17 cp R22,R5 mov R0,R1

Rd: R0-R31 or R16-R31 ( Depending on instruction)Rr: R0-R31

KyungHee Univ. 1-34

I/O Direct

I/O Memory

0

63

15 5 0

OP n Rd

Example: in R16,PIND out PORTC,R16

KyungHee Univ. 1-35

Data Direct

Data Space

&0000

$FFFF

16 0

OP Rr 0000

15 Address 0

Example: sts 0x1000,R16

KyungHee Univ. 1-36

Data Indirect

Data Space

$0000

$FFFF

15 5 0

OP Rd/Rr

Example: ld R16, Y st Z, R16

15 5 0

X,Y or Z Register

KyungHee Univ. 1-37

Data Indirect r/w DisplacementData Space

$0000

$FFFF

15 5 0

X,Y or Z Register

Example: ldd R16, Y+0x10 std Z+0x20, R16

15 10 6 5 0

OP Rd/Rr a

+

KyungHee Univ. 1-38

Data Indirect : Pre-DecrementData Space

$0000

$FFFF

15 5 0

X,Y or Z Register

Example: ld R16, -Z st -Z, R16

-1

+

KyungHee Univ. 1-39

Data Indirect : Post-IncrementData Space

$0000

$FFFF

15 5 0

X,Y or Z Register

Example: ld R16, Z+ st Z+, R16

1

+

KyungHee Univ. 1-40

Program Memory Addressing

Program Memory

$000

$7FF/$FFF

15 1 0

Z Register

Example: lpm R30, Z+

KyungHee Univ. 1-41

Indirect Program Memory Addressing

Program Memory

$000

$7FF/$FFF

15 0

Z Register

Example: ijmp icall

Z Rg 를 Index Rg 로 사용 한다 .

KyungHee Univ. 1-42

Relative Program Addressing

Program Memory

$000

$7FF/$FFF

15 0

PC

Example: rjmp rcall

15 12 11 0

OP k

+