22_10.pdf

Też to potrafisz

W kolejnym odcinku naszego cyklu,

którego celem jest poznanie i naucze−

nie się programowania mikrokontrole−

rów serii MCS−51, postanowiłem od−

łożyć na bok pozostałe do omówienia

bloki funkcjonalne procesora 8051

(port szeregowy, system przerwań,

specjalne tryby pracy), a „wrzucić” Ci,

drogi Czytelniku garść informacji po−

chodzącej trochę z „innej beczki”.

Chodzi mianowicie o krótkie, aczkol−

wiek wystarczające zapoznanie się

z podstawowymi pojęciami dotyczący−

mi obsługi tych „wszystkich mądroś−

ci”, o których od kilku miesięcy uważ−

nie czytasz – czyli o sposób progra−

mowania, czyli: „czym?, jak?, i dlacze−

go?... się ten procesor programuje”.

Decyzja moja jest po części Waszą,

prawdopodobnie przecież większość

z Was ma już swój „Komputerek edu−

kacyjny”, którego konstrukcja została

opisywana w dwóch poprzednich nu−

merach EdW. A skoro wydałeś na to

swoje oszczędności, to dobrze by by−

ło, nie patrzeć tylko na te „cudeńko”

ale je w końcu wypróbować!

Mikrokontrolery?

To takie proste...

Część 6

Asembler – język maszynowy procesora

Do wspólnego zrealizowania tego za−

dania niezbędnych jest kilka informacji

oraz zrozumienie pojęcia „programowa−

nia” układu scalonego – w naszym przy−

padku mikroprocesora.

Zanim przejdę do wyjaśnienia tych po−

jęć, pragnę uspokoić wszystkich drobiaz−

gowych Czytelników, że wspomniane po−

zostałe bloki funkcjonalne procesora

omówię w następnych odcinkach nasze−

go cyklu, ale tym razem... uwaga: na go−

rąco, czyli z wykorzystaniem naszego

edukacyjnego układu.

Tym wszystkim, którzy nie zaopatrzyli

się w dedykowany temu kursowi, kom−

puterek, radzę o jak najszybsze zmonto−

wanie go, dzięki czemu będziecie, moi

drodzy, na bieżąco praktycznie wykony−

wać wszystkie zadania.

A więc zacznijmy od najważniejszego

stwierdzenia: „Mikrokontroler bez pro−

gramu jest jak żołnierz bez....” wiesz bez

czego. I jest to święta racja. Jak sam zdą−

żyłeś się zorientować śledząc poprzednie

odcinki kursu, że kostka 8051 zawiera

w swojej strukturze całe mnóstwo uży−

tecznych elementów takich jak np. pa−

mięć programu, danych, programowane

układy licznikowe, stos, itd. Wszystko faj−

nie... „tylko jak nad tym wszystkim zapa−

nować?...”. Otóż aby odpowiednio wyko−

rzystać zasoby kontrolera i zmusić je do

pracy zgodnie z naszym zamysłem i prze−

znaczeniem konstruowanego układu, po−

trzebny jest język porozumiewania się

z mikroprocesorem. Ten język najczęściej

nazywa się językiem maszyno−

wym. Brzmi bardzo poważnie, praw−

da? Tak na prawdę język ten jest prostym

zbiorem poleceń, dzięki którym możliwa

jest nie tylko ingerencja we wszystkie

wspominanie bloki funkcjonalne proceso−

ra, ale także wykonywanie określonych

logicznych czynności: sprawdzanie wa−

runków czy operacje arytmetyczno−lo−

giczne. Sam język maszynowy to na po−

zór nieczytelny dla człowieka ciąg liczb.

Aby sprawę uprościć stworzono postać

jawną języka maszynowego – asemb−

ler. W języku tym kolejne polecenia opi−

sywane są za pomocą słownych instruk−

cji uzupełnionych odpowiednimi do danej

sytuacji argumentami. Tak postać jest ak−

ceptowalna przez programistę, dzięki te−

mu program pisze się po prostu w dowol−

nym edytorze tekstowym (np. na kompu−

terze), następnie dokonuje się zamiany

(translacji) tak napisanego programu na

wspomniany ciąg liczb – czyli język ma−

szynowy procesora.

Tak jak istnieje na świecie wiele języ−

ków porozumiewania się między ludźmi,

tak samo w rodzinach różnych mikroproce−

sorów, często pochodzących od różnych

producentów, istnieje wiele języków,

wszystkie jednak to języki maszynowe.

Producenci oprogramowania tworzą

bardziej zaawansowane tzw. języki

„wyższego poziomu”, słyszałeś zapew−

ne o takich jak Pascal, C, Basic oraz inne.

Tak naprawdę to są to translatory bardziej

złożonych poleceń danego języka „wyż−

szego poziomu” na kod maszynowy pro−

cesora. Zawsze na samym końcu obrób−

ki programu użytkownika, czy powstał on

w takim czy innym języku powstaje i za−

wsze kod maszynowy, który akceptuje

dedykowany mikroprocesor.

W przypadku pisania większości pro−

gramów na kontrolery 8051 (lub każde

inne „jednoukładowce”), szczególnie

podczas nauki, każdy początkujący musi

poznać jego język maszynowy, czyli

asembler. Dzięki temu później, kiedy

nauczy się nim biegle posługiwać, bę−

dzie mieć duża swobodę i możliwość

obiektywnej oceny w wyborze dowolne−

go innego narzędzia wspomagającego

programowanie tego procesora, ale to

zupełnie inna historia.

Ogólnie można powiedzieć, że pisanie

programu na procesor to po prostu two−

rzenie kolejnych poleceń, z których

w efekcie powstaje cały program.

„Tworzenie” to np. pisanie w dowolnym

edytorze tekstowym ASCII w przypadku

posiadaczy komputerów. Pozostałe oso−

by nie mające dostępu, mogą taki pro−

gram napisać chociażby na kartce papie−

ru (aczkolwiek w przypadku większych

programów jest to bardzo trudne, czy

wręcz niemożliwe).

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/97

Też to potrafisz

Polecenie zwykle zawiera się w jednej

linii programu. Jego składnia jest zasadni−

czo określona, z reguły można ją przed−

stawić jako:

instrukcja <argument_1>, <argument_2>.....(1)

Czasami przed instrukcją występuje

także etykieta zakończona znakiem „:”

(dwukropka), np. „etyk01:”, której zada−

niem jest po prostu nazwanie danej linii

polecenia. Ilość argumentów w linii pole−

cenia może być różna w zależności od ro−

dzaju instrukcji. W przypadku asemblera

procesora 8051 i pochodnych liczba ta

waha się od zera w przypadku instrukcji

bezargumentowych do trzech. Zasadą

jest że poszczególne argumenty oddziela

się zawsze znakiem „,”: (przecinka), na−

tomiast instrukcja oddzielona jest od pier−

wszego argumentu spacją (odstępem)

lub znakiem tabulacji (to informacja dla

komputerowców).

Podajmy przykład polecenia dla proce−

sora 8051 w którym procesor wykonuje

dodawanie zawartości dwóch jego rejes−

trów:

ADD A, B (2)

W poleceniu tym wystąpiły:

–instrukcja: „ADD”

–argumenty: A – rejestr A (akumulator)

oraz rejestr B

W nazewnictwie asemblerowym pier−

wszą część polecenia, czyli instrukcję

(np. ADD ) nazywa się „mnemonikiem”,

toteż od tego momentu będziemy posłu−

giwać się tym zwrotem. Aby otrzymać

wynik dodawania należy dodać do siebie

dwa argumenty. Pierwszy argument (ja−

kaś liczba) znajduje się w akumulatorze

procesora 8051, druga zaś w tym przy−

padku w rejestrze B. W wyniku wykona−

nia przytoczonego polecenia procesor do−

da do zawartości rejestru A wartość z re−

jestru B, a wynik umieści w rej. A (aku−

mulatorze). Powiedzmy że chcemy do−

dać dwie liczby: 25 + 43. W tym celu mu−

simy wpisać te wartość (składniki doda−

wania) do rejestrów procesora a potem

jej dodać poleceniem (2). Można to zrobić

w sposób następujący:

MOV A, #25 (3)

MOV B, #43 (4)

ADD A, B (5)

W liniach 3 i 4 rozkazaliśmy procesoro−

wi wpisanie składników odpowiednio do

rejestrów A i B, działanie polecenia w linii

(5) jest Ci już znane.

Osoby znające asembler i możliwości

8051 pewnie się trochę zaśmieją

z przykładu (3)...(5), bowiem dodawanie 2

stałych da się zapisać krócej w dwóch

liniach, lecz nie o to nam chodzi, przynaj−

mniej na tym etapie kursu.

Mnemonik „MOV” ma wiele zastoso−

wań w języku procesorów ‘51, na język

polski można ją przetłumaczyć jako

„przemieszczenie” (przesunięcie) czegoś

gdzieś. Czego i gdzie to zależy od kontek−

stu, czyli od rodzaju argumentów, ale

o tym za chwilę. Linia (3) oznacza do−

słownie w tłumaczeniu na jęz. polski:

„wpisz do akumulatora liczbę 25”, linia

(4) – wpisz do rejestru B liczbę 43, linia (5)

– dodaj do akumulatora zawartość rejest−

ru B. W efekcie wykonania tych 3 pole−

ceń w akumulatorze będzie wynik doda−

wania, czyli liczba 68 (binarnie będzie to

01000100). Jeżeli teraz każesz proceso−

rowi wykonać np. polecenie

MOV P1, A (6)

spowoduje to że liczba 68 pojawi się na

końcówkach portu P1 procesora, oczy−

wiście w postaci binarnej. Aby to spraw−

dzić naocznie wystarczy dołączyć do każ−

dej z 8−miu jego końcówek (piny 1...8

‘8051/2) diodę świecącą z rezystorem,

z pewnością zapalone zostaną diody dołą−

czone do końcówek: 3 i 7 (na tych pozy−

cjach liczby 68 w postaci binarnej jest

„1”. Procesor po prostu w wyniku poda−

nia polecenia (6) wpisał zawartość aku−

mulatora do rejestru portu P1.

No ale na razie wystarczy przykładów,

wyjaśnimy sobie teraz, jak fizycznie pro−

cesor akceptuje instrukcje, no bo prze−

cież „nie zje” od razu ciągu liter układają−

cych się w napis chociażby z przykładu

(6). Otóż asembler procesora 8051 posia−

da określoną liczbę mnemoników oraz

określone rodzaje argumentów.

Jeżeli jesteś ciekawy to powiem Ci że

mnemoników jest nie tak wiele bo

42. W przyszłości będziesz musiał je poz−

nać i zapamiętać, ale nie przejmuj się, nie

jest to dużo, przy okazji praktycznego pro−

gramowania same wpadną ci do głowy –

i już zostaną...na zawsze.

Jeżeli chodzi o argumenty to wyróżnia

się kilka ich rodzajów, nie będę teraz

szczegółowo wyliczał ich wszystkich,

pierwszy ich rodzaj – argument bezpo−

średni, poznałeś w przykładzie dodawa−

nia dwóch rejestrów – liczby: #25 i #43.

W zależności od rodzaju argumentów

jakie występują po mnemoniku, różne

jest działanie całego polecenia – instruk−

cji. W architekturze procesorów 8051

konstruktorzy wyróżnili 255 takich sytua−

cji i ponumerowali je od 0 do 255 (FFh

szesnastkowo).

Tak powstało 255 instrukcji procesora

(nie 256 bo jeden numer nie jest wyko−

rzystany).

I jak się pewnie niedługo przekonasz

z punktu widzenia programisty – użyt−

kownika liczba ta jest mniejsza, to jednak

należy zapamiętać ten fakt.

Jeżeli zatem cały zbiór instrukcji pro−

cesora daje się przedstawić jako liczba

wraz z towarzyszącymi jej ewentualnie

argumentami, z których każdy także daje

się przetłumaczyć na liczbę, w efekcie

można wywnioskować, że cały program

pisany przez użytkownika w postaci

źródłowej (literowej) można przetłuma−

czyć na ciąg liczb. Mało tego, wszystkie

te liczby mogą zawierać się jedynie

w 8 bitach, co idealnie pasuje architektu−

ry naszego procesora – jest on przecież

prawdziwym ośmiobitowcem. Zamienio−

ny do takiej postaci Twój program wy−

starczy teraz śmiało wpisać do poszcze−

gólnych komórek pamięci EPROM bądź

samego procesora (gdy ten pracuje

w trybie z wewnętrzną pamięcią progra−

mu – np.87C51) lub do kostki EPROM

z której później procesor będzie pobierał

instrukcje.

Operację programowania pamięci EP−

ROM przyprowadza się oczywiście za

pomocą specjalizowanych narzędzi do

programowania procesorów – tzw. pro−

gramatorów. Na pocieszenie powiem Ci

że w ofercie handlowej AVT pod nazwą

AVT−320 znajduje się taki programator

idealnie nadający się do programowania

wszystkich dostępnych na rynku kostek

serii MCS−51. W przyszłości, kiedy nabę−

dziesz już umiejętności swobodnego

„surfowania” (to ostatnio bardzo popu−

larne słowo) wśród rodziny ‘51−nek,

z pewnością takie narzędzie Ci się przy−

da. To przyszłość, na razie do tego etapu

jeszcze wspólnie nie doszliśmy.

Całą drogę od pomysłu na program po−

przez jego napisanie i zamianę do postaci

akceptowanej przez procesor i jedno−

cześnie dającej wpisać się do pamięci

programu procesora obrazuje rysunek 1.

Rys. 1. Od pomysłu na program do jego realizacji

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/97

Też to potrafisz

Wróćmy na chwilę do naszego proste−

go przykładu dodawania dwóch liczb. Za−

piszmy instrukcje (3)...(5) z argumentami

dodawania w postaci szesnastkowej:

MOV A, #19h (7)

MOV B, #2Bh (8)

ADD A, B (9)

Liczba 25 dziesiętnie można zapisać

w postaci heksadecymalnej jako

„19”, a liczba 43 jako „2B”, dodając na

końcu każdej z nich małą literkę „h” co

oznacza zapis że zapisaliśmy liczbę w ta−

kiej właśnie postaci. Spróbujmy teraz za−

mienić te trzy linie na postać liczbową

(bajtową) akceptowaną przez procesor.

W liście rozkazów 8051 instrukcja:

MOV A, ”jakaś_liczba_8_bitowa”

ma numer (odtąd będziemy ten numer

nazywać kodem rozkazu): „74h”. Ale

w linii (7) występuje jeszcze argument –

liczba stała „19h”, dlatego ostatecznie li−

nię tę w kodzie maszynowym (liczbowo)

można zapisać jako:“74h, 19h”. Podob−

nie tłumaczymy linię (8). Odwołując się

do listy instrukcji (którą całą niebawem

poznasz), sekwencję:

MOV B,”jakaś_liczba_8_bitowa”

tłumaczymy jako: „75h, F0h, 2Bh”. Trze−

cia linia zaś będzie miała postać: „25h,

F0h”. Skąd to wszystko wiem? Ano ze

wspomnianej listy instrukcji. Nie martw

się w tej chwili nie jest Ci ona potrzebna,

ważne jest abyś uzmysłowił sobie w jaki

sposób pisze się program w języku

asemblera i jak go potem tłumaczy się na

język maszynowy procesora – czyli po−

stać liczbową.

W efekcie po przetłumaczeniu nasze−

go przykładu otrzymamy sekwencję liczb:

„ 74h, 19h, 75h, F0h, 2Bh, 25h, F0h „ (10)

Jeżeli teraz poszczególne liczby wpi−

szesz do kolejnych komórek pamięci

programu (czy to zewnętrznej czy to we−

wnętrznej) to po uruchomieniu układu

procesor wykona dokładnie to czego do

niego oczekujesz, czyli załaduje dwa

składniki do dwóch rejestrów procesora

a następnie dokona operacji dodania ich.

Uff, wyglądało to dość mozolnie, bo

trzeba było napisać instrukcje w posta−

ci asemblerowej czyli jawnej (linie

7,8,9), potem na podstawie bliżej Ci nie

znanej (na razie) tabeli instrukcji zamie−

nić program do postaci maszynowej,

wreszcie umieścić sekwencję w pa−

mięci programu.

W praktyce dzięki zastosowaniu do−

wolnego komputera proces ten da się

przyśpieszyć.

O ile każdy program w postaci asem−

blera trzeba wstukać z klawiatury i zapi−

sać na dysku w postać pliku tekstowego

(np. korzystając z edytora popularnego

Norton Commandera), to do przetłuma−

czenia postaci źródłowej za wykonywal−

ną (maszynowej) służą specjalne narzę−

dzia (programy) zwane kompilatora−

mi. Dzięki nim proces zamiany – zwany

dalej kompilacją – kodu źródłowego na

maszynowy trwa często bardzo krótko,

a tłumaczenie nawet kilku tysięcy linii nie

trwa dłużej niż kilkanaście sekund.

W efekcie działania kompilatora powsta−

je zbiór z programem zapisany w postaci

maszynowej, czyli ciągu liczb jak zilustro−

wałem na przykładzie dodawania liczb.

Plik taki najczęściej jest gotowy do uży−

cia przez programatory pamięci EPROM

(lub programatory procesorów). Taki

zbiór świetnie nadaje się też do zapisania

w pamięci operacyjnej twojego kompu−

terka edukacyjnego opisywanego

w trzech ostatnich numerach EdW. Jeże−

li posiadasz dowolny komputer klasy PC,

będziesz mógł nabyć dyskietkę z takim

kompilatorem, dzięki któremu efekty

twojej pracy będą natychmiastowe.

Szczegółowe informacje zawarte są

w 3 części opisującej komputerek eduka−

cyjny na 8051 w tym numerze EdW.

Jeżeli nie masz dostępu do kompute−

ra, będziesz zmuszony do tłumaczenia

przykładów z naszego kursu, ręcznie na

kartce papieru, korzystając ze

„ściągawki”, którą będzie lista instrukcji

procesora 8051. Lista taka ukaże się

w przyszłym numerze EdW. Będziesz ją

mógł wyciąć i w razie potrzeby zafolio−

wać, chroniąc ją tym samym przez znisz−

czeniem.

I choć wszystkie przykłady w czasie

programowania będą dość proste i dają−

ce się zrealizować „na papierze”, to po−

winieneś już teraz pomyśleć o wyposaże−

niu swego domowego kącika, nawet

w przestarzały komputer klasy AT−286 lub

w muzealną wersję XT.

Użytkownicy komputerów innych ro−

dzajów, np. Amiga, Commodore, Atari,

posiadający interfejs szeregowy zgodny

z RS232c będą mogli także ich używać,

do przesyłania kodu maszynowego pisa−

nych przez siebie programów z kompu−

tera do naszego systemiku edukacyjne−

go. Musicie jednak kochani poszperać

wśród swoich kolegów i namierzyć kom−

pilator na procesory 8051 działający na

waszym komputerze, bowiem na dys−

kietce oferowanej do naszego kursu zna−

jduje się zestaw programów na kompu−

tery klasy PC.

W tym odcinku dość nietypowo,

umieszczamy pierwsze 5 ćwiczeń

w części III opisu zestawu AVT−2250. Za−

praszam do lektury w tym numerze EdW.

Słławomiir Surowiińskii

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/97

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: