Программирование микропроцессорной системы

Учебный курс Введение в цифровую электронику Лекция 6 Программирование микропроцессорной системы кандидат технических наук, доцент Новиков Юрий Витальевич Языки программирования  Язы ки вы сокого уровня — удобные для разработчика, не зависят от аппаратуры, имеют развитые готовые средства обработки и отображения, программы легко переносятся на другую аппаратуру; но формируют большие и медленные программы (Си, Паскаль, Фортран и т.д.);  Язы ки низкого уровня — максимально приближены к аппаратуре, трудно писать сложные программы обработки, программы могут не работать на другой аппаратуре; но формируют максимально компактные и быстрые программы (язык машинных кодов, Ассемблер);  Сочетание языков высокого и низкого уровней даёт оптимальные результаты. 2 Команды процессора  Могут состоять из одного или нескольких байт; сколько именно байт команды читать процессору — указано в первом байте (слове). Короче команда — быстрее, длиннее команда — сложнее операция.  Включают в себя код операции, которую должен выполнить процессор, а также указания на операнды, с которыми надо выполнять операцию.  Образуют систему команд, сложность и полнота которой определяет быстродействие процессора, его универсальность и удобство использования.  Преобразуются процессором в последовательность внутренних микрокоманд. 3 Операнды  Операнды — это коды данных, с которыми производятся операции при выполнении программы (входные и выходные);  Расположение операндов:  Во внутренних регистрах процессора — самое удобное и легкодоступное, но недостаточно места;  В ячейках памяти — самое часто встречающееся и достаточно удобное (доступно большое количество ячеек) — массивы;  В устройствах ввода/вывода — самый редкий случай, при обмене с внешними устройствами.  Адресация операндов — это способ указания процессору на место расположения операндов (присутствует в каждой команде). 4 Непосредственная адресация и прямая адресация операндов 5 Регистровая адресация и косвенная адресация операндов 6 Автоинкрементная адресация и автодекрементная адресация  Автоинкрементная адресация: похожа на косвенную, но после выполнения операции содержимое регистра увеличивается на 1 или на 2 (инкрементируется — постинкремент);  Автодекрементная адресация работает, как косвенная, но перед выполнением операции содержимое регистра уменьшается на 1 или на 2 (декрементируется — предекремент);  Оба типа адресации применяются для работы с массивами данных (последовательного их сканирования вверх или вниз);  Если оба типа адресации используются одновременно, то мы получаем буфер типа LIFO (например, в стеке). 7 Адресация слов и байтов 8 Сегментирование памяти 9 Вычисление адреса в памяти при сегментировании 10 Основные группы команд процессора  Команды пересы лки данны х — данные пересылаются (копируются) между памятью, регистрами процессора и УВВ. Не требуют выполнения каких-нибудь операций над данными;  Арифметические команды — выполнение арифметических операций (сложение, вычитание, и т.д.). Один или два входных операнда и один выходной;  Логические команды — выполнение логических операций (И, ИЛИ, инверсия, очистка, сдвиги). Один или два входных операнда и один выходной;  Команды переходов — условные и безусловные. Операндов нет. Изменяется состояние регистра-счётчика команд. Вызов подпрограмм, ветвление алгоритмов. 11 Команды пересылки данных  Загрузка (запись) содержимого во внутренние регистры процессора;  Сохранение в памяти (в стеке) содержимого внутренних регистров процессора;  Копирование содержимого из одной области памяти в другую область памяти (одиночные и строчные);  Запись в устройства ввода/вывода и чтение из устройств ввода/вывода (одиночные и строчные);  Обмен информацией между двумя регистрами или между регистром и памятью;  Обмен информацией между байтами регистра или памяти. 12 Арифметические команды  Команды операций с фиксированной запятой (сложение, вычитание, умножение, деление) — числа как со знаком, так и без знака;  Команды операций с плавающей запятой (сложение, вычитание, умножение, деление) — операнды в двух или более ячейках памяти, в сложных процессорах: тригонометрические, логарифмические, мультимедийные и т.д.;  Команды очистки (выполняются быстрее команд пересылок, иногда считаются логическими командами);  Команды инкремента и декремента — увеличение на 1 или уменьшение на 1;  Команда сравнения — формирует флаги результата на основании сравнения (вычитания) операндов. 13 Логические (побитовые) команды  Логическое И, логическое ИЛИ, сложение по модулю 2 (Исключающее ИЛИ) — маскирование битов в 0 или 1, побитная инверсия по маске;  Логические, арифметические и циклические сдвиги — вправо или влево с разными значениями вдвигаемых битов;  Проверка битов и операндов — устанавливает флаги состояния на основании проверки (на нуль, на знак);  Установка и очистка битов (флагов) регистра состояния процессора (PSW) — для принудительного перевода процессора в тот или иной режим. 14 Выполнение сдвигов (вправо) 15 Команды переходов  Команды безусловных переходов (независимо ни от чего);  Команды переходов с возвратом в исходную точку;  Команды условных переходов (в зависимости от значений флагов регистра состояния процессора):  Переход, если равно нулю;  Переход, если не равно нулю;  Переход, если есть переполнение;  Переход, если нет переполнения;  Переход, если больше нуля;  Переход, если меньше или равно нулю и т.д.;  Для проверки условий перехода можно применять команду сравнения, но флаги устанавливаются и любой другой командой, кроме команд переходов. 16 Регистр состояния (FLAGS) процессора Intel 8086          CF — флаг переноса при арифметических операциях, PF — флаг четности результата, AF — флаг дополнительного переноса, ZF — флаг нулевого результата, SF — флаг знака (старший бит результата), TF — флаг пошагового режима (для отладки), IF — флаг разрешения аппаратных прерываний, DF — флаг направления при строковых операциях, OF — флаг переполнения. 17 Реализация разветвления на две ветки 18 Реализация разветвления на три ветки 19 Команды перехода с возвратом в исходную точку (прерывания)  Используются для вызова часто выполняемых подпрограмм;  Обслуживаются по механизму прерываний (сохранение в стеке параметров возврата);  Требуют задания входного числа — смещения в памяти для адреса начала подпрограммы или номера прерывания (номера элемента в таблице векторов прерываний) — программные прерывания;  Для возврата в исходную точку используется специальная команда (безусловный переход) в конце подпрограммы, которая извлекает из стека параметры возврата.  Упрощают написание программ, но замедляет их исполнение. 20 Методы увеличения быстродействия программ  Использование вставок на языках низкого уровня в наиболее критичных местах;  Минимизация количества команд в программе — рациональное построение алгоритма;  Использование команд с минимальным временем исполнения (например, очистка, инкремент, декремент);  Минимизация количества команд переходов;  Минимизация количества подпрограмм, вызываемых по механизму прерываний — только самые необходимые и часто используемые;  Оптимизация обращений к устройствам ввода/вывода;  Рациональное расположение данных в памяти. 21