Система команд AVR

Архитектура ядра AVR

AVR построен по гарвардской схеме: у памяти программ (Flash) и памяти данных раздельные шины. Пока выполняется одна команда, следующая уже выбирается из Flash — этот одноступенчатый конвейер и даёт характерную для AVR производительность, близкую к 1 млн команд в секунду на каждый мегагерц тактовой частоты.

Flash организована 16-битными словами: 32 КБ памяти ATmega328P — это 16K слов. Поэтому счётчик команд, адреса в JMP и CALL и смещения в RJMP, RCALL и условных переходах считаются в словах, а указатель Z в командах чтения Flash (LPM, ELPM) содержит адрес байта. Путаница этих двух адресов — одна из самых частых ошибок, о ней ниже.

Арифметические и логические команды работают только с регистрами: АЛУ берёт оба операнда из регистрового файла и за один такт записывает результат обратно. Данные из SRAM сначала загружают в регистр командами LD или LDS, обрабатывают и сохраняют обратно через ST или STS — классическая схема load/store. У классических ATtiny и ATmega регистры r0–r31 отображены на первые 32 адреса памяти данных, так что до любого из них можно добраться и через указатель. У XMEGA и AVRxt регистровый файл лежит в отдельном адресном пространстве.

У классических AVR за регистрами в памяти данных идут 64 регистра ввода-вывода (I/O), а у кристаллов с большим числом периферии — ещё и расширенный I/O, после которого начинается SRAM. У каждого регистра из первых 64 два адреса: I/O-адрес для команд IN, OUT, SBI, CBI, SBIC и SBIS и адрес данных, на 0x20 больший, для LD, ST, LDS и STS. Например, PORTB у ATmega328P — это I/O 0x05 и адрес данных 0x25. У XMEGA и AVRxt пространство данных начинается прямо с регистров I/O, и оба адреса совпадают: у ATmega4809 регистры 0x00–0x3F доступны командам IN и OUT, а расширенный I/O занимает адреса 0x0040–0x0FFF.

Стек размещается в SRAM и растёт от старших адресов к младшим. Указатель стека SP — пара регистров SPH:SPL с I/O-адресами 0x3E и 0x3D. Даташиты требуют задать стек до первого вызова подпрограммы и до разрешения прерываний. У ATmega328P SP после сброса уже равен RAMEND (0x08FF), а у ATmega8A таблица регистров в даташите даёт начальное значение 0, хотя текст того же раздела называет RAMEND, — поэтому SP надёжнее загрузить явно. PUSH уменьшает SP на 1, а CALL, RCALL, ICALL и прерывание кладут в стек 2 байта адреса возврата (3 байта на кристаллах с 22-битным PC, например ATmega2560).

Регистр состояния SREG

SREG хранит признаки результата последней операции АЛУ и бит глобального разрешения прерываний. Флаги обновляются после каждой арифметической и логической команды, поэтому отдельное сравнение часто не нужно: после DEC сразу можно ставить BRNE.

Варианты ядра и объём памяти

Microchip различает шесть версий 8-битного ядра (таблица 5-1 в DS40002198C). Машинный код совместим между ними, за редкими исключениями у AVRrc, но не каждая команда есть в каждом кристалле, а такты у новых ядер отличаются.

Внутри одного ядра набор команд зависит ещё и от объёма Flash — по приложению A справочника:

• JMP и CALL есть только у кристаллов с Flash больше 8 КБ. При 4K слов (8 КБ) RJMP и RCALL с диапазоном ±2K слов и так достают до любого адреса, поэтому у ATtiny13A, ATtiny85, ATmega8A, ATmega48 и ATmega88, а также у tinyAVR 0/1/2 с Flash до 8 КБ этих команд нет.
• ELPM нужна при Flash больше 64 КБ: указатель Z адресует только 64 КБ, старшие биты адреса берутся из регистра RAMPZ. Команда есть у ATmega128, ATmega1284P, ATmega2560, AVR128DA.
• EIJMP и EICALL — только у кристаллов с Flash больше 128 КБ и 22-битным PC: ATmega2560, ATmega2561 и XMEGA со 128 КБ основной Flash и больше (вместе с загрузочной секцией выходит больше 128 КБ), например ATxmega128A1U.
• BREAK нет у кристаллов с исходным ядром AVR (ATtiny11, 12, 15 и 26), у ATmega8, ATmega8A, ATmega8515 и ATmega8535, а также у ATtiny4, 5, 9, 10 и 20.
• SPM нет у tinyAVR 0/1/2 и megaAVR 0. У ATmega4809, например, Flash пишется через контроллер NVMCTRL, а буфер страницы заполняется обычными командами записи в память данных, куда отображена Flash.

Режимы адресации AVR

Режимы со смещением и автоинкрементом заменяют отсутствующие у AVR команды работы с памятью: структура адресуется через Y и LDD/STD, массив обходится через X+ без отдельного увеличения указателя. Пять режимов доступа к памяти данных (прямой, косвенный, со смещением, с преддекрементом и постинкрементом) работают для всего адресного пространства — у классических AVR от регистров до конца SRAM.

Таблица команд AVR

Таблицы собраны по разделам 5 и 6 справочника DS40002198C. Колонка «Такты» дана для классических megaAVR и tinyAVR: у ядер AVRe и AVRe+ такты одинаковые. Если на ядре AVRxt (tinyAVR 0/1/2, megaAVR 0, AVR Dx и Ex) время другое, оно показано пометкой «xt». Такты XMEGA (AVRxm) и AVRrc отличаются сильнее; они приведены только для команд, которых нет у других ядер, и в примечаниях. В колонке «Флаги» перечислены биты SREG, которые меняет команда; «=0» и «=1» — флаг всегда сбрасывается или устанавливается. Под операндами указаны допустимые значения: d и r — номера регистров, K — константа, k — адрес или смещение в словах (у LDS и STS — адрес байта в памяти данных), A — адрес I/O, b — номер бита, q — смещение, s — номер бита SREG.

Арифметические и логические команды

Переходы, вызовы, сравнения и пропуски

• xt — такты на ядре AVRxt (tinyAVR 0/1/2, megaAVR 0, AVR Dx/Ex), если они отличаются от классических megaAVR и tinyAVR.
• 1 / 2 — условие не выполнено / переход выполнен.
• 1 / 2 / 3 — без пропуска / пропуск однословной команды / пропуск двухсловной (JMP, CALL, LDS, STS).
• У вызовов и возвратов второе число — для кристаллов с 22-битным счётчиком команд (Flash больше 128 КБ).
• «32 бита» — команда занимает два слова Flash.

Пересылка данных

• xt — такты на ядре AVRxt (tinyAVR 0/1/2, megaAVR 0, AVR Dx/Ex), если они отличаются от классических megaAVR и tinyAVR.
• Такты LD, LDD, LDS, ST, STD, STS даны для внутренней SRAM, не для внешней памяти; на AVRxt обращение к Flash и EEPROM через память данных длится минимум на такт дольше.
• перем. — зависит от времени стирания и записи Flash.
• «32 бита» — команда занимает два слова Flash.

Битовые операции и флаги

• xt — такты на ядре AVRxt (tinyAVR 0/1/2, megaAVR 0, AVR Dx/Ex), если они отличаются от классических megaAVR и tinyAVR.

Управление микроконтроллером

Команды-синонимы

Часть мнемоник — синонимы: ассемблер превращает их в код другой команды. Машинный код у синонима и базовой команды одинаковый, поэтому дизассемблер может показать любое из двух имён, а флаги и такты у них совпадают.

Условные переходы со знаком и без

После CP, CPI, SUB или SUBI переход выбирают по тому, как трактуются числа. Для условий «больше» и «меньше или равно» отдельных команд нет: операнды сравнения меняют местами.

Разница видна на одной и той же паре байтов 0x9C и 0x64. Без знака это 156 и 100: после cp флаг C = 0, и BRSH перейдёт. Со знаком это −100 и +100: разность 0x38 положительна (N = 0), но возникло переполнение (V = 1), поэтому S = N ⊕ V = 1 и перейдёт BRLT. Проверка одного N командой BRMI здесь дала бы неверный ответ.

Условный переход достаёт только до −64…+63 слов от следующей команды. Если цель дальше, условие инвертируют и перепрыгивают через безусловный переход:

    cpi   r16, 10
    brlo  skip          ; inverted condition instead of "brsh far_away"
    rjmp  far_away      ; reaches +-2K words
skip:

Примеры с подсчётом тактов

Такты ниже — для ATmega328P (ядро AVRe+) с кварцем 16 МГц: один такт длится 62,5 нс. Синтаксис — AVR Assembler из Microchip Studio; отличия ассемблера GNU as, с которым работает avr-gcc, отмечены отдельно.

Сложение 16-битных чисел: ADD и ADC

; r25:r24 = r25:r24 + r23:r22
; 0x12F0 + 0x0135 = 0x1425
    add   r24, r22      ; 1 cycle: 0xF0 + 0x35 = 0x125 -> r24 = 0x25, C = 1
    adc   r25, r23      ; 1 cycle: 0x12 + 0x01 + C = 0x14

Младшие байты складывает ADD, старшие — ADC с учётом переноса: 2 такта и 4 байта кода. Для 32-битных чисел добавляется по ADC на каждый следующий байт. Команды сложения с произвольной константой у AVR нет (ADIW прибавляет к паре регистров только 0…63), её заменяет вычитание отрицательного числа:

; r25:r24 = r25:r24 + 1000
    subi  r24, low(-1000)   ; -1000 = 0xFC18: subtract 0x18
    sbci  r25, high(-1000)  ; subtract 0xFC with borrow

Так можно только с регистрами r16–r31, а флаг C после такой пары получается инвертированным относительно переноса настоящего сложения. Для пар r25:r24, X, Y, Z и констант 0…63 короче ADIW: adiw r24, 50 — одно слово и 2 такта.

Задержка 1 мс при 16 МГц

; ATmega328P at 16 MHz: exactly 16 000 cycles = 1 ms, including RCALL and RET
delay_1ms:                  ; called with "rcall delay_1ms": 3 cycles
    ldi   r24, low(3998)    ; 1
    ldi   r25, high(3998)   ; 1
delay_loop:
    sbiw  r24, 1            ; 2
    brne  delay_loop        ; 2 while looping, 1 on exit
    ret                     ; 4

Проход цикла SBIW + BRNE занимает 4 такта, но на последнем BRNE не переходит и выполняется за 1 такт, поэтому N проходов дают 4N − 1 тактов. Вместе с вызовом, двумя LDI и возвратом:

Для 1 мс при 16 МГц нужно 16 000 тактов: $N = (16\,000 - 8) / 4 = 3998$. Наибольшая задержка получается при N = 0: SBIW превращает ноль в 0xFFFF, цикл проходит 65 536 раз, и подпрограмма длится 262 152 такта, или 16,38 мс. Прерывания удлиняют задержку на время своих обработчиков. На ядре AVRxt RCALL на такт короче, и та же подпрограмма займёт 15 999 тактов.

Таблица во Flash: LPM Z+

; Show ten 7-segment codes from flash on PORTD (AVR Assembler syntax)
    ldi   ZL, low(digits * 2)    ; labels in the code segment are word addresses,
    ldi   ZH, high(digits * 2)   ; LPM needs a byte address
    ldi   r17, 10
next:
    lpm   r16, Z+                ; 3 cycles: r16 = code, Z = Z + 1
    out   PORTD, r16             ; 1
    ; ... delay to keep the digit visible
    dec   r17                    ; 1
    brne  next                   ; 2 while looping
stop:
    rjmp  stop                   ; the table below is data, never execute it

digits:                          ; 0..9, common cathode, bits = gfedcba
    .db 0x3F, 0x06, 0x5B, 0x4F, 0x66, 0x6D, 0x7D, 0x07, 0x7F, 0x6F

В AVR Assembler счётчик адресов сегмента кода считает слова, поэтому метка digits — адрес слова, а для LPM его умножают на 2. В GNU as метки содержат адрес байта, и запись другая: ldi r30, lo8(digits). Директива .db с нечётным числом байтов дополняет последнее слово нулевым байтом и выдаёт предупреждение. Без учёта задержки проход цикла — 7 тактов: LPM 3, OUT 1, DEC 1, BRNE 2.

Атомарная установка бита: SBI против «чтения—изменения—записи»

; Set PB5 on ATmega328P (PORTB = I/O 0x05)
    sbi   PORTB, 5          ; one instruction, 2 cycles (1 on AVRxt), atomic

; The same as read-modify-write: 3 instructions, 3 cycles
    in    r16, PORTB        ; an interrupt that changes PORTB right here...
    ori   r16, (1 << 5)
    out   PORTB, r16        ; ...loses its change on this write

Прерывание обслуживается только между командами, поэтому SBI атомарна. В варианте IN, ORI, OUT обработчик, который изменил другой бит PORTB между чтением и записью, потеряет своё изменение. Для регистров за пределами I/O 0x1F SBI недоступна — например, TIMSK1 у ATmega328P лежит в расширенном I/O по адресу 0x6F, — и участок защищают запретом прерываний:

; Enable the Timer1 overflow interrupt: TIMSK1 is extended I/O (data address 0x6F)
    in    r17, SREG         ; 1  remember the I flag
    cli                     ; 1
    lds   r16, TIMSK1       ; 2
    ori   r16, (1 << TOIE1) ; 1
    sts   TIMSK1, r16       ; 2
    out   SREG, r17         ; 1  restore I as it was

Это 8 тактов против 2 у SBI. Восстановление SREG вместо безусловной SEI не включит прерывания там, где они были запрещены до этого участка.

Умножение 8 × 8 командой MUL

; 200 * 150 = 30000 = 0x7530
    ldi   r16, 200
    ldi   r17, 150
    mul   r16, r17          ; 2 cycles: r1:r0 = 0x7530 (r1 = 0x75, r0 = 0x30)
    movw  r24, r0           ; 1: product to r25:r24
    clr   r1                ; 1: avr-gcc expects r1 = 0

Произведение всегда попадает в R1:R0, даже если множители лежат в других регистрах. Флаг Z показывает нулевое произведение, C — его старший бит 15. В чистом ассемблере r0 и r1 — обычные регистры, но avr-gcc держит в r1 ноль (__zero_reg__): ассемблерная функция, вызываемая из C, или вставка с MUL обязана обнулить r1 перед возвратом. MULS работает с r16–r31, MULSU и дробные FMUL — только с r16–r23. У классических ATtiny с ядром AVRe умножения нет, его делают сдвигами и сложениями.

Сохранение SREG в обработчике прерывания

; Timer0 overflow handler on ATmega328P; r20 is reserved for the counter
TIM0_OVF:
    push  r16               ; 2
    in    r16, SREG         ; 1
    push  r16               ; 2
    inc   r20               ; 1  the real work; changes Z, N, V, S
    pop   r16               ; 2
    out   SREG, r16         ; 1
    pop   r16               ; 2
    reti                    ; 4

Даже одна команда INC меняет флаги Z, N, V и S. Без сохранения SREG основная программа, прерванная между CP и BRNE, после возврата перешла бы по чужим флагам. Сохранение и восстановление стоят 10 тактов. К ним добавляются минимум 4 такта реакции на прерывание, 3 такта на JMP в векторе и 4 такта RETI — не меньше 21 такта сверх полезной работы, или 1,31 мкс при 16 МГц.

Типичные ошибки

1. Константа в регистр r0–r15. ldi r5, 10 не ассемблируется: LDI, CPI, SUBI, SBCI, ANDI, ORI, SBR, CBR и SER работают только с r16–r31, потому что в коде команды (1110 KKKK dddd KKKK у LDI) на номер регистра отведено 4 бита. Загрузите константу в старший регистр и скопируйте через MOV.
2. ADIW и SBIW с другой парой или большой константой. Допустимы только r25:r24, X, Y и Z и константа 0…63: в коде 1001 0110 KKdd KKKK на пару отведено 2 бита, на константу — 6.
3. SBI, CBI, SBIC и SBIS выше I/O 0x1F. В этих командах адрес 5-битный. Регистры I/O 0x20–0x3F читают и пишут через IN и OUT, расширенный I/O — через LDS и STS.
4. I/O-адрес вместо адреса данных. IN и OUT принимают I/O-адрес 0x00–0x3F, а LD, ST, LDS и STS — адрес данных, у классических AVR на 0x20 больший. lds r16, 0x05 прочитает регистр r5, а не PORTB.
5. Слишком далёкий переход. Условные переходы достают до −64…+63 слов, RJMP и RCALL — до −2048…+2047 слов. Лечится инверсией условия и переходом через RJMP или JMP.
6. Адрес слова вместо адреса байта. Для LPM и ELPM указатель Z хранит адрес байта (в AVR Assembler — low(label * 2)), а IJMP и ICALL ждут в Z адрес слова. В GNU as метки — адреса байтов: для LPM пишут lo8(label), для IJMP и ICALL — pm_lo8(label) или lo8(gs(label)).
7. RET вместо RETI в обработчике. На классических AVR флаг I останется сброшенным, и прерывания больше не придут. На AVRxt не сбросится флаг выполняющегося уровня в CPUINT.STATUS.
8. Обработчик портит регистры. Сохранять нужно всё, что обработчик меняет: SREG и каждый использованный регистр, а в проекте на avr-gcc — также r0 и r1, если обработчик их трогает.
9. SBI на регистре флагов у старых кристаллов. У ATmega8A SBI и CBI перезаписывают весь регистр I/O: sbi ADCSRA, ADSC для запуска АЦП запишет единицу и в уже установленный флаг ADIF и тем самым сбросит его вместе с ожидающим прерыванием. У ATmega328P SBI и CBI меняют только указанный бит.
10. Указатель затирает сам себя. Сочетания вроде ld r26, X+, ld r31, -Z или st Y+, r28, где регистр данных — половина того же указателя, по справочнику дают неопределённый результат. То же у lpm r30, Z+ и elpm r31, Z+.

Для остальных МК семейства — архитектура, периферия, программаторы — смотрите раздел об AVR. Последовательные интерфейсы, с которыми чаще всего работают из ассемблера, разобраны в статьях про I²C и RS-232.