Регистры микроконтроллера. Пространство ввода-вывода
Стек
Память данных
При первом знакомстве с описанием микроконтроллера многих удивит малый объем их оперативной памяти данных RAM, который обычно составляет десятки или сотни байт. Если микроконтроллер использует для хранения данных память EEPROM, то ее объем также не превышает нескольких десятков байт.
Если Вы пишите программы для персонального компьютера (PC), то у Вас, вероятно, возникнет вопрос, что можно сделать с таким маленьким объемом памяти. Вероятно, Ваши приложения для PC содержат переменные, объем которых измеряется в килобайтах, не считая используемых массивов данных. При использовании массивов требуемый объем памяти может составлять сотни килобайт. Так что же можно сделать, имея объем ОЗУ порядка 25 байт?
Дело в том, программирование для микроконтроллера выполняется по несколько другим правилам, чем программирование PC. Применяя некоторые несложные правила можно решать многие задачи с использованием небольшого объема памяти RAM. При программировании микроконтроллеров константы, если возможно, не хранятся как переменные. Максимально используются аппаратные возможности микроконтроллеров (такие как таймеры, индексные регистры), чтобы по возможности ограничить размещение данных в RAM. Это означает, что при разработке прикладных программ необходимо предварительно позаботиться о распределении ресурсов памяти. Прикладные программы должны ориентироваться на работу без использования больших массивов данных.
В микроконтроллерах RAM используется для организации вызова подпрограмм и обработки прерываний. При этих операциях содержимое программного счетчика и основных регистров (аккумулятор, регистр состояния, индексные регистры и т.д.) сохраняется и затем восстанавливается при возврате к основной программе.
Стек - это электронная структура данных, которая функционирует аналогично своей физической копии - стопки бумаг. Когда что-либо помещается в стек, то оно остается там до тех пор, пока не будет вынуто обратно. Представьте разноцветные листы бумаги, которые укладываются в стопку один на другой. Когда листы удаляются, то происходит их перемещение в обратном порядке. По этой причине, стек часто называют очередью типа LIFO (Last In. First Out) - «последний пришел, первый ушел».
В Принстонской архитектуре RAM используется для реализации множества аппаратных функций, включая функции стека. При этом снижается производительность устройства, так как для доступа к различным видам памяти требуются многократные обращения, которые не могут выполняться одновременно. По этой же причине Принстонская архитектура обычно требует большего количества тактов на выполнение команды, чем Гарвардская.
Процессоры Гарвардской архитектуры могут иметь три области памяти, которые адресуются параллельно (в одно и тоже время): память программ, память данных, включающая пространство ввода-вывода, и стек.
В Гарвардской архитектуре стековые операции могут производиться в памяти, специально выделенной для этой цели. Это означает, что при выполнении команды вызова подпрограммы «call» процессор с Гарвардской архитектурой выполняет несколько действий одновременно. В Принстонской архитектуре при выполнении команды «call» следующая команда выбирается после того, как в стек будет помещено содержимое программного счетчика.
Необходимо помнить, что микроконтроллеры обоих архитектур имеют ограниченную емкость памяти для хранения данных. Превышение этого предела может вызвать проблемы при выполнении программы.
Если в процессоре выделен отдельный стек, и объем записанных в него данных превышает его емкость, то происходит циклическое изменение содержимого указателя стека, и указатель стека начинает ссылаться на ранее заполненную ячейку стека. Это означает, что после слишком большого количества команд «call» в стеке окажется неправильный адрес возврата, который был записан вместо правильного адреса. Если микропроцессор использует общую область памяти для размещения данных и стека, то существует опасность, что при переполнении стека произойдет запись в область данных, либо будет сделана попытка записи загружаемых в стек данных в область ROM.
Теперь рассмотрим возможности сохранения в стеке содержимого регистров. В некоторых архитектурах нет команд, выполняющих загрузку содержимого регистров в стек «push» и извлечения из стека «pop». Однако команды «push» и «pop» могут быть легко реализованы при помощи индексного регистра, который явно указывает на область стека. При этом вместо каждой из команд «push» и «pop» используются две команды, указанные ниже:
Push: ;загрузка данных в стек
move [index], А ;сохранить содержимое аккумулятора в стеке
Decrement index ;перейти к следующей ячейке стека
Pop: ;извлечение данных из стека
increment index ;перейти к предыдущей ячейке стека
move А, [index] ;поместить значение стека в аккумулятор
Конечно такое решение является менее эффективным, чем использование специальных команд «push» и «pop», а используемый индексный регистр может потребоваться для других целей. Однако это решение обеспечивает имитацию стека при использовании процессоров, у которых такие команды отсутствуют.
Существует еще одна проблема с приведенным выше примером. Что случится, если произойдет прерывание между первой и второй командой, которые имитируют операции «push» и «pop»? Если программа обработки прерывания использует стек, то записанные в нем данные будут потеряны. Для предотвращения этого можно запретить прерывания перед выполнением этих команд или переставить их в следующем порядке:
Push: ;загрузка данных в стек
Decrement index ;перейти к следующей ячейке стека
move [index], А ;сохранить содержимое аккумулятора в стеке
Pop: ;извлечение данных из стека
move А, [index] ;поместить значение стека в аккумулятор
increment index ;перейти к предыдущей ячейке стека
Если после первой команды программа будет прервана, то после выполнения обработки прерывания содержимое стека не будет потеряно.
Подобно всем компьютерным системам, микроконтроллеры имеют множество регистров, которые используются для управлением различными устройствами, подключенными к процессору. Это могут быть регистры процессора (аккумулятор, регистры состояния, индексные регистры), регистры управления (регистры управления прерываниями, регистры управления таймером) или регистры, обеспечивающие ввод-вывод данных (регистры данных и регистры управления параллельным, последовательным или аналоговым вводом-выводом). Обращение к этим регистрам может производиться различными способами.
Реализуемые микроконтроллером способы обращения к регистрам оказывают существенное влияние на их производительность. Поэтому очень важно понять, как происходит обращение к регистрам, чтобы писать эффективные прикладные программы для микроконтроллеров. В процессорах с RISC-архитектурой все регистры (часто и аккумулятор) располагаются по явно задаваемым адресам. Это обеспечивает более высокую гибкость при работе процессора.
Используя процессор, который может непосредственно обращаться к любому регистру, можно получить преимущество при разработке простых прикладных программ. Например, в микроконтроллере PIC содержимое аккумулятора и регистра состояния не изменяется при передаче управления в зависимости от значения бита в регистре порта IOPort.
Одним из важных вопросов является размещение регистров в адресном пространстве. В некоторых процессорах все регистры и RAM располагаются в одном адресном пространстве. Это означает, что память совмещена с регистрами. Такой подход называется «отображением устройств ввода-вывода на память».
В других процессорах адресное пространство для устройств ввода-вывода отделено от общего пространства памяти. Основное преимущество размещения регистров ввода-вывода в отдельном пространстве адресов состоит в том, что при этом упрощается схема подключения памяти программ и данных к общей шине. Устройства ввода-вывода обычно занимают маленький блок адресов, что делает неудобным декодирование их адреса совместно с большими блоками основной памяти. Отдельное пространство ввода-вывода дает некоторое преимущество процессорам с Гарвардской архитектурой, обеспечивая возможность считывать команду во время обращения к регистру ввода-вывода.