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SPMC75系列單片機(jī)地C和ASM（匯編）混合編程的應(yīng)用
本文主要介紹凌陽16位變頻控制單片機(jī)SPMC75系列單片機(jī)地C和ASM（匯編）混合編程的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：SPMC75 嵌入式匯編
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1?引言
支持C語言幾乎是所有微控制器程序設(shè)計(jì)的一項(xiàng)基本要求，當(dāng)然SPMC75系列單片機(jī)也不例外。μ'nSPTM 指令結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就著重考慮對(duì)C語言的支持，GCC就是一種針對(duì)μ'nSPTM 操作平臺(tái)的ANSI－C編譯器。但是在應(yīng)用中對(duì)于程序的設(shè)計(jì)，特別是C和ASM混合使用的時(shí)候有些地方是需要注意的，在C中如何嵌入ASM也是一個(gè)不可回避的問題。
2?芯片特性簡(jiǎn)介
SPMC75系列單片機(jī)是由凌陽科技設(shè)計(jì)開發(fā)的16位微控制器芯片，其內(nèi)核采用凌陽科技自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的μ'nSP微處理器。SPMC75系列單片機(jī)集成了能產(chǎn)生變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的PWM發(fā)生器、多功能捕獲比較模塊、BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用位置偵測(cè)接口、兩相增量編碼器接口等硬件模塊；以及多功能I/O口、同步和異步串行口、ADC、定時(shí)計(jì)數(shù)器等功能模塊，利用這些硬件模塊支持，SPMC75可以完成諸如家電用變頻驅(qū)動(dòng)器、標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)變頻驅(qū)動(dòng)器、多環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等復(fù)雜應(yīng)用。下面介紹SPMC75系列單片機(jī)資源特性：
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■ 高性能的 16 位 CPU 內(nèi)核 |
■ MCP 定時(shí)器 |
3?函數(shù)調(diào)用
3.1 調(diào)用協(xié)議
模塊代碼間的調(diào)用，是遵循μ'nSPTM體系的調(diào)用協(xié)議（Calling Convention）。所謂調(diào)用協(xié)議，是指用于標(biāo)準(zhǔn)子程序之間一個(gè)模塊與令一個(gè)模塊的通信約定。即使兩個(gè)模塊是以不同的語言編寫而成。
調(diào)用協(xié)議是指這樣一套法則：它使不同的子程序之間形成一種握手通信接口，并完成一個(gè)子程序到另一個(gè)子程序之間的參數(shù)傳遞和控制，以及定義出子程序調(diào)用與子程序返回值的常規(guī)規(guī)則。
調(diào)用協(xié)議包括以下相關(guān)要素：
（1）調(diào)用子程序間的參數(shù)傳遞；
（2）子程序返回值；
（3）調(diào)用子程序過程中所用堆棧；
（4）用于暫存數(shù)據(jù)的中間寄存器。
μ'nSPTM調(diào)用協(xié)議的內(nèi)容如下：
1、由于C編譯器產(chǎn)生的所有標(biāo)號(hào)都以下劃線（_）為前綴，而C程序在調(diào)用匯編程序時(shí)要求匯編程序名也以下劃線（_）為前綴。
2、參數(shù)以相反的順序（從右到左）被壓入堆棧中。必要時(shí)所有的參數(shù)都被轉(zhuǎn)換成其在函數(shù)原型中被聲明過的數(shù)據(jù)類型。但如果函數(shù)的調(diào)用發(fā)生在其聲明之前，則傳遞在調(diào)用函數(shù)里的參數(shù)不會(huì)進(jìn)行任何數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的。
3、各參數(shù)和局部變量在堆棧中的排列如圖3-1所示。
4、16-Bit的返回值放在寄存器R1中，32-Bit的返回值存入寄存器R1和R2中，其中低字節(jié)在R1中，高字節(jié)在R2中。若要返回結(jié)構(gòu)或指針需要在R1中存放一個(gè)指向結(jié)構(gòu)的指針。
5、編譯器會(huì)產(chǎn)生prolog/epilog過程動(dòng)作來暫存或恢復(fù)PC、SR及BP寄存器。匯編器則通過CALL指令可將PC和SR自動(dòng)壓入堆棧中，而通過RETF或RETI指令將其自動(dòng)彈出堆棧。
6、編譯器所認(rèn)可的指針是16-Bit的。函數(shù)指針實(shí)際上并非指向函數(shù)的入口地址，而是一個(gè)段地址的向量_function_entry，在該向量的兩個(gè)連續(xù)Word的數(shù)據(jù)單元存放的值才是函數(shù)的入口地址。
圖3-1 程序調(diào)用的堆棧使用
3.2 舉例說明
◆?C程序中調(diào)用ASM函數(shù)
【例3－1】 無參數(shù)傳遞的C語言調(diào)用ASM函數(shù)。
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/*-------------------------------------------------------*/ /* C 程序 /*-------------------------------------------------------*/ extern void F_Function(void); main() { /*-------------------------------------------------------*/ /* C 程序調(diào)用 ASM 函數(shù) /*-------------------------------------------------------*/ F_Function(); while(1){;} } /*-------------------------------------------------------*/ /* ASM 程序 /*-------------------------------------------------------*/ //============================================================= // ----Function: void F_Function(void); // -Description: ASM 函數(shù) // --Parameters: none // -----Returns: none // -------Notes: none // -----Destroy: none //============================================================= .CODE .PUBLIC _F_Function _F_Function: .proc nop; RETF; .endp |
【例1-2】C 程序調(diào)用ASM函數(shù)，輸入兩個(gè)UInt16參數(shù)，返回一個(gè)UInt16參數(shù)。
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/*-------------------------------------------------------*/ /* C 程序 /*-------------------------------------------------------*/ extern UInt16 F_F_Addition(UInt16 arg1,UInt16 arg2); main() { UInt16 uiErr=0; /*-------------------------------------------------------*/ /* C 程序調(diào)用 ASM 函數(shù)，輸入兩個(gè) UInt16 參數(shù)， /* 返回一個(gè) UInt16 參數(shù) /*-------------------------------------------------------*/ uiErr = F_Addition(0x00F3,0x9F00); while(1){;} } /*-------------------------------------------------------*/ /* ASM 程序 /*-------------------------------------------------------*/ .CODE //============================================================= // ----Function: UInt16 F_Addition(UInt16 arg1,UInt16 arg2); // -Description: 兩數(shù)相加 // --Parameters: arg1 ，被加數(shù)； arg2 ，加數(shù) // -----Returns: UInt16 兩數(shù)相加的和 // -------Notes: ASM 程序，示范參數(shù)傳遞及 UInt16 參數(shù)返回 // -----Destroy: R1 、 R2 //============================================================= .PUBLIC _F_Addition _F_Addition: .proc PUSH BP to [SP]; // 保護(hù) BP 數(shù)據(jù) （ 1 ） BP = SP+1; // 調(diào)整指針 （ 2 ） R1 = [BP+3]; // 第一個(gè)參數(shù) （ 3 ） R2 = [BP+4]; // 第二個(gè)參數(shù) （ 4 ） R1 += R2; // 通過 R1 返回結(jié)果 （ 5 ） POP BP from [SP]; （ 6 ） RETF; .endp |
如圖3-2所示程序調(diào)用時(shí)堆棧使用情況。通過圖可以清楚的看出在C調(diào)用ASM函數(shù)的時(shí)候，第一個(gè)參數(shù)將跟著第二個(gè)參數(shù)陸續(xù)自動(dòng)的壓入堆棧；接下來是PC指針和SR寄存器在CALL指令執(zhí)行后壓入堆棧，這些都是自動(dòng)完成的，使用者只需要了解，是無法也沒有必要干預(yù)的。
在下來將跳入執(zhí)行ASM函數(shù)，在執(zhí)行語句（1）的時(shí)BP被壓入堆棧保護(hù)起來。那么可以發(fā)現(xiàn)ASM所需要接收的參數(shù)在堆棧中的實(shí)際位置，再執(zhí)行語句（2）將當(dāng)前堆棧指針加一賦給變址寄存器BP，則第一個(gè)參數(shù)的位置就應(yīng)該是BP＋3，第二個(gè)參數(shù)的位置為BP＋4，可以通過語句（3）、（4）來取出參數(shù)。
結(jié)果的返回可以按照調(diào)用協(xié)議所講的保存在R1中來返回參數(shù)。
圖3-2 程序調(diào)用時(shí)堆棧使用情況
【例1-3】C 程序調(diào)用ASM函數(shù)，輸入兩個(gè)UInt16參數(shù)，返回一個(gè)Uint32參數(shù)。
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/*-------------------------------------------------------*/ /* C 程序 /*-------------------------------------------------------*/ extern UInt32 F_Multiplication(UInt16 arg1,UInt16 arg2); main() { UInt32 ulErr=0; /*-------------------------------------------------------*/ /* C 程序調(diào)用 ASM 函數(shù)，輸入兩個(gè) UInt16 參數(shù)， /* 返回一個(gè) Uint32 參數(shù) /*-------------------------------------------------------*/ uiErr = F_ Multiplication(0xF0F3,0x0F00); while(1){;} } /*-------------------------------------------------------*/ /* ASM 程序 /*-------------------------------------------------------*/ .CODE //============================================================= // ----Function: UInt32 F_Multiplication(UInt16 arg1,UInt16 arg2); // -Description: 兩數(shù)相乘 // --Parameters: arg1 ，被乘數(shù)； arg2 ，乘數(shù) // -----Returns: UInt32 兩數(shù)相乘的積 // -------Notes: ASM 程序，示范參數(shù)傳遞及 UInt32 參數(shù)返回 // -----Destroy: R1 、 R2 、 R3 、 R4 //============================================================= .PUBLIC _F_Multiplication _F_Multiplication: .proc PUSH BP to [SP]; BP = SP+1; R1 = [BP+3]; R2 = [BP+4]; MR = R1*R2,uu; R1 = R3; // 通過 R1 、 R2 返回一個(gè) UInt32/Int32 數(shù)據(jù) R2 = R4; POP BP from [SP]; RETF; .endp |
◆ ASM函數(shù)中調(diào)用C程序
在ASM函數(shù)中要調(diào)用C子函數(shù)，那么應(yīng)該根據(jù)C的函數(shù)原型所要求的參數(shù)類型，分別把參數(shù)壓入堆棧后再調(diào)用C函數(shù)，以保證參數(shù)的正確傳遞。在調(diào)用調(diào)用結(jié)束后還需要進(jìn)行彈棧，以恢復(fù)調(diào)用C函數(shù)前的堆棧指針。在這個(gè)過程中很容易產(chǎn)生bug，所以在使用的時(shí)候希望細(xì)心的處理。
【例3-4】ASM程序調(diào)用C 函數(shù)，輸入兩個(gè)UInt16參數(shù)，返回一個(gè)UInt16參數(shù)。
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/*-------------------------------------------------------*/ /* ASM 程序 /*-------------------------------------------------------*/ .CODE .EXTERNAL _SP_Addition //C 函數(shù) .PUBLIC _F_Dummy_Main _F_Dummy_Main: .proc PUSH R1,R2 to [SP]; // 寄存器保護(hù) R2 = 0xA800; // 第二個(gè)參數(shù) R1 = 0x00E9; // 第一個(gè)參數(shù) // PUSH R1,R2 to [SP]; // 傳遞參數(shù)入棧 PUSH R2 to [SP]; // 第二個(gè)參數(shù)入棧 （ 1 ） PUSH R1 to [SP]; // 第一個(gè)參數(shù)入棧 （ 2 ） call _SP_Addition; // 調(diào)用 C 函數(shù) （ 3 ） R1 = R1; // 函數(shù)返回值 （ 4 ） // SP + = 2; // 調(diào)整堆棧指針 （ 5 ） POP R1 from [SP]; （ 6 ） POP R2 from [SP]; （ 7 ） POP R1,R2 from [SP]; RETF; .endp /*-------------------------------------------------------*/ /* C 程序 /*-------------------------------------------------------*/ //============================================================= // ----Function: UInt16 SP_Addition(UInt16 i,UInt16 j) // -Description: C 函數(shù)，示范匯編調(diào)用 C 函數(shù) // --Parameters: i ， j ：被加數(shù)和加數(shù) // -----Returns: 兩數(shù)的和 // -------Notes: none //============================================================= UInt16 SP_Addition(UInt16 i,UInt16 j) { UInt16 sum = 0; sum = i+j; return(sum); } |
如圖3-3所示程序調(diào)用時(shí)堆棧使用情況。在ASM調(diào)用C的時(shí)候需要把堆棧調(diào)整成和C調(diào)用C函數(shù)的樣子，所以需要對(duì)參數(shù)的傳遞方式有個(gè)了解，按照?qǐng)D3-3的形式來調(diào)整堆棧。
圖3-3 程序調(diào)用時(shí)堆棧使用情況
4?嵌入?yún)R編
為了使C語言程序具有更高的效率和更多的功能，需在C語言里嵌入用匯編語言寫的子程序。一方面，是為了提高子程序的執(zhí)行速度和效率；另一方面，可以解決某些用C語言程序無法實(shí)現(xiàn)的機(jī)器語言操作。勿庸置疑，C語言代碼與匯編代碼的接口問題是任何C編譯器都要解決的問題。
通常有兩種方法可以將匯編語言代碼與C語言代碼聯(lián)合起來，一種是把獨(dú)立的匯編語言程序用C函數(shù)連接起來，通過API（Application Program Interface）的方式調(diào)用；另一種就是下面將要提到的在線匯編方法，即將直接插入?yún)R編指令嵌入到C函數(shù)中。
采用GCC規(guī)定的在線匯編指令格式進(jìn)行指令的輸入，是GCC實(shí)現(xiàn)將μ'nSPTM匯編指令嵌入C函數(shù)中的方法。GCC在線匯編指令格式規(guī)定如下：
asm（匯編指令模板：輸出參數(shù)：輸入?yún)?shù)：clobbers參數(shù)）；
若無clobber參數(shù)，則在線匯編指令格式可以簡(jiǎn)化為：
asm（匯編指令模板：輸出參數(shù)：輸入?yún)?shù)）；
4.1 嵌入式匯編介紹
1、匯編指令模板
模板是在線匯編指令中的主要成分，GCC據(jù)此可以在當(dāng)前產(chǎn)生匯編指令輸出。例如下面的一條在線匯編指令：
asm("%0 += %1"："+r(foo)："r"(bar))；
其中："%0 += %1"就是模板。操作數(shù)"%0"、 "%1"作為一種形式參數(shù)，分別會(huì)由第一個(gè)冒號(hào)后面實(shí)際的輸入、輸出參數(shù)取代。帶百分號(hào)后的數(shù)字表示的是冒號(hào)后參數(shù)的序號(hào)。例如：
asm("%0 = %1 + %2"："=r(foo)："r"(bar), "i"(10))；
"%0"會(huì)由參數(shù)foo取代，"%1"會(huì)由參數(shù)bar取代，而"%2"會(huì)由數(shù)值10取代。
在匯編輸出中，一個(gè)匯編指令模板里可以掛接多條匯編指令。其方法是用換行符"\n"來結(jié)束每一條指令，并可以用Tab鍵符"\t"將同一模板產(chǎn)生的匯編輸出中的各條指令的換行顯示時(shí)縮進(jìn)到同一列，以使匯編指令顯示清晰。例如：
asm("%0 += %1" \n\t "%0 += %1"："＋r(foo)："i"(10))；
2、操作數(shù)
在線匯編指令格式中，第一個(gè)冒號(hào)后的參數(shù)為輸出操作數(shù)，第二個(gè)冒號(hào)后的參數(shù)為輸入操作數(shù)，第三個(gè)冒號(hào)后跟著的則是clobber操作數(shù)。在各類操作數(shù)中，引號(hào)里的字符代表的是其存儲(chǔ)類型約束符，括號(hào)里面的字符串表示是實(shí)際的操作數(shù)。
如果輸出參數(shù)有若干個(gè)，可以用逗號(hào)將每一個(gè)參數(shù)隔開。同樣，該法則適用于輸入?yún)?shù)或clobber參數(shù)。注意clobber參數(shù)只能是1、2、3和4中的一個(gè)或多個(gè)，但不能是全部。
3、操作符約束符
約束符的作用在于指示GCC，使用在匯編指令模板中的操作數(shù)的存儲(chǔ)類型。表1-1列出了一些約束符和它們分別代表的操作數(shù)不同的存儲(chǔ)類型，也列出了用在操作數(shù)約束符之間的兩個(gè)約束符前綴。
表 1-1 操作數(shù)存儲(chǔ)類型約束符及約束符前綴
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約束符 |
操作數(shù)存儲(chǔ)類型 |
約束符前綴及含義解釋 | |
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r |
寄存器中的數(shù)值 |
＝ |
＋ |
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m |
存儲(chǔ)器中的數(shù)值 |
為操作數(shù)賦值 |
操作數(shù)在賦值前先參加運(yùn)算 |
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i |
立即數(shù) | ||
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p |
全局變量操作數(shù) | ||
4.2? 應(yīng)用舉例
【例4－1】利用嵌入式匯編實(shí)現(xiàn)對(duì)端口寄存器的操作。
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//=================================================================== asm(".include Spmc75_regs.inc"); （ 1 ） //=================================================================== //------------------------------------- asm("[P_IOD_Attrib_ADDR] = %0 \n\t" \ （ 2 ） "[P_IOD_Dir_ADDR] = %0 \n\t" \ （ 3 ） "[P_IOD_Buffer_ADDR] = %0 \n\t" \ （ 4 ） "[P_IOD_Data_ADDR] = %1 \n\t" \ （ 5 ） : \ （ 6 ） :"r"(0xFFFF),"r"(0x0000) \ （ 7 ） :"1"); （ 8 ） //------------------------------------- |
在C的嵌入式匯編中，當(dāng)使用端口寄存器時(shí)，需要在C文件中加入?yún)R編的包含頭文件，（1）所示。那么可以使用端口寄存器的名稱，而不必去使用端口的實(shí)際地址；（2）、（3）、（4）和（5）分別對(duì)端口寄存器的各個(gè)屬性賦值初始化；（6）沒有輸出參數(shù)；（7）操作數(shù)%0＝0xFFFF，%1＝0x0000，操作數(shù)的存儲(chǔ)類型都是寄存器中的數(shù)值；（8）clobber參數(shù)，在寄存器傳遞實(shí)參的時(shí)候不能使用寄存器R1。
【例4－2】利用嵌入式匯編實(shí)現(xiàn)對(duì)端口寄存器的位值讀取。
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A ． //------------------------------------- asm("r1 = %1; \n\t" \ （ 1.a ） "tstb [r1],%2; \n\t" \ （ 2.a ） "jz 2; \n\t" \ （ 3.a ） "%0 = 0x01; \n\t" \ （ 4.a ） "jmp 1; \n\t" \ （ 5.a ） "%0 = 0x00; \n\t" \ （ 6.a ） :"=r"(result) \ （ 7 ） :"i"(P_IOD_Buffer),"i"(14) \ （ 8 ） :"1","2"); （ 9 ） //------------------------------------- B ． //------------------------------------- // GCC inline ASM start r1 = 28793; （ 1.b ） tstb [r1],14; （ 2.b ） jz 2; （ 3.b ） R3 = 0x01; （ 4.b ） jmp 1; （ 5.b ） R3 = 0x00; （ 6.b ） // GCC inline ASM end |
上面A、B分別是嵌入式匯編和實(shí)際編譯出來的代碼。首先需要清楚一點(diǎn)%0＝i、%1＝P_IOD_Buffer、%2＝14，通過（7）和（8）行可以了解。（1.a）將端口IOD的地址存放到R1中；（2.a）測(cè)試IOD的14位；（3.a）如果等于零跳過兩行，即跳過（4.a）和（5.a）在（6.a）中為輸出參數(shù)賦值0x00;如果不等于零則順序執(zhí)行（4.a）為輸出參數(shù)賦值0x01；（5.a）跳過一行，即跳過（6.a）。通過上面的過程可以應(yīng)用嵌入式匯編實(shí)現(xiàn)對(duì)端口位的測(cè)試，將測(cè)試的結(jié)果保存在變量result中，行（7）所示。行（9）clobber參數(shù)，約束行（7）的"r"在編譯時(shí)不能使用R1和R2，所以可以在（4.b）和（6.b）中看到使用了R3。但如果行（9）是":"1","2","3");"，那么編譯出來的（4.b）和（6.b）中只能使用R4，由此可知":"1","2","3","4");"是絕對(duì)不允許的。
【例4－3】典型的應(yīng)用方式。
通常的應(yīng)用是用宏匯編的形式定義出來，使用的時(shí)候就象函數(shù)一樣來使用。
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//================================================================ //Function: SETB Function //Example: SETB(_P_IOA_Data,0x8); //================================================================ #define SETB(Addr,Num) \ asm( \ "r1=%0;\n\t" \ "r2=%1;\n\t" \ "setb [r1],r2\n\t" \ : \ :"i"(Addr),"i"(Num) \ :"1","2" \ ); SETB （ P_IOD_Data ， 14 ）； // 置位 IOD14 SETB （ P_IOB_Data ， 10 ）； // 置位 IOB10 |
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