Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

Арифметика и логика в интерпретации AVR

Арифметические операции для AVR на первый взгляд могут показаться реализованными довольно странно для пользователя, привыкшего к бытовому представлению об арифметике, но на самом деле получается очень стройная система.

Не вызывают никаких возражений только очевидные операции: add R1,R2(сложить два регистра, записать результат в первый) и sub ri,r2 (вычесть второй из первого, записать результат в первый). Но если вдуматься, то вопросов возникает множество: а что будет, если сумма превышает 255? Или разность меньше нуля? Куда девать остатки? Оказывается, все продумано: для учета переноса есть специальные команды adcи sbcсоответственно. Корректная операция сложения двух 16-разрядных чисел будет занимать две команды:

add RL1,RL2

adc RH1,RH2

Здесь RL1и RL2содержат младшие ( low) байты слагаемых, a RH1и RH2— старшие (high). Если при первой операции результат превысит 255, то перенос запишется в специальный флаг переноса (в регистре флагов sreg обозначается буквой С) и учтется при второй операции. Аналогично выглядит операция вычитания.

Постойте, но мы же вовсе не хотели складывать 16-разрядные числа! Мы хотели всего лишь сделать так, чтобы в результате сложения 8-разрядных чисел получился правильный результат, пусть он займет два байта. На что нам тогда старший байт второго слагаемого, если его вообще в природе не существует? Конечно, можно сделать его фиктивным, загрузив в некий регистр нулевое значение, но это только кажется, что регистров у AVR много (аж 32 штуки), на самом деле они довольно быстро расходуются под переменные и разные другие надобности, и занимать целый регистр под фиктивную операцию, пусть даже на один раз, как-то некрасиво. Потому «экономная» операция сложения 8-разрядных чисел будет выглядеть таким образом:

add RL1,R2

brcc add_8

inc RH1

add_8:

…

Исходные слагаемые находятся в R1и R2, а результат будет в RH1:RH2. Отметим, что в старшем разряде ( RH1) в результате может оказаться только либо 0, либо 1, т. к. сумма двух восьмиразрядных чисел не может превысить число 510 (255 + 255), именно потому флаг переноса С представляет собой один-единственный бит в регистре флагов. В этой процедуре команда brccпредставляет собой операцию условного перехода на метку add_8по условию, что флаг переноса равен нулю (BRanch if Carry Cleared). Таким образом, если флаг не равен нулю, выполнится операция увеличения значения регистра RH1на единицу inc RH1, в противном случае она будет пропущена.

Внимательный читатель, несомненно, уже заметил ошибку в программе: а чему равно значение RH1до выполнения нашей процедуры? Вдруг оно совсем не ноль, и тогда нельзя говорить о корректном результате. Поэтому правильней было бы дополнить нашу процедуру еще одним оператором, который расположить раньше всех остальных: cir RH1(т. е. очистить RH1).

Заметим, что во всех случаях процедура разрастается во времени: было две команды, стало четыре, причем тут имеется еще и неявное замедление, поскольку все представленные арифметические команды выполняются за один такт, а команда ветвления brccможет занимать такт (если С = 1), а может и два (если С = 0). Итого мы выиграли один регистр, а потеряли два или три такта. И так всегда: есть процедуры, оптимизированные по времени, есть — по количеству команд, а могут быть и по количеству занимаемых регистров. Идеала, как и везде в жизни, тут не добиться, приходится идти на компромисс.

Если вы посмотрите таблицу команд в Приложении 4 , то можете обратить внимание, что из восьмибитовых арифметических операций с константой доступно только вычитание ( SUBI, SUCI), напрашивающейся операции сложения с константой нет. Это не упущение автора при формировании выборочной таблицы, а действительная особенность системы команд AVR. Это можно обойти при желании вычитанием отрицательного числа, но на практике не очень-то требуется, потому что разработчики семейства AVR решили облегчить жизнь пользователям, добавив в перечень арифметических команд две очень удобные команды adiwи sbiw, которые, по сути, делают то же самое, что пары команд add/adc( sub/sbc), только за одну операцию, и притом с константой, а не с регистром. Единственный их недостаток— работают они только с определенными парами регистров: с четырьмя парами, начиная с r25-r24. Три старших пары ( r26-27, r28-29и r30-31) носят еще название X, Y и Z, и мы их будем «проходить» далее в этой главе, они задействованы в операциях обмена данными с SRAM. Но, к счастью, точно так же работает и пара r24-r25, которая более нигде не употребляется в объединенном качестве, и это очень удобно. Независимо от используемой пары, старшим считается регистр с большим номером, а операцию нужно проводить с младшим, при этом перенос учтется автоматически. Например, в результате выполнения последовательности команд