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Mikrocomputertechnik
Thema:
Embedded Softwareentwicklung
Maschinensprache & Opcode
Ein Programm für einen Prozessor besteht aus sequenziellen Folgen binärer
Bitmuster, den sogenannten Maschinenbefehlen. Alle Maschinenbefehle
zusammen ergeben die Maschinensprache des Prozessors.
Der Maschinenbefehl ist vom Prozessor direkt ausführbar, d.h. er muss zuvor
nicht übersetzt werden.
Maschinensprache ist für den Menschen kaum bzw. nur schwer lesbar.
Der Maschinencode wird von einem Assembler oder einem Compiler erzeugt.
Beim 8051 besitzen die Befehle eine Breite von 8-Bit. Somit sind bis zu 256
Befehle (Bit-Kombinationen) möglich.
Der Befehl wird aus dem Programmspeicher über den Datenbus direkt in den
Befehlsdekodierer des Prozessors geladen, der daraufhin bestimmte Aktionen
ausführt.
Mit Hilfe des Hexadezimalsystems kann man den Maschinencode etwas lesbarer
gestalten.
Folie 2
30.03.2012, Dipl.-Ing.(FH) Ralf Hanke, E-Mail: [email protected]
Maschinensprache & Opcode
Ein Befehl setzt sich aus mehreren Teilen zusammen:
Opcode (Operation Code): Er beschreibt die Art des Befehls (was ist zu tun)
Optionale Datenbytes: Benötigt der auszuführende Befehl zusätzliche
Daten, werden diese an den Opcode hinten angehängt.
Ein Maschinenbefehl kann folglich aus einem oder auch mehreren Bytes
bestehen.
Folie 3
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Assemblersprache
Die Assemblersprache repräsentiert die Maschinenbefehle in einer für den
Menschen lesbaren Form.
Die Opcodes des Prozessors werden mithilfe sogenannter Mnemonics
dargestellt. Mnemonics sind kurze Buchstabenkombinationen, die den jeweiligen
Befehl beschreiben.
Beispiel:
MOV A,
#13
74
OD
01110100 00001101
Assemblerbefehl (2 Byte) lade Akku mit Konstante 13
Maschinenbefehl hex. (Opcode=74h, Operand=13)
Maschinenbefehl bin.
Heutzutage werden Mikrocontroller meist in Hochsprachen wie C programmiert.
Assembler findet jedoch noch immer Einsatz bei der Programmierung
zeitkritischer Aufgaben oder bei Projekten bei denen der Programmcode
möglichst schlank gehalten werden muss.
Folie 4
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Quelltext ↔ Programmierdaten
Beispiel: LED_CTRL.ASM. Nachfolgende Tabelle zeigt die Programmierdaten im Intel Hex
Format. Der untere Abschnitt zeigt einen Teil der zugehörigen Assembler-Befehle.
Start
Code
Anz.
Bytes
Adr
Typ
:
02
0000
00
21 00 *
DD
:
10
0100
00
D2 B2 30 91 05 30 92 06 80 F8 C2 B2 80 F4 D2 B2
F9
:
02
0110
00
80 F0
7D
:
00
0000
01
Folie 5
Datenfeld
Compiler generiert aus jmp-Befehl
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Chk
FF
einen ajmp-Befehl
Der Befehlssatz des 8051
Alle Derivate der 8051-Familie besitzen die gleichen Maschinenbefehle und somit
den gleichen Befehlssatz.
Besonderheit beim 8051-Befehlssatz: Bei Befehlen mit Quell- und Zielangabe
wird immer erst das Ziel und danach die Quelle angeführt.
Opcode
Ziel
Quelle
Die Befehle können z.B. nach der Art ihrer Funktion gegliedert werden in…
Transportbefehle,
Arithmetische und logische Befehle,
Sprungbefehle und
Befehle für Unterprogramme.
Folie 6
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Der Befehlssatz des 8051
Erklärungen zum Dokument Befehlssatz_8051.pdf
Anhand des Befehls „mov A, Rr“, sollen die Tabellenspalten im Dokument
Befehlssatz_8051.pdf erläutert werden.
Mnemonic:
Enthält den für den Menschen lesbaren Maschinenbefehl als Mnemonic
Buchstabenkürzel.
Register:
Welche Register werden verwendet bzw. können verwendet werden. Im Beispiel
r=0-7 bedeutet dies, dass die Register R0-R7 verwendet werden können.
Incoding Binary:
Binärcodierter Maschinenbefehl. Im Beispiel 11101rrr repräsentiert der Buchstabe r
die Bits, mit denen die Registernummer codiert wird. R3 würde somit den Code
11101011 ergeben.
Folie 7
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Der Befehlssatz des 8051
Incoding HEX:
Maschinencode im hexadezimalen Format. Auch hier steht r für die noch zu
addierende Registernummer. Im Beispiel E8+r und R4 würde sich somit der Code
EC ergeben.
Affectet Flags:
Gibt an, welche Flags des Statusregisters von dem Befehl beeinflusst werden. Im
Beispiel wird das Parity-Flag P als beeinflußtes Flag aufgeführt.
Bytes:
Gibt die länge des Befehls in Bytes an. Im Beispiel handelt es sich um eine 1-ByteBefehl.
Cycles:
Gibt an, wie viele Maschinenzyklen notwendig sind, um den Befehl auszuführen.
Der Befehl im obigen Beispiel benötigt zwei Maschinenzyklen.
Folie 8
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Der Befehlssatz des 8051
Function:
Englische Beschreibung des Befehls.
Funkionsbeschreibung:
Deutsche Beschreibung des Befehls.
Folie 9
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Programmierung in Hochsprachen
Zu den sogenannten Hochsprachen zählen beispielsweise Programmiersprachen
wie C / C++ oder Pascal.
Hochsprachen enthalten abstrakte Elemente wie z.B. bedingte Anweisungen (if,
else) oder Schleifen (for, while, …etc.). Hierdurch kann mittels „weniger“
Programmcode mehr Logik umgesetzt werden.
Hochsprachen bieten außerdem die Möglichkeit ein Programm in mehrere
Unterprogramme zu unterteilen (Prozeduren, Modularisierung). Hierdurch kann
ein Programm von mehreren Entwicklern gleichzeitige bearbeitet werden. Im
Vorfeld müssen lediglich die Schnittstellen zwischen den einzelnen Prozeduren
bzw. Modulen beschrieben werden.
Welche Vorteile gibt es noch in Bezug auf die Programmierung in Assembler?
Zeitlich schnellere Programmerstellung
Leichtere Lesbarkeit des Quelltextes
Quelltexte sind auf andere Zielplattformen (andere Prozessoren mit
anderem Befehlssatz) portierbar
Es existieren Kontroll- (if, else, for, while, … etc.) und Datenstrukturen
(Array, Structs, … etc.)
Folie 10
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Programmierung in Hochsprachen
Aber es gibt auch einige Nachteile in Bezug auf die Programmierung mit
Assembler.
Größerer Speicherplatzbedarf für den Programmcode
Ggf. langsamere Programmabarbeitung
Zeitkritische Vorgänge können nicht kontrolliert beschrieben werden (was
steckt z.B. hinter einer for-Schleife?)
I.d.R. werden heute größere SW-Projekte in Hochsprachen programmiert.
Viele Hochsprachen-Compiler bieten die Möglichkeit Assemblerquellcode direkt in
die Hochsprache einzuarbeiten („Inline Assembler“), wodurch z.B. zeitkritische
Teilaufgaben in Assembler gelöst werden können.
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Cross-Compiler & Linker
Compiler (allgemein)
Der Compiler übersetzt ein in einer Programmiersprache geschriebenes
Programm in eine bestimmte Zielsprache. Die Zielsprache ist oftmals
Assemblercode oder Maschinensprache.
Handelt es sich bei der Programmiersprache um Assemblersprache und bei der
Zielsprache um Maschinensprache, wird der Compiler auch „Assembler“ genannt.
Der Kompiliervorgang kann in mehrere Phasen gegliedert werden. Teilphasen
können z.B. sein:
Analyse des Quellcodes
Zwischencode-Erzeugung
Optimierung
Code-Erzeugung
Nach dem Kompiliervorgang liegt das Programm als Objekt-Code vor.
Es kann sich hierbei auch um mehrere Objektdateien handeln (für jedes Modul
eine separate Datei).
Folie 12
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Cross-Compiler & Linker
Der Cross-Compiler
Wird ein Compiler auf einer bestimmten Hostplattform ausgeführt, erzeugt
jedoch Code für eine andere Plattform, so spricht man von einem CrossCompiler.
Compiler für Mikrocontrollersysteme sind daher oftmals Cross-Compiler.
Der Linker
Der Linker ist ein Programm, welches die vom Compiler erzeugten Objektdateien
zu einem lauffähigen Programm verbindet.
Wurden innerhalb der Programmierung Bibliotheken verwendet, werden auch
diese mit eingebunden.
Der Linker übernimmt überdies die Umwandlung symbolischer Adressen von
Funktionen und Variablen in reelle Speicheradressen.
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Debugger
Ein Debugger ist ein Tool, mit welchem ein Programm schrittweise nachverfolgt
werden kann. Es dient zur Auffindung von Fehlern in Soft- und Hardware.
Der Entwickler kann das Programm in Einzelschritten nachverfolgen (SingleStep).
Es ist möglich das Programm mit sogenannten Breakpoints (Haltepunkten) an
bestimmten Codestellen anzuhalten.
Debugger bieten die Möglichkeit Registerinhalte und Variableninhalte einzusehen
und zu verändern (Watch-Funktion).
Einige wenige Debugger bieten auch die Möglichkeit des Tracings an. Hierbei
können Daten für eine spätere Auswertung über einen bestimmten Zeitraum
aufgezeichnet werden.
Debugger sind meist ein Bestandteil von Entwicklungsumgebungen (z.B. Keil
µVision, Microsoft Visual Studio, etc.) oder können dort eingebunden werden
(z.B. GDB).
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In-Circuit-Emulator
In-Ciruit-Emulatoren (ICE) werden bei der Entwicklung von komplexeren und /
oder extrem zeitkritischen Systemen eingesetzt.
Ein Emulator ermöglicht die vollständige Beobachtung des Verhaltens von
einem Prozessor auf der Zielhardware ohne Beeinträchtigung des Zeitablaufs
(das Testprogramm läuft in Echtzeit ab).
Bei ICEen wird der eigentliche Prozessor von der Zielhardware entfernt und
durch einen Adapter (Pod) ersetzt. Dieser Adapter verbindet die Schaltung mit
dem Emulator.
Ausgewählte Signale (Adressen, Daten, Steuersignale) können während der
Emulation „abgegriffen“ und ihr zeitlicher Verlauf in einem sogenannten TraceSpeicher für die nachfolgende Analyse aufgezeichnet werden.
Folie 15
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In-System-Debugger
Werden auch In-System-Programmer (ISP) genannt.
ISP bieten nicht die Kontrolltiefe über den Prozessor wie ICE. Es fehlen meist
Trace-Speicher und auch zeitkritische Probleme lassen sich mit ISP nur bedingt
analysieren.
ISP sind im Verhältnis zu ICE sehr viel günstiger. ICE liegen preislich meist
zwischen 5000 - 20000 Euro. ISP erhält man stattdessen bereits unter 100 Euro.
Bei ISPn befindet sich auf dem Zielprozessor eine On-Chip-Debug-Einheit. Diese
übernimmt den Datentransfer zum Hostrechner sowie den Zugriff auf Speicher
und Register des Zielsystem. Außerdem steuert sie den Programmablauf (Start,
Stop, Breakpoints, etc.).
Als HW-Schnittstelle wird heutzutage vermehrt die genormte JTAG-Schnittstelle
oder die von Freescale entwickelte BDM-Schnittstelle eingesetzt.
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