微控制器的開發(fā)方案

微控制器開發(fā)團隊與編譯器開發(fā)人員的合作成果是生成的代碼效率更高，性能更好。本文介紹的是為了使ATMEL AVR微控制器系列更適合C編譯器，開發(fā)者在編譯器開發(fā)階段對微控制器架構(gòu)和指令集所進行的調(diào)整。

AVR架構(gòu)的核心是一個可快速訪問RISC寄存器文件。該文件由32個8位通用寄存器構(gòu)成。微控制器可在一個單時鐘周期內(nèi)加載該文件中的任意兩個寄存器到算術(shù)邏輯單元(Arithmetic Logical Unit, ALU)，完成所要求的操作，將結(jié)果寫回到任意一個寄存器。ALU支持寄存器間或某一寄存器與一個常數(shù)之間的運算和邏輯功能，單寄存器操作也是在ALU中執(zhí)行的。微控制器使用一個哈佛(Harvard)架構(gòu)，在該架構(gòu)中，程序存儲器空間與數(shù)據(jù)存儲器空間是相互隔離的。程序存儲器采用單級管道訪問技術(shù)，當(dāng)一條指令被執(zhí)行的同時，下一條指令已從程序存儲器中被預(yù)先提取。由于其算術(shù)和邏輯操作都真正地在單周期內(nèi)完成，因此AVR微控制器的性能達到每MHz一個MIPS。

圖1 AVR 架構(gòu)

細(xì)調(diào)微控制器
采用高級語言(High Level Languange, HLL)代替匯編語言來開發(fā)微控制器應(yīng)用程序有許多優(yōu)勢，但一直都有一個重大缺點，即代碼量不斷增加。我們在開發(fā)AVR微控制器時考慮了使用C語言來開發(fā)應(yīng)用，使得我們有可能為器件構(gòu)建出一個高效C編譯器。為了進一步提升這項特性，我們在AVR的架構(gòu)和指令集未完成前就開始著手C編譯器的開發(fā)。我們先讓瑞典 IAR Systems的編譯器專業(yè)開發(fā)人員對我們的AVR架構(gòu)和指令集進行評測，最后開發(fā)出非常適合運行C編譯器生成代碼的微控制器。

尋址模式
為讓編譯器生成高效的代碼，重要的是讓尋址模式匹配C語言的需要。AVR架構(gòu)原來配了兩個指針寄存器(Pointer Register)。這兩個指針可用于間接尋址、算后增量(post increment)間接尋址、算前減量(pre-decrement)間接尋址，以及帶位移(displacement)的間接尋址，能夠很好地支持指針操作。此外，還有一個用于訪問數(shù)據(jù)存儲器中變量的頁面直接尋址模式。

指針位移
帶位移的間接尋址是一種非常有用的尋址模式，即使從C編譯器的角度亦如此。例如，將指針指向某一結(jié)構(gòu)(struct)的第一個成員，就可以訪問該結(jié)構(gòu)內(nèi)位移量所允許的其他任何位置，無須變更16位指針。帶位移的間接尋址模式也常常用于訪問軟件堆棧上的變量。函數(shù)參數(shù)和autos常常放在軟件堆棧上，這樣，不用變更指針就可進行讀寫操作。位移尋址在定位數(shù)組成員(addressing elements in an array)時也非常有用。

盡管位移模式在許多情況下非常有用，但仍存在一個位移受限的問題。位移原本被限制在16個位置以內(nèi)，而實際應(yīng)用往往超出該數(shù)量。這樣，在位移模式無法訪問的位置，就必須加載一個新的指針。為擴展位移模式的訪問范圍，我們不得不改變指令集的其他部分，以獲得足夠的編碼空間。同時，我們還得知，C編譯器很難使用頁面直接尋址模式。于是，取消了頁面直接尋址模式，使用騰出的空間將位移模式擴展為64個位置，足以滿足大多數(shù)間接尋址的要求。原來的頁面直接尋址模式變成一個兩個字長的非頁面直接尋址模式。

存儲器指針數(shù)
AVR微控制器原來配置了兩個16位存儲器指針。如要采用C編譯器，那么其中一個指針必須專門用作軟件堆棧，這樣，就只剩一個存儲器指針。在許多情況下，需要將存儲器從一個區(qū)域復(fù)制到另一個區(qū)域。但由于只有一個指針，需要讀1字節(jié)，設(shè)置指針，確定寫入目標(biāo)位置，寫入這字節(jié)，然后再將指針設(shè)回數(shù)據(jù)源位置。如果增加第三個存儲器指針(精簡功能)，完成存儲器區(qū)域復(fù)制就不需要設(shè)置指針。如下例所示，只要使用算后增量間接尋址模式就可構(gòu)建非常高效的存儲器讀寫循環(huán)(假設(shè)：將指針Z指向源的第一字節(jié)，X指向目標(biāo)的第一字節(jié))：

?LDI R16,0x60 ?;Load byte count
loop: ?LD R17,Z+ ?;Load byte,????
?increment pointer
　?ST X+,R17 ?;Store??
?byte, increment pointer
　?SUBI R16,1?;Decrement
?counter
?BRNE loop?; Branch
?if more bytes
具備指針?biāo)愫笤隽?post increment)、算前減量(pre-decrement) (+1、-1)操作的可能性對于實現(xiàn)堆棧也非常有效。這當(dāng)然也可用于軟件運行時間堆棧。

直接尋址
如在指針位移一節(jié)所述， AVR原來有一個頁面直接尋址模式，但是，對于編譯器該模式難于使用，且效率較低。由于我們需要更多的編碼空間來增加位移量，因此取消了頁面直接尋址模式。不過，如果完全沒有直接尋址模式，代碼效率也會降低，因為在有些情況下需要訪問存放在數(shù)據(jù)存儲器中的變量。尤其是處理靜態(tài)字符時，代碼開銷將會很大(達到50%)，因為靜態(tài)變量必須保存在數(shù)據(jù)存儲器中，不能自動放置到寄存器中。為了克服代碼效率低下的問題，我們占用一個16位地址來增加一些非頁面直接尋址指令。這樣，就可用一條指令來完成64KB數(shù)據(jù)空間的尋址。要訪問如此大的一個存儲器區(qū)域，訪問指令必須是兩個16位字。

如果訪問的字節(jié)數(shù)少(例如讀取一個字符)，使用這種尋址方式的效率高于指針方式。對于較大的區(qū)域，可能仍然是使用間接尋址比較有效(參見下面的示例)。

Loading of a character:
　　Indirect addressing (6 Bytes): ??Direct addressing (4 Bytes):
　LDI R30,LOW(CHARVAR) ??LDS R16,CHARVAR
　LDI R31,HIGH(CHARVAR)
　　　LD R16, Z
Loading of a long integer:
　Indirect addressing (12 Bytes) ??Direct addressing (16 Bytes)
　LDI R30,LOW(LONGVAR) ??LDS R0,LONGVAR
?LDI R31,HIGH(LONGVAR) ??LDS R1,LONGVAR+1
　　　LDD R0,Z ????LDS R2,LONGVAR+2
　　　LDD R1,Z+1 ????LDS R3,LONGVAR+3
　　　LDD R2,Z+2
　　　LDD R3,Z+3

零標(biāo)志傳播
為實現(xiàn)條件轉(zhuǎn)移，需要使用一些指令來操作由一些標(biāo)志(flag)構(gòu)成的AVR狀態(tài)寄存器。跟在這類指令之后的條件轉(zhuǎn)移指令(conditional branch instruction)是否執(zhí)行轉(zhuǎn)移，取決于這些標(biāo)志的設(shè)置。使用運算指令操作這些標(biāo)志，就可檢查一個數(shù)A與另一個數(shù)B之間的大小關(guān)系。當(dāng)被檢查的數(shù)為8位的數(shù)時，不存在什么問題，因為所有標(biāo)志都依賴一條指令設(shè)置的標(biāo)志值。當(dāng)被檢查的數(shù)為16位或32位的數(shù)時(這在C語言中是常有的情況)，問題就有點棘手了，例如一個32位減法操作就相當(dāng)于要連續(xù)進行4個8位減法操作，而每做一次8位減法，就會產(chǎn)生一組新的標(biāo)志。

為傳播進位標(biāo)志，大多數(shù)處理器都包含一些能處理進位標(biāo)志先前設(shè)置值的指令。例如，帶進位的減法(SBC)指令；執(zhí)行SBC A,B語句就相當(dāng)于將A變成進位位。但要正確完成所有的條件轉(zhuǎn)移操作，這里還有另一個標(biāo)志需要傳播，即零標(biāo)志。

示例：
　　　A=R3:R2:R1:R0, ?
　　　B=R7:R6:R5:R4

我們打算從A中減去B，并如果A=B就跳轉(zhuǎn)到一個指定位置。如果這個零標(biāo)志只依賴于最后的運算指令，那么下面的指令將不會執(zhí)行：

　　　SUB R0,R4
　　　SBC R1,R5
　　　SBC R2,R6
　　　SBC R3,R7 ?; R3=R7
　　　=> Zero flag set
　　　BREQ destination

這是因為BREQ指令使用的標(biāo)志值只取決于最后的SBC指令設(shè)置的標(biāo)志值。如果大多數(shù)高位直接相等，即便32位數(shù)不相等，零標(biāo)志也將被置位，而轉(zhuǎn)移也會被執(zhí)行。這種問題也會出現(xiàn)在其他的條件轉(zhuǎn)移上。

有兩種辦法可以解決這個問題。一是保存每個指令產(chǎn)生的標(biāo)志，然后在第四個減法完成后檢查所有的零標(biāo)志。另一個更精細(xì)的方法是在進位指令中傳播零標(biāo)志(參見下面方式)：

Znew =Not(R7) AND
　　　Not(R6) AND
　　　...
　　　Not(R0) AND
　　　Zold

使用這種方式傳播零標(biāo)志，所有條件轉(zhuǎn)移在最后一個減法操作完成后都會被執(zhí)行，因為參與標(biāo)志(溢出和正數(shù)標(biāo)志)所剩部分只取決于最高位字節(jié)。