Day6 — 组合语言浅谈

对於组合语言，最大的迷思在於：「有了编译器，为什麽我还要学组合语言？」，关於学习组合语言的好处我认为可以分成几点讨论。

1. 知道处理器（MCU）是如何运作的

由於编译器会产生一些 bootstrap 程序码，所以光看编译器编译後的程序码，可能会比想像中的数量还多。为了深入底层，你可能还需要知道编译器对於特定片段的程序码是如何编译的。

2. 简单直觉

一旦了解组合语言的概念，其实它并没有想像中那麽难理解。因为我们是直接撰写组合语言，所以也不会有编译器转换时的隔阂。你也不需要再去学习各种语言特性，组合语言运作的方式不会因为 chip 不同而有变化。

学习组合语言不代表你必须要精通它，或是从此以後只能用组合语言撰写，回头看看人类发展高阶语言的原因，正是因为组合语言的表达能力有限，繁琐的操作也会造成开发人员的心智负担，不过知道组合语言是如何运作的，能够帮助你在使用高阶语言撰写程序时，对实际上电脑会如何运作有更深的了解。

因此，如果你真的想更了解 AVR 的架构，认识组合语言就是必经的一段过程。

语法

组合语言通常会由三个部分组成：操作、运算数 1（Operand）、运算数 2。举例来说，在 AVR 当中若要将数字载入至暂存器当中可以这样写：

ldi r16, 00000001

在这段程序码中，ldi 代表操作，在这里指得是 load immediately，r16 为暂存器，00000001 则为数字。我们通常会将操作称为指令（instruction），在 AVR 当中大部分的 instruction 都是一个 cycle。

在这边要特别注意的是，并不是每个指令都能够像这样，後面直接接一个常数，而是要先将数字载入到暂存器之後，再继续接下来的操作。

例如我希望计算 1 + 1 後将结果放入暂存器中，这样写是不对的：

add r16, 1, 1

而是需要先将 1 载入到暂存器中，再进行加法：

ldi r14, 1
ldi r15, 1
add r15, r14

定址模式（addressing mode）

在 AVR 当中有许多定址模式，最主要的目的在於简化在记忆体（RAM）与暂存器之间的资料交换与操作。

1. Register Direct：single register

一个指令搭配一个暂存器，例如 inc 指令

inc r16

将暂存器 r16 增加 1。在 AVR 组合语言当中，通用暂存器会以 r 当作前缀加上数字表示，assembler 会对照 AVR 的架构将这些暂存器映射到对应的位址（Register File）。在 AVR 当中有 32 个暂存器，所以 r0 ~ r31 都是可使用的暂存器。

2. Register Direct: 2 registers

可使用两个暂存器，如 add 指令

add r16, r17
mov r0, r1

3. I/O Direct

可以直接在暂存器与 I/O Port 间传输资料，最常见的就是 in 跟 out 指令：

in r16, PINB ; 将 PINB 的资料传给暂存器 r16 
out PORTC, r16 ; 将 r16 的资料传给 PORTC

在这边可以发现 PINB 以及 PORTC 之类看起来很像变数的东西，这是由 assembler 事先定义的变数。在 AVR 当中除了通用暂存器（general purpose register）这类可以让我们直接操作的暂存器之外，还有控制各种功能、参数的暂存器可以使用。

在 AVR 当中暂存器可以透过特定的位址存取，举例来说 PORTB 这个暂存器就存在於 0x18 这个记忆体位址当中。不过直接撰写记忆体位址撰写时比较麻烦，因此 assembler 通常会事先定义好这些暂存器的位址与名称，在撰写时就不需要查表写记忆体位址了。

4. Data Direct

将资料写到 data space 当中。在 AVR 当中 data space 包含 Register file、I/O memory、SRAM。例如 sts 指令

sts 0x1000, r16

将 r16 的资料写入到 data space 的位址 0x1000 。

AVR 采用的是哈佛架构（Harvard Architecture），在哈佛架构当中，程序指令和资料储存会分别存放在不同的记忆体空间。目前使用哈佛架构的微控制器与中央处理器的晶片有 AVR、ARM9、ARM10、ARM11。

因此我们将资料储存的地方称为 data space，储存指令的地方称为 program memory space。将程序指令与资料储存空间分开存放最大的好处在於，当我们在执行指令时，就可以预先读取下一条指令，进而提高效能。

5. Data Indirect

间接定址。在 AVR 当中有三个比较特别的暂存器称为 X, Y, Z 暂存器。我们在前面有讲到，AVR 具有 32 个通用暂存器，分别从 r0 ~ r31，其中 r26 ~ r31 在特定指令中会具有定址功能，而当这些暂存器当作定址功能使用时就称为 X、Y、Z 暂存器。

LD r16, Y

这个指令的意思是以 Y 的值当作记忆体位址，找出此记忆体位址储存的值，再将值放入 r16 暂存器当中。因为不是直接将值放入暂存器中，而是先找记忆体位址再去找值，因此才有 indriect 之称。从这个指令多少就能感受出指标在组合语言的表达是什麽，其实就是 indirect 的对应。

除此之外 AVR 还有提供执行後增、减的功能。

LD r16, Y+

当执行完这条指令後，将 Y 暂存器的值 +1，这样在存取连续的记忆体空间时很方便。

ST Y+, r28

这条指令则是将暂存器 r28 的内容存入到以 Y 暂存器的值为位址的记忆体。

6. Data Indriect with displacement

可以在 X、Y、Z 当中自行加入常数的 offset

LDD r16, Y+0x10

将 Y 的值加上 0x10 後当作记忆体位址去寻找对应的值。

7. Program memory addressing

可以使用 Z 暂存器当作记忆体位址存取到 program memory。

LPM

8. Indriect program addressing

使用 ijump 或是 icall 时可根据 z-register 的值改写 PC 的位址。

PC 指得是 program counter，在 MCU 当中会不断从 flash memory 当中获取下一条指令解码後执行，为了得知目前执行到哪一条指令，通常会使用 program counter 来储存，每次执行一条指令时就将 PC+1。PC 可透过 ijump、icall 修改，让程序跳到指定的位置後执行，进而实现像是回圈、条件式判断、函数呼叫等功能。

9. Relative Program Addressing

以 ijump 与 icall 都是直接以记忆体位址改动 PC 值，也可以透过 offset 的方式来改变。

rjmp r16
rcall r16

总结

AVR 的指令集虽然不多，但算下来也有 100 多条，文章里无法一一介绍，不过我会在接下来介绍到特定功能时，一并介绍对应的指令。