SPMC75系列單片機地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SPMC75系列單片機地C和ASM（匯編）混合編程的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：SPMC75 嵌入式匯編
1 引言
支持C語言幾乎是所有微控制器程序設(shè)計的一項基本要求，當(dāng)然SPMC75系列單片機也不例外。μ'nSPTM 指令結(jié)構(gòu)的設(shè)計就著重考慮對C語言的支持，GCC就是一種針對μ'nSPTM 操作平臺的ANSI－C編譯器。但是在應(yīng)用中對于程序的設(shè)計，特別是C和ASM混合使用的時候有些地方是需要注意的，在C中如何嵌入ASM也是一個不可回避的問題。
2 芯片特性簡介
SPMC75系列單片機是由凌陽科技設(shè)計開發(fā)的16位微控制器芯片，其內(nèi)核采用凌陽科技自主知識產(chǎn)權(quán)的μ'nSP微處理器。SPMC75系列單片機集成了能產(chǎn)生變頻電機驅(qū)動的PWM發(fā)生器、多功能捕獲比較模塊、BLDC電機驅(qū)動專用位置偵測接口、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、定時計數(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)動器、標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)變頻驅(qū)動器、多環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)等復(fù)雜應(yīng)用。下面介紹SPMC75系列單片機資源特性：
■ 高性能的 16 位 CPU 內(nèi)核
－ 凌陽 16 位 u'nSP 處理器
－ 2 種低功耗模式： Wait/Standby
－ 片內(nèi)低電壓檢測電路
－ 片內(nèi)基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生模塊
－ 最高系統(tǒng)頻率 Fck ： 24MHz
■ 片內(nèi)存儲器
－ 32KW (32K × 16bit) Flash
－ 2KW (2K × 16bit) SRAM
■ 工作溫度： -40 ℃～ 85 ℃
■ 10 位 ADC 模塊
－ 可編程的轉(zhuǎn)換速率，最大轉(zhuǎn)換速率 100Ksps
－ 6 ~~ 8 個通道
－ 可與 PDC 或 MCP 等定時器聯(lián)動，實現(xiàn)電機控制中的電參量測量
■ 串行通 訊 接口
－ 通用異步串行通訊接口 (UART)
－ 標(biāo)準(zhǔn)外圍接口 (SPI)
■ 可編程看門狗定時器
■ 內(nèi)嵌在線仿真電路 ICE 接口：可實現(xiàn)在線仿真、調(diào)試和下載
■ 兩個 CMT 定時器
－ 通用 16 位定時 / 計數(shù)器
■ MCP 定時器
－ 能產(chǎn)生三相六路可編程的 PWM 波形，如三相 SPWM 、 SVPWM 等
－ 提供 PWM 占空比值同步載入邏輯
－ 可選擇與 PDC 的位置偵測變化同步
－ 可編程硬件死區(qū)插入功能，死區(qū)時間可設(shè)定
－ 可編程的錯誤和過載保護邏輯
－ 16 位定時 / 計數(shù)器功能
■ PDC 定時器
－ 可同時處理三路捕獲輸入
－ 可產(chǎn)生三路 PWM 輸出（中心對稱或邊沿方式）
－ BLDC 驅(qū)動的專用位置偵測接口
－ 兩相增量碼盤接口，支持四種工作模式，擁有四倍頻電路
－ 16 位定時 / 計數(shù)器功能
■ TPM 定時器
－ 可同時處理二路捕獲輸入
－ 可產(chǎn)生二路 PWM 輸出（中心對稱或邊沿方式）
－ 16 位定時 / 計數(shù)器功能
■ 封裝
－ QFP 和 SDIP 兩種封裝，
－ 42 ~~ 80 腳系列
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)子程序之間一個模塊與令一個模塊的通信約定。即使兩個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，并完成一個子程序到另一個子程序之間的參數(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)號都以下劃線（_）為前綴，而C程序在調(diào)用匯編程序時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)不會進行任何數(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中存放一個指向結(jié)構(gòu)的指針。
5、編譯器會產(chǎn)生prolog/epilog過程動作來暫存或恢復(fù)PC、SR及BP寄存器。匯編器則通過CALL指令可將PC和SR自動壓入堆棧中，而通過RETF或RETI指令將其自動彈出堆棧。
6、編譯器所認(rèn)可的指針是16-Bit的。函數(shù)指針實際上并非指向函數(shù)的入口地址，而是一個段地址的向量_function_entry，在該向量的兩個連續(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)。
/*-------------------------------------------------------*/
/* 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UInt16參數(shù)，返回一個UInt16參數(shù)。
/*-------------------------------------------------------*/
/* 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 UInt16 參數(shù)，
/* 返回一個 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 BP 數(shù)據(jù) （ 1 ）
BP = SP+1; // 調(diào)整指針 （ 2 ）
R1 = [BP+3]; // 第一個參數(shù) （ 3 ）
R2 = [BP+4]; // 第二個參數(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)的時候，第一個參數(shù)將跟著第二個參數(shù)陸續(xù)自動的壓入堆棧；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BP被壓入堆棧保護起來。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，則第一個參數(shù)的位置就應(yīng)該是BP＋3，第二個參數(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)用時堆棧使用情況
【例1-3】C 程序調(diào)用ASM函數(shù)，輸入兩個UInt16參數(shù)，返回一個Uint32參數(shù)。
/*-------------------------------------------------------*/
/* 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 UInt16 參數(shù)，
/* 返回一個 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 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)束后還需要進行彈棧，以恢復(fù)調(diào)用C函數(shù)前的堆棧指針。在這個過程中很容易產(chǎn)生bug，所以在使用的時候希望細(xì)心的處理。
【例3-4】ASM程序調(diào)用C 函數(shù)，輸入兩個UInt16參數(shù)，返回一個UInt16參數(shù)。
/*-------------------------------------------------------*/
/* 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
R2 = 0xA800; // 第二個參數(shù)
R1 = 0x00E9; // 第一個參數(shù)
// PUSH R1,R2 to [SP]; // 傳遞參數(shù)入棧
PUSH R2 to [SP]; // 第二個參數(shù)入棧 （ 1 ）
PUSH R1 to [SP]; // 第一個參數(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)用時堆棧使用情況。在ASM調(diào)用C的時候需要把堆棧調(diào)整成和C調(diào)用C函數(shù)的樣子，所以需要對參數(shù)的傳遞方式有個了解，按照圖3-3的形式來調(diào)整堆棧。
圖3-3 程序調(diào)用時堆棧使用情況
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語言程序無法實現(xiàn)的機器語言操作。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行指令的輸入，是GCC實現(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)，分別會由第一個冒號后面實際的輸入、輸出參數(shù)取代。帶百分號后的數(shù)字表示的是冒號后參數(shù)的序號。例如：
asm("%0 = %1 + %2"："=r(foo)："r"(bar), "i"(10))；
"%0"會由參數(shù)foo取代，"%1"會由參數(shù)bar取代，而"%2"會由數(shù)值10取代。
在匯編輸出中，一個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縮進到同一列，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，第一個冒號后的參數(shù)為輸出操作數(shù)，第二個冒號后的參數(shù)為輸入操作數(shù)，第三個冒號后跟著的則是clobber操作數(shù)。在各類操作數(shù)中，引號里的字符代表的是其存儲類型約束符，括號里面的字符串表示是實際的操作數(shù)。
如果輸出參數(shù)有若干個，可以用逗號將每一個參數(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中的一個或多個，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)不同的存儲類型，也列出了用在操作數(shù)約束符之間的兩個約束符前綴。
表 1-1 操作數(shù)存儲類型約束符及約束符前綴
約束符
操作數(shù)存儲類型
約束符前綴及含義解釋
r
寄存器中的數(shù)值
＝
＋
m
存儲器中的數(shù)值
為操作數(shù)賦值
操作數(shù)在賦值前先參加運算
i
立即數(shù)
p
全局變量操作數(shù)
4.2 應(yīng)用舉例
【例4－1】利用嵌入式匯編實現(xiàn)對端口寄存器的操作。
//===================================================================
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，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際地址；（2）、（3）、（4）和（5）分別對端口寄存器的各個屬性賦值初始化；（6）沒有輸出參數(shù)；（7）操作數(shù)%0＝0xFFFF，%1＝0x0000，操作數(shù)的存儲類型都是寄存器中的數(shù)值；（8）clobber參數(shù)，在寄存器傳遞實參的時候不能使用寄存器R1。
【例4－2】利用嵌入式匯編實現(xiàn)對端口寄存器的位值讀取。
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際編譯出來的代碼。首先需要清楚一點%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)用嵌入式匯編實現(xiàn)對端口位的測試，將測試的結(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，使用的時候就象函數(shù)一樣來使用。
//================================================================
//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