Arduino Assembler Tutorial : Das erste Programm

Die meisten fangen beim Arduino mit dem „Blink“ Programm an, welches man bei den Beispielen unter 01.Basics–>Blink findet. Dieses Programm setzt den Pin 13 als Ausgang und schaltet diesen dann in der Loop-Schleife abwechselnd auf HIGH oder LOW, mit jeweils einer Sekunde Wartezeit zwischen dem Umschalten. Dieses einfache Einsteigerprogramm ist gut geeignet um zu zeigen wie man dieses Programm auch in Assembler (ASM) lösen kann.

Zuallererst sollte man wissen, dass es 2 Möglichkeiten gibt um C/C++ code mit ASM zu mischen. Die erste besteht in der Verwendung von sog. Inline Assembler und die zweite ist das einbinden von Funktionsaufrufen die in ASM geschrieben sind. Wir beschäftigen uns hier mit der letzteren Möglichkeit, weil diese mit der Arduino IDE deutlich angenehmer ist.

Die Prozedur ist ähnlich wie beim Schreiben einer Library. Wir brauchen auch hier eine Headerdatei in dem wir unsere Funktionen zuerst deklarieren und eine zweite Datei in der wir die Funktionen dann implemtieren. Fangen wir also an:

Alle Dateien sind auch auf Github zu finden: https://gist.github.com/92540e0f8621bc8b0566.git

1. Einen Ordner mit Namen“Assembler“ im Library Ordner anlegen
2. In diesem Ordner die Dateien „ASM_Blink.H“ und „ASM_Blink.S“ erstellen

ASM_Blink.H beinhaltet lediglich unsere Funktionsdeklarationen und sieht so aus:

void ASM_digitalWrite(char pin);
void ASM_delay();

Die Anweisung
extern "C" { }
Ist ein kleines Detail, welches dazu führt das AVR-GCC die Funktionsdeklarationen in C statt C++ kompiliert. Dies gewährleistet, dass die Funktionsaufrufe korrekt aufgelöst werden. Ansonsten passiert hier nicht mehr, als das  man 2 Funktionen deklariert.

In der Datei ASM_Blink.S steht nun die Implementierung

.global ASM_digitalWrite 

ASM_digitalWrite: 
    out 0x05,r24 ;write pin_value to port 
    reti ;



    delay for 1 sec 
.global ASM_delay 
ASM_delay: 
    ldi R17, 0x53 
delay_loop: 
    ldi R18, 0xFB 
delay_loop1: 
    ldi R19, 0xFF 
delay_loop2: 
    dec R19 brne 
    delay_loop2 

    dec R18 
    brne delay_loop1 

    dec R17 
    brne delay_loop 

    ret

Die Direktive

.global
macht den dahinter liegenden Funktionsnamen global sichtbar und sorgt für Fehlerfreies verlinken („einbauen“ unseres codes). Die Funktion ASM_digitalWrite erwartet ein einziges 1 Byte Argument welches beim Funktionsaufruf ins Register R24 geladen wird. Die Funktions schreibt den Inhalt nur an den PortB. Natürlich kommt

Bei der Funktion ASM_digitalWrite fragt man sich vielleicht, wie die Argumentenübergabe funktioniert. Nun, AVR-GCC folgt einem Algorithmus der festlegt wo etwaige Argument gespeichert werden, den man hier in English nachlesen kann. Meine Übersetzung ins Deutsche:

Aufrufkonvention

• Ein Argument wird entweder vollständig in Registern übergeben oder vollständig über den Speicher.

• Um heraus zu finden, welche Register bei der Übergabe der Argumente verwendet werden denken wir uns eine Registernummer R_n die wir als R26 initieren:

  1. Falls das Argument eine ungerade Anzahl an Bytes groß ist, rundet man die Größe zur nächsten geraden Zahl auf.

  2. Subtrahiere die gerundete Größe von der Registernummer R_n.

  3. Falls das neue R_n mindestens  R8 ist und die Größe ungleich null, dann wird das Low-Byte des Arguments in R_n gespeichert. Evtl. Weiter folgende Bytes des Argumentes werden der Reihe nach in den nächsten, aufsteigenden Registern gespeichert.

  4. Sollte das neue Register kleiner als R8 sein oder die größe des Arguments null sein, dann wird das Argument in vollständig über den Speicher.

  5. Sollte das momentane Argument über den Speicher übergeben werden, kann man aufhören: Alle weiteren Argumente werden ebenfalls über den Speicher übergeben.
  6. Falls noch Argumente übrig sein, dann fange wieder bei Punkt 1 und mache mit dem nächsten Argument weiter.
• Rückgabewerte mit einer Größe von 1 bis einschließlich 8 Byte werden über die Register zurück gegeben. Rückgabewerte die diese Grenze überschreiten werden über den Speicher zurückgeben.
• Falls ein Rückgabewert nicht über die Register übergeben werden kann, dann wird auf dem Stack Speicherplatz reserviert und die dazugehörige Adresse beim Funktionsaufruf übergeben. Die Funktion übergibt den Rückgabewert über den Speicher an diese Adresse.
• Sollten die Rückgabewerte über die Register zurück gegeben werden, dann werden die selben Register verwendet als wäre der Wert der erste Paramter einer nicht-varargs function. Zum Beispiel: Ein 8-Bit Wert wird in R24 zurückgegeben und ein 32-Bit Wert wird über R22…R25 zurückgegeben.
• Argumente einer varargs Funktion werden über den Speicher übergeben. Dies gilt auch für diejenigen Argumente mit festen Bezeichnern.

Anm.: Die Übergabe über den Speicher meint konkret, dass die Argumente auf den Stack geschoben werden. Dazu aber später mehr.

Schon ein bischen kompliziert, oder? Für unser konkretes beispiel bedeutet dies folgendes: Wie man in der Funktionsdeklaration sehen kann, hat die Funktion ASM_digitalWrite nur einen einzigen Parameter namens pin und dieser ist genau ein Byte groß. Da 1 ungerade ist, runden wir die Größe auf 2 und ziehen dies von R26 ab. Das bedeutet, dass unser Argument sich in R24 befindet.

Um unseren ASM Code zu nutzen brauchen wir nur noch einen Sketch in der Arduino IDE anlegen, mit folgendem Inhalt:

#include "ASM_Blink.h" 

// change LEDPIN based on your schematic 
#define LEDPIN PINB1 

void setup(){ 
pinMode(13, OUTPUT); 
} 

void loop(){ 
ASM_digitalWrite(0x20); 
ASM_delay(); 
ASM_digitalWrite(0x00); 
ASM_delay(); 
}

Wie man sieht unterscheidet sich das Einbinden und Aufrufen der Funktionen nicht anders, als hätte man es mit einer gewöhnlichen C/C++ Bibliothek zu tun.