MAXQ微控制器架構(gòu)的表操作

簡介

MAXQ 架構(gòu)是一種基于標(biāo)準(zhǔn)Harvard結(jié)構(gòu)、功能強(qiáng)大的單周期RISC微控制器。Harvard結(jié)構(gòu)與常見的Von Neumann結(jié)構(gòu)相比，其不同之處在于重要的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方面：Harvard結(jié)構(gòu)的指令與數(shù)據(jù)在不同的總線上傳輸。由于不存在單條數(shù)據(jù)總線的沖突問題，MAXQ指令的執(zhí)行時(shí)間僅需要單個(gè)周期。而傳統(tǒng)的Von Neumann架構(gòu)完成相同的操作則需要多個(gè)周期。

然而，Harvard結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)與代碼的嚴(yán)格分離也帶來了一系列的挑戰(zhàn)。Von Neumann結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)通用技術(shù)就是可以在代碼空間存儲數(shù)據(jù)表，這對于標(biāo)準(zhǔn)Harvard結(jié)構(gòu)來說是很難實(shí)現(xiàn)的。在給定總線上，單個(gè)指令周期內(nèi)只能進(jìn)行一個(gè)操作，因此在同一周期內(nèi)，CPU核不可能既從代碼存儲器總線上取指令，又從代碼空間的數(shù)據(jù)表中取出存儲器操作數(shù)。

有人可能會認(rèn)為采用Harvard結(jié)構(gòu)的MAXQ微控制器也不能在代碼空間內(nèi)存儲數(shù)據(jù)。實(shí)際上，每一款MAXQ器件都內(nèi)嵌了ROM工具，因此很容易實(shí)現(xiàn)表項(xiàng)查找操作。

代碼空間的表查找

從代碼空間的MAXQ表中讀取一個(gè)數(shù)值看似簡單，然而對于不熟悉MAXQ架構(gòu)的編程人員來說，第一次嘗試該操作時(shí)通常會失敗。

IncorrectTableLookup:
move dp[0], #w:StartOfTable
move acc, @dp[0]
.
.
.
ret
.
.
.
StartOfTable:
dc16 01234h
dc16 05678h
dc16 098abh
dc16 0cdefh

上述代碼能很順利地完成匯編，但是執(zhí)行完第二條指令之后，累加器的值幾乎不可能是0x1234。原因很簡單，Von Neumann結(jié)構(gòu)只有一個(gè)單獨(dú)的存儲空間，一條指令根據(jù)操作的需要可能花費(fèi)多個(gè)指令周期，而MAXQ與此不同，其move , @dp[0]指令在單個(gè)周期內(nèi)隱含地訪問數(shù)據(jù)空間并完成指令操作，即從代碼空間取指令，并從數(shù)據(jù)空間讀取數(shù)據(jù)。裝載到累加器中的數(shù)值是存儲于數(shù)據(jù)空間的數(shù)據(jù)，只不過該數(shù)據(jù)的偏移量和代碼空間的StartOfTable相同。

這個(gè)問題剛開始似乎很難解決。畢竟，訪問代碼空間需要一定的時(shí)間；CPU核不能將兩次存儲器訪問壓縮在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，即使架構(gòu)允許這樣。然而，如果我們了解了MAXQ架構(gòu)的微控制器如何將物理存儲模塊映射到不同存儲空間的一些細(xì)節(jié)信息，并借助于固定用途ROM中的一些程序，就可以解決這一問題。

首先，在MAXQ架構(gòu)中，將物理存儲模塊映射至代碼空間和數(shù)據(jù)空間的方式不是固定的，而是取決于正在訪問的物理存儲模塊。編程人員為大多數(shù)MAXQ微控制器所編寫的代碼都運(yùn)行于閃存空間內(nèi)，通常他們將其軟件連接到代碼空間的地址0處。編程人員會認(rèn)為RAM也是從數(shù)據(jù)空間的地址0開始的，事實(shí)也的確如此。

但是，MAXQ微控制器還有另一塊物理存儲器，即固定用途ROM。所有MAXQ微控制器的固定用途ROM都位于代碼空間的地址0x8000。用戶代碼可以調(diào)用固定用途ROM中0x8000頁面的程序，執(zhí)行特定的函數(shù)。并且，只要執(zhí)行固定用途ROM中的程序，用戶代碼存儲器即被重新映射到數(shù)據(jù)空間的一個(gè)新地址上。

開始執(zhí)行固定用途ROM的程序后，可以繼續(xù)訪問數(shù)據(jù)空間以地址0x0000開始的數(shù)據(jù)RAM，而代碼存儲器卻被重新映射到數(shù)據(jù)空間以地址0x8000開始的位置。因?yàn)榇a閃存映射到了數(shù)據(jù)空間，運(yùn)行的固定用途ROM代碼可以像訪問數(shù)據(jù)一樣訪問存儲于用戶代碼中的數(shù)據(jù)信息。通過固定用途ROM函數(shù)，可簡單地通過指針寄存器間接讀取數(shù)據(jù)并返回結(jié)果。 因此，將上面給出的程序稍作改動后得到：

BetterTableLookup:
move dp[0], #w:StartOfTable + 08000h
call UtilityROMGetDP0
.
.
.
ret
.
.
.
StartOfTable:
dc16 01234h
dc16 05678h
dc16 098abh
dc16 0cdefh

在本例程中，調(diào)整待讀取的地址，以反映執(zhí)行固定用途ROM程序時(shí)閃存的映射地址，然后將其裝入DP[0]。這里采用了調(diào)用固定用途ROM程序的方法，而不是直接讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)然，直接讀取數(shù)據(jù)只占用一個(gè)指令周期，而這一操作則占用了四個(gè)指令周期：2個(gè)周期用于長調(diào)用，1個(gè)周期用于讀取數(shù)據(jù)，1個(gè)周期用于返回操作。

這個(gè)代碼例程存在的更大問題是不能進(jìn)行匯編操作！標(biāo)記UtilityROMGetDP0沒有定義，造成這一結(jié)果的原因很簡單：各款MAXQ微控制器的實(shí)用程序地址是不同的。事實(shí)上，甚至不能保證這些程序在特定MAXQ器件的不同版本中位于相同的位置！

為解決這一問題，每一款MAXQ微控制器的固定用途ROM都包含一個(gè)固定用途函數(shù)的地址表，以及一個(gè)指向該表的指針，該指針的地址固定為0x800D。需明確指出的是，固定用途ROM包含以下代碼：

org 0800Dh
dw UtilityFunctionTable
.
.
.
UtilityFunctionTable:
.
.
.
dw GetDP0
dw GetDP0Inc
dw GetDP0Dec
dw GetDP1
dw GetDP1Inc
dw GetDP1Dec
dw GetBP
dw GetBPInc
dw GetBPDec

注意：第一，固定用途函數(shù)表由地址組成，而不是指令。因此，編程人員必須提取地址并call它，而不能簡單地跳轉(zhuǎn)至該表。第二，第一個(gè)存儲器函數(shù)也許不是該表的入口。由于每款MAXQ微控制器包含不同類型和容量的存儲器以及不同的外設(shè)，每款器件很有可能包含不同的函數(shù)列表，函數(shù)在表中具有不同的相對偏移量。例如，MAXQ3120在第1個(gè)表查找程序之前，有3個(gè)與閃存編程有關(guān)的固定用途程序。

3個(gè)指針寄存器各自都有3個(gè)相關(guān)的函數(shù)，總計(jì)有9個(gè)表查找函數(shù)。每個(gè)指針寄存器的第一個(gè)函數(shù)只是提取位于給定地址的數(shù)據(jù)，而后兩個(gè)函數(shù)分別采用后遞增和后遞減形式的間接裝載。在每一種情況下，都將提取到的數(shù)據(jù)裝載到GR寄存器中。

現(xiàn)在，代碼可改為如下形式：

CorrectTableLookup:
move dp[0], #0800Dh ; Point to pointer to function table
move acc, @dp[0] ; acc now has pointer to ftable
add #3 ; For MAXQ3120 and 2000, GetDP0
move dp[0], acc ; Load ptr + offset to dp0
move a[1], @dp[0] ; Get address of GetDP0 into A1
move dp[0], #StartOfTable + 08000h
call a[1] ; This will call GetDP0, finally!
.
.
.
ret
.
.
.
StartOfTable:
dc16 01234h
dc16 05678h
dc16 098abh
dc16 0cdefh

需注意，一旦找到GetDP0程序的地址，即可將該地址存放起來并重復(fù)使用。上述前5條指令只需要執(zhí)行一次；然后，每次訪問表數(shù)據(jù)操作只需要三個(gè)指令周期：調(diào)用，讀取(運(yùn)行固定用途ROM內(nèi)的程序)，返回(也運(yùn)行固定用途ROM內(nèi)的程序)。

將數(shù)據(jù)表從閃存拷貝到RAM
將整個(gè)表從閃存拷貝到RAM的方法之一是利用表的讀函數(shù)實(shí)現(xiàn)。例如，如果在BP中給出了目標(biāo)地址，那么拷貝方法如下：

SlowTableMove:
move dp[0], #0800Dh ; Point to pointer to function table
move acc, @dp[0] ; acc now has pointer to ftable
add #4 ; For MAXQ3120 and 2000, GetDP0Inc
move dp[0], acc ; Load ptr + offset to dp0
move a[1], @dp[0] ; Get address of GetDP0 into A1
move dp[0], #StartOfTable + 08000h
move bp, #RAMDest ; Set this label to desired dest
move offs, #0ffh ; Pre-decremented offset
move lc[0], #4 ; Move four words
TableMoveLoop:
move dp[0], dp[0] ; Set source pointer
call a[1] ; This will call GetDP0inc
move @bp[++offs], gr ; Store retrieved word to dest
djnz lc[0], TableMoveLoop
.
.
.
ret
.
.
.
StartOfTable:
dc16 01234h
dc16 05678h
dc16 098abh
dc16 0cdefh

如上文所述，前5條指令只需要執(zhí)行一次，此后可根據(jù)需要多次執(zhí)行表操作，GetDP0inc子程序地址始終保存在A1中。每次執(zhí)行表操作需要6個(gè)指令周期外加建立開銷。

加入move dp[0], dp[0]指令是MAXQ架構(gòu)的特殊性要求的。由于數(shù)據(jù)空間只有一條地址總線，因此必須在讀數(shù)據(jù)空間操作的前1個(gè)周期先將地址建立起來。在表操作循環(huán)中，對DP[0]給出的地址進(jìn)行讀操作，然后在總線上放置寫地址。如果沒有move dp[0], dp[0]指令，當(dāng)讀取表中下一個(gè)地址的數(shù)據(jù)時(shí)，寫地址會仍然占據(jù)總線。通過插入這條明顯的空指令，可以為預(yù)期的下一個(gè)讀操作刷新源操作數(shù)地址總線。

然而，還有一個(gè)更好的方法完成該拷貝任務(wù)。固定用途ROM中包括一個(gè)能實(shí)現(xiàn)上述相同功能的copyBuffer程序，而且所占用的指令周期更少。copyBuffer程序在固定用途ROM中位于表查找程序的后面。

FasterTableMove:
move dp[0], #0800Dh ; Point to pointer to function table
move acc, @dp[0] ; acc now has pointer to ftable
add #12 ; For MAXQ3120 and 2000, copyBuffer
move dp[0], acc ; Load ptr + offset to dp0
move a[1], @dp[0] ; Get address of GetDP0 into A1
move dp[0], #StartOfTable + 08000h
move bp, #RAMDest ; Set this label to desired dest
move offs, #0 ; No need to pre-decrement offset
move lc[0], #4 ; Move four words
call a[1] ; This will call copyBuffer
.
.
.
ret
.
.
.
StartOfTable:
dc16 01234h
dc16 05678h
dc16 098abh
dc16 0cdefh

copyBuffer程序?qū)⒚看伪聿僮鞯闹芷跀?shù)減至3個(gè)，比之前提到的方法節(jié)省了約一半時(shí)間。當(dāng)從copyBuffer程序返回時(shí)，LC[0]清零，OFFS寄存器指向最近一次寫目標(biāo)地址的下一個(gè)位置。因?yàn)镺FFS是一個(gè)8位寄存器，因此用這種方法可以拷貝多達(dá)256字的表。

實(shí)例：字符串輸出
在許多基于微控制器的應(yīng)用中，通常都要將預(yù)存的消息輸出到控制臺。每條消息都指定了一個(gè)編號，必須由一個(gè)通用程序?qū)⒃摼幪栟D(zhuǎn)換成消息文本。
完成該任務(wù)通常采用每個(gè)消息字符串以0結(jié)尾的技術(shù)，同時(shí)提供一個(gè)表，以便將各消息編號轉(zhuǎn)換成消息字符串的首地址。這項(xiàng)技術(shù)非?？煽亢涂焖?，但必須建立兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：地址表及字符串本身。另一項(xiàng)技術(shù)是簡單地將以0結(jié)尾的各字符串存入一個(gè)大的、毗鄰的存儲器空間，并采用線性查找。雖然該方法比較簡單，但卻是以花費(fèi)大量執(zhí)行時(shí)間為代價(jià)的，因?yàn)樵谳敵鲋?，必須找到目?biāo)字符串里的每一個(gè)字符。

還有一種較好的折衷辦法，即字符串采用按長度劃界的方法取代以0劃界的方法。采用這種技術(shù)，首先給出每個(gè)字符串的長度，然后緊接著是該消息的實(shí)際字節(jié)信息。這樣一來，可以快速跳過不用的信息，并且該表的長度沒有以0劃定界限的長。這種折衷技術(shù)的局限性僅在于表中的每個(gè)字符串長度不能超過255個(gè)字符。

;
; Output String
;
; Enter with ACC=an index value (one based) indicating which
; string to output.
;
; On exit, LC0=0, DPC=0, ACC, A1, A2, DP0 used.
;
output_string:
move lc[0], acc ;Set LC0 to index of string
move dpc, #4 ;Set DP0 to word mode
move dp[0], #800dh ;Point to table of pointers
move acc, @dp[0] ;Get address of table
add #3 ;Offset to GETDP0 routine
move dp[0], acc ;Load pointer to table
move a[1], @dp[0]++ ;Get GETDP0
move a[2], @dp[0] ;Get GETDP0INC
move dpc, #0 ;Set DP0 to byte mode
move dp[0], #string_table + 8000h

str_search_loop:
call a[1] ;Get a string length
djnz lc[0], next_str ;If not this string, go to next
move lc[0], gr ;Otherwise, put len in LC0
move acc, @dp[0]++ ;...and point past length

out_loop:
call a[2] ;Get a char and bump pointer
call char_out ;Output the character
djnz lc[0], out_loop ;If more characters, loop
ret ;Otherwise, were done.

next_str:
move acc, gr ;GR contains len of this string
add dp[0] ;Add current ptr to current len...
move dp[0], acc ;...to create a new pointer
jump str_search_loop ;Jump back and test index again

;
; Each entry in the string table begins with the string length
; followed by the string characters.
;
string_table:
dc8 string1 - string_table
dc8 "This is the first string."
string1:
dc8 string2 - string1
dc8 "This is a second example of a string"
string2:
dc8 string3 - string2
dc8 "A third string."
string3:
dc8 string4 - string3
dc8 "Finally, a fourth string in the array!!!"
string4: