Utiliser les PIC 16F et 18F/Arithmétique et assembleur

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Architecture pour le calcul

Pouvoir réaliser un calcul est le minimum que l’on demande à un Microcontrôleur. L'élément de base pour cela est l'UAL : Unité arithmétique et logique.

Unité arithmétique et logique

Le symbole graphique associé à une Unité Arithmétique et Logique est assez caractéristique :

Il présente deux entrées A et B et une sortie R. La sortie R est fonction des deux entrées A et B et d'un code de sélection présent sur l'entrée F. La sortie D met à jour des drapeaux, ce qui sera expliqué plus tard.

Architecture simplifiée de notre PIC

La décomposition d'un processeur en chemin de données et unité de contrôle est abordée dans un autre projet, et si cela vous intéresse, lisez particulièrement le chapitre 4 et le chapitre 5 (de cet autre projet).

Nous allons donner un schéma du chemin de données qui reprend l’ensemble de ce que l’on a vu jusqu'à maintenant.

Architecture simplifiée de notre PIC

Comme on peut le remarquer, la sortie de l’Unité Arithmétique et Logique (ALU) peut être dirigée soit vers l’accumulateur, soit vers le banc de registres (chemins en bleu). Le chemin en rouge représente le fait qu'une partie de l'instruction est utilisée pour positionner correctement la sélection de l'ALU. Les deux chemins bleus désignent quant à eux les deux possibilités quant au cheminement d'un résultat de calcul : soit l’accumulateur W soit le banc de registres ou la mémoire RAM.

Remarque

Le schéma porte bien son nom, il est simplifié. En effet, il doit être possible de laisser cheminer des données de la mémoire programme vers l'ALU lors d'un adressage immédiat (littéral), ce qui n’est pas présenté.

L'interrupteur de sélection de la sortie de l'ALU est vers le bas pour d=0 (voir les instructions pour la signification de d) ou en adressage immédiat (ou littéral). Il est vers le haut pour d = 1.

Quelques nouvelles instructions

La série des 16FXXX possède 35 instructions au total. Elles sont présentées en annexe en fin de ce document. Nous commençons par présenter les instructions liées à l'arithmétique.

Rappels sur la représentation des nombres

Relisez l’article sur le système binaire pour commencer.

L’unité centrale connaît trois représentations des nombres :

• Nombres entiers non signés (Unsigned Integer): Un octet peut avoir des valeurs entre 0 et 255 ($FF), un mot entre 0 et 65535 ($FFFF).
• Nombres entiers signés complément à 2 (Two’s complement). Un octet peut avoir des valeurs entre -128 ($80) et +127 ($7F), un mot entre -32768 ($8000) et 32767 ($7FFF). Le bit de poids fort indique toujours le signe.
• Décimal codé binaire (BCD Binary Coded Decimal): Un octet contient deux chiffres décimaux. Les bits 7,6,5,4 contiennent le chiffre de poids fort, les bits 3,2,1,0 contiennent le chiffre de poids faible. Un octet peut donc avoir des valeurs entre 0 ($00) et 99 ($99). Comme beaucoup de micro-contrôleur, le PIC (16F84) gère ce format à travers la demi-retenue (bit DC du registre Status).

Les instructions arithmétiques du 16F84

Nous présentons les instructions qui de près ou de loin, ont un rapport avec les calculs arithmétiques.

Opérations arithmétiques
Mnémonique Opérande	Description	Cycles	14 bits Opcode	status affected	notes
CLRF f	mise à 0 de f	1	00 0001 1fff ffff	Z	2
INCF f,d	Incrémente f	1	00 1010 dfff ffff	Z	1,2
DECF f,d	Décrémente f	1	00 0011 dfff ffff	Z	1,2
ADDLW k	Addition de W et k	1	11 111x kkkk kkkk	C,DC,Z
ADDWF f,d	Additionne W et f	1	00 0111 dfff ffff	C,DC,Z	1,2
SUBLW k	retire W du littéral	1	11 110x kkkk kkkk	C,DC,Z
SUBWF f,d	soustrait W de f	1	00 0010 dfff ffff	C,DC,Z	1,2

Sauf spécification contraire, d vaut toujours, au choix :

• 0 la destination est W et le contenu de l’emplacement mémoire n’est pas modifié.
• 1 la destination est f (la lettre f) : dans ce cas le résultat est stocké dans l’emplacement mémoire.

Remarque

La majorité des processeurs comportent deux instructions d'addition, avec et sans retenue (généralement appelées ADD et ADC). Pour le PIC ce n’est pas le cas. En cas de retenue, il faut utiliser un test et une incrémentation. Voici comment Microchip fait une addition sur 16 bits dans sa note d'application AN526 :

	; Double Precision Addition ( ACCb + ACCa -> ACCb )
D_add 	movf ACCaLO,W
	addwf ACCbLO, F ; add lsb
	btfsc STATUS,C
	incf  ACCbHI, F
	movf  ACCaHI,W
	addwf ACCbHI, F
	retlw 0

L'instruction de branchement conditionnel btsfc est présentée au chapitre suivant.

Plus loin avec l'assembleur

Un programme commence normalement à l'adresse 0. Mais pour différentes raisons, il se peut que ce ne soit pas le cas.

Les vecteurs

• Après un reset ou un démarrage le PIC (16F84) démarre en adresse 0.
• L'adresse 0x004 étant réservée aux interruptions, un programme aura souvent une structure :

	org 0x000 ; Adresse de départ après reset 
	goto start ; Adresse 0: initialiser
	...
	org 0x005 ; >=5 ici
start
	END

"start" est une étiquette.

Définition

On appelle étiquette un nom symbolique destiné à représenter une adresse. L'adresse représentée n’est pas forcément explicite, mais elle peut toujours être calculée d'une manière ou d'une autre. L'assembleur la calculera facilement, mais vous devez pouvoir aussi le faire.

Tout programme se termine par la directive END. Voici un programme complet qui utilise une instruction goto facile à expliquer et présentée dans le chapitre suivant.

	; {{Unité|64|octets}} en access RAM
	CBLOCK 0x0C ; début de la zone variables sur 16F84
		w_temp :1 ; Zone de 1 byte 
		status_temp : 1 ; zone de 1 byte 
		mavariable : 1 ; je déclare ma variable 
	ENDC ; Fin de la zone 
	org 0x000 ; Adresse de départ après reset 
	goto start; Adresse 0: initialiser 
	org 0x005	 ; après l'interruption 
	start 
	 	clrf mavariable 
	boucle 
    		incf mavariable,1 ;incf mavariable,f ->f 
    		goto boucle 
	END

On distingue dans ce programme deux étiquettes (start et boucle), une définition symbolique des variables, un commentaire et la définition de l'origine du programme.

Règle sur le début de nos programmes

Tous nos programmes devront commencer à l'adresse 0x000 mais ne commenceront pas forcément par un "goto start" comme dans cet exemple :

	; {{Unité|64|octets}} en access RAM
	CBLOCK 0x0C ; début de la zone variables sur 16F84
		w_temp :1 ; Zone de 1 byte 
		status_temp : 1 ; zone de 1 byte 
		mavariable : 1 ; je déclare ma variable 
	ENDC ; Fin de la zone 
	org 0x000 ; Adresse de départ après reset 
	start 
	 	clrf mavariable 
	boucle 
    		incf mavariable,1 ;incf mavariable,f ->f 
    		goto boucle 
	END

Introduction aux PIC 18F

Tout ce qui a été présenté dans ce chapitre est pratiquement identique pour le PIC 18F. Ce qui change est le modèle mémoire RAM. Les instructions sont identiques mais leurs Opcode sont maintenant sur 16 bits (au lieu de 14). Cela veut dire que vous ne pourrez pas utiliser un fichier hexadécimal (.hex) compilé pour un 16F avec un 18F : il faut ré assembler.

Les banques des 18FXXXX

La série des 18F dispose de 16 banques sélectionnées par les 4 bits de poids faible du registre BSR. Mais le changement de banque se fait maintenant en une seule instruction :

movlb 0x01; en banque 1

Probablement pour des raisons de compatibilité, l’adressage direct sur plusieurs banques du 16F est encore présent. La terminologie microchip est loin d’être claire à ce sujet : ce qui se passait sur la série des 16F est appelé "banked" et la nouveauté du 18F "access bank". Pour éviter toute confusion dans ce document j'utiliserai "access RAM" pour le nouveau mode d'adressage et "banked "pour l'ancien mode. Le mode "access RAM" permet d’avoir 256 emplacements toujours identiques :

• de l'adresse 0 à l'adresse 0x5F on dispose de cases mémoires (soit 60h=96 cases mémoire)
• de l'adresse 0x60 à 0xFF les registres SFR (de la banque 15)

Tout ceci se traduira par l'apparition d'un a dans les instructions (voir Structure for (boucle avec compteur) du chapitre suivant qui présente deux instructions du 18F)

Le banc de registres

Le banc de registres est très différent de la série 16F. Voici le contenu partiel de ce banc :

Addr	Name	Bit 7	Bit 6	Bit 5	Bit 4	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0	Value on Power-on Reset
FFFh	TOSU	-	-	-	TOS<20:16>					---0 0000
FFEh	TOSH	TOS<15:8>								0000 0000
FFDh	TOSL	Haut de pile (Top of stack = TOS) : poids faible TOS<7:0>								0000 0000
FFBh	PCLATU	-	-	bit21	PC<20:16>					---0 0000
FFAh	PCLATH	PC<15:8>								0000 0000
FF9h	PCL	Compteur programme (8 bits de poids faible) PC<7:0>								0000 0000
FF2h	INTCON	GIE/ GIEH	PEIE/ GIEL	TMR0IE	INT0IE	RBIE	TMR0IF	INT0IF	RBIF	0000 000x
FF1h	INTCON2	/RBPU	INTEDG0	INTEDG1	-	-	TMR0IP	-	RBIP	111- -1-1
FF0h	INTCON3	INT2IP	INT1IP	-	INT2IE	INT1IE	-	INT2IF	INT1IF	11-0 0-00
FE8h	WREG									xxxx xxxx
FD8h	STATUS	-	-	-	N	OV	Z	DC	C	---x xxxx
FD7h	TMR0H	TIMER0 <15:8>								0000 0000
FD6h	TMR0L	TIMER0 <7:0>								xxxx xxxx
FD5h	T0CON	TMR0ON	T08Bit	T0CS	T0SE	PSA	T0PS2	T0PS1	T0PS0	1111 1111
FCFh	TMR1H	TIMER1 <15:8>
FCEh	TMR1L	TIMER1 <7:0>
F9Eh	PIR1	SPPIF	ADIF	RCIF	TXIF	SSPIF	CCP1IF	TMR2IF	TMR1IF
	TRISC
F93h	TRISB									1111 1111
F92h	TRISA	-								-111 1111
F8Ah	LATB									xxxx xxxx
F89h	LATA	-								-xxx xxxx
	PORTC						RC2/CCP1
F81h	PORTB	RB7/PGD	RB6/PGC	RB5/PGM	RB4	RB3/ CANRX	RB2/CANTX/INT2	RB1/INT1	RB0/INT0	xxxx xxxx
F80h	PORTA	-	RA6/CLKO/OSC2	RA5/ AN4	RA4/ TOCKI	RA3/AN3/Vref+	RA2/AN2/Vref-	RA1/ AN1	RA0/AN0/CVref	-x0x 0000
07h	----	Non implémenté
08h	EEDATA	Registre de données EEPROM								xxxx xxxx
09h	EEADR	Registre d'adresses EEPROM								xxxx xxxx

On remarquera la disparition des banques ce qui facilite grandement la programmation.

Faites ces exercices : Arithmétique et assembleur.