4924 subscribers

Микроконтроллеры для начинающих. Часть 14. Знакомство в системой команд. Флаги и статусы

841 full read
1,5k story viewsUnique page visitors
841 read the story to the endThat's 54% of the total page views
2 minutes — average reading time

Мы много сил и времени потратили на изучение того, как встроенная ЭВМ микроконтроллера работает а памятью. Пришло время сделать следующий шаг - начать знакомство с командами, которые собственно и работают с данным хранящимися в памяти.

Однако, перед этим нам нужно немного подробнее разобраться с флагами, или состояниями. Эта информация нам будет часто требоваться и, что бы потом не отвлекаться, начнем с нее.

Нужно отметить, что флаги/статусы являются лишь частью общего понятия "состояние процессора" и еще более объемлющего "состояние машины". Регистр, или даже набор регистров, состояния используется не только для получения информации, но и для управления. Например, для задания приоритета процессора, включения разных режимов управления отображением памяти, управления работой отдельных узлов процессора.

Поэтому разрядность регистров состояния зачастую превышает восемь бит. А сами регистры называются PSW (processor status word), слово состояния процессора, или MSW (machine status word), слово состояния машины.

Однако, мы рассматриваем всего лишь 8 битные микроконтроллеры и здесь все гораздо проще.

Флаги, они же статусы

Давайте немного вспомним, как они называются в разных микроконтроллерах и посмотрим, какую информацию они хранят

Форматы регистров статуса/флагов различных микроконтроллеров. Иллюстрация моя
Форматы регистров статуса/флагов различных микроконтроллеров. Иллюстрация моя
Форматы регистров статуса/флагов различных микроконтроллеров. Иллюстрация моя

Флаг С - перенос/заем

В своем эталонном значении этот флаг означает тоже самое, что всем прекрасно знакомо по школьному сложению и вычитанию столбиком. Когда мы складывали две цифры и результат сложения был больше 9 то мы выполняли перенос. А если вычитаемое было больше уменьшаемого, то приходилось выполнять заем.

Но в нашем случае, когда ЭВМ работает данным размеров в один байт, установленный флаг С означает, что в результат операции занимает более одного байта и возник перенос из старшего разряда, или заем в старший разряд байта

Перенос из старшего разряда и заем в старший разряд. Иллюстрация моя
Перенос из старшего разряда и заем в старший разряд. Иллюстрация моя
Перенос из старшего разряда и заем в старший разряд. Иллюстрация моя

Это пример сложения и вычитания, самых привычных арифметических операций. Важно отметить, что перенос/заем это НЕ ошибка. Этот флаг используется для сложения и вычитания многобайтовых чисел. Точно так же, как мы поступали в школе.

На самом деле, существуют и междуразрядные переносы/заемы. Но их не видно, так специальный флаг существует только для переноса из старшего разряда. О единственном исключении речь пойдет немного позже.

В современных ЭВМ флаг переноса используется не только в арифметических операциях. Так в операциях сдвигов и циклических сдвигов (вращений) содержимое этого флага принимает активное участие в выполнении операции, о чем я подробнее расскажу, когда мы доберемся до этих операций.

Используют этот флаг и программисты, в своих прикладных целях. Так установленный флаг С может означать, что при выполнении процедуры произошла ошибка. Или он используется для хранения передаваемого/возвращаемого значения истина/ложь.

Это очень часто используемый флаг.

Флаг DC или H - перенос между тетрадами

Это то самое единственное исключение, о котором я говорил. Нам доступно состояние переноса/заема внутри байта. А точнее, между его половинами, которые и называются тетрадами (тетра - четыре)

Микроконтроллеры для начинающих. Часть 14. Знакомство в системой команд. Флаги и статусы

Зачем же понадобился признак переноса внутри байта? Дело в том, что существует специальный формат представления информации, называемый BCD. При этом каждая тетрада хранит одну десятичную цифру. То есть, байт хранит два десятичных разряда. При выполнении арифметических операций над данными в таком формате может возникнуть ситуация, когда содержимое тетрады выходит за диапазон 0-9. Вот эта ситуация и отображается флагами DC или H.

Это редко используемый флаг.

Флаг Z - нулевой результат

Если в результате операции у нас получился байт, в котором все биты нулевые, то будет установлен флаг Z. Важно отметить, что установленный флаг Z вовсе не означает, что результат действительно равен 0! Ведь при этом может быть еще и установлен флаг С, а значит результат вполне может оказаться равным 100000000 (9 разрядов). Флаг Z показывает только то, что все 8 бит байта результата нулевые.

Это часто используемый флаг.

Флаг OV или V - переполнение

Этот флаг имеет смысл только при работе со знаковыми числами. Причем для многобайтовых чисел только при операциях со старшими байтами. И означает он, что знак результата во время операции принял неверное значение. А значит, и весь результат ошибочный. Например, при сложении двух положительных чисел результат получился отрицательным.

Как такое возможно? Что бы понять это, нужно разобраться, как в ЭВМ представляются не просто числа, а числа имеющие знак. То есть, положительные и отрицательные. Самый старший бит байта, если его содержимое считается знаковым, показывает знак числа. При этом отрицательные числа представлены в дополнительном коде.

Представление знаковых чисел в ЭВМ. Иллюстрация моя
Представление знаковых чисел в ЭВМ. Иллюстрация моя
Представление знаковых чисел в ЭВМ. Иллюстрация моя

То есть, для знакового числа выделяется не 8, а всего 7 бит в байте. Если знаковый бит равен 0, то число считается положительным и оставшиеся 7 бит и являются собственно числом. Если знаковый бит равен 1, то число считается отрицательным, при этом его значением является число, которое нужно прибавить к числу в оставшихся семи битах, что бы получился ноль.

Сложно? На самом деле все просто. Давайте посмотрим, как же нам разобраться с числом -59 из примера выше. Инвертируем все разряды нашего числа и получим 00111010. Теперь прибавим единицу и получим 00111011, то есть как раз 59. И наше отрицательное число и будет -59.

Точно так же выполняется и обратное "кодирование". То есть, снова инвертируем все биты и прибавляем 1. Вот так все просто и легко.

А теперь собственно пример с возникновением переполнения

Возникновение переполнения при сложении знаковых чисел. Иллюстрация моя
Возникновение переполнения при сложении знаковых чисел. Иллюстрация моя
Возникновение переполнения при сложении знаковых чисел. Иллюстрация моя

Видите? Мы выполняли сложение двух положительных чисел, но результат отрицательный. На самом деле переполнение это тоже межразрядный перенос/заем. Только перенос возник в знаковый бит, или заем из знакового бита. А если еще точнее, то флаг переполнения устанавливается в ситуации, когда количество переносов в знаковый разряд не равно количеству переносов из знакового разряда. И рассматривать флаг V нужно в совокупности с флагом C.

Еще раз подчеркну, что флаг переноса имеет смысл только при работе со знаковыми числами. Этот флаг используется относительно редко. И в большинстве случаем его установка означает ошибку. Не все микроконтроллеры имеют флаг переполнения, так в PIC (кроме PIC18), этот флаг отсутствует.

Флаг N - отрицательный результат

Этот флаг тоже имеет смысл только в случае работы со знаковыми числами. Фактически, его значение просто равно знаковому биту результата. По большому счету, вместо проверки данного флага мы можем с тем же успехом проверять бит 7 байта(знаковый). Однако, существуют команды условных переходов, которые работают как раз с флагом N и не выполняют дополнительных проверок байта данных.

Данный флаг иногда может использоваться и с беззнаковыми числами, например, вместе с командами сдвигов и циклических сдвигов. Но это нетипичное применение и используется редко. Данный флаг отсутствует в PIC (кроме PIC18), но проблем это не вызывает, в силу специфичности их системы команд.

Довольно часто используемый флаг.

Флаг S - знак

Этот флаг специфичен для AVR. Его значение равно результату операции Исключающее ИЛИ между битами N и V. Используется, например, в командах условных переходов, таких как BRGE (переход если больше или равно) при работе со знаковыми числами.

Флаг Т - хранилище копии

Еще один специфичный для AVR флаг. Используется в командах BLD и BSD позволяющих позволяющих загрузить в заданный бит регистра R0-R31 содержимое флага Т, или сохранить заданный бит регистра в флаге Т.

Заключение

Сегодняшняя статья получилась короткой и легкой. Но она важна для нас, так как почти все команды, которые мы будем изучать в дальнейшем, оказывают влияние на флаги состояния. А флаги оказывают влияние на выполнение некоторых команд. И для понимания нам будут очень нужны эти сведения.

До новых встреч!