= HF8V = / = SP8WJT = / = SP0106RZ =

HAVR

Project Info

HAVR to mój własny język programowania i interpreter tego języka instalowany na różnych małych systemach cyfrowych. Pierwsze próby były prowadzone na systemie HF-6060 (AT90S2313) na początku lat 2000. Miałem wtedy tylko ten jeden procesor i brakowało mi w nim pamięci. Powstał wtedy mikroskopijny system o rozmiarze pamięci programu 64 bajty i dosowy kompilator. System działał, ale miał niewielkie błędy. Następnie pierwszy działający w miarę bezbłędnie system powstał dla systemu HF-6048 a następnie na innych systemach. HAVR jest przydatny zwłaszcza na tych mikroprocesorach które nie mają możliwości wykonywania kodu w RAM.

Istnieją różne podwersje HAVR:

HAVR8 - pamięć programu 256 bajtów - najczęściej używany

HAVR6 - pamięć programu 64 bajtów - prowadzone są eksperymenty na ATTINY13 - raczej mało praktycznie przydatny

HAVR16 - pamięć programu 64KB - prowadzone są eksperymenty na STM32 - potencjalnie ciekawy ale daleko nie tak wydajny jak HAVR8

HAVR pozwala na konstruowanie bardzo wydajnych systemów cyfrowych z dużą ilością ustandaryzowanych funkcji wbudowanych i praktycznie nieograniczoną możliwości dodawania aplikacji zewnętrznych napisanych w HAVR. Ta ostatnia możliwość jest bardzo pożyteczna w mikroprocesorach AVR które nie pozwalają na wykonanie własnego kodu w RAM. Największą wadą są narzuty czasowe przebiegu pętli interpretera które wynoszą typowo co najmniej 1.375 us (@ 8MHz). Z tego powodu funkcje "szybkie" należy nadal pisać w języku danego mikroprocesora, natomiast mogą być wywoływane i kontrolowane przez HAVR.

Od strony sprzętowej minimalny system cyfrowy wykonany z systemem HAVR może mieć tylko buzzer jako urządzenie wyjściowe i kilka klawiszy klawiatury lokalnej lub zewnętrzny UART. Wszystkie komendy z systemu odbiera sie wtedy telegrafią za pomocą kodów HEX lub 3 literowych skrótów a funkcje wywołuje się za pomocą kodu HEX w tabeli Wektorów lub z Menu za pomocą 1-3 literowych skrótów. Obowiązuje wyłącznie format heksadecymalny poza nielicznymi wyjątkami.

HAVR jest językiem niskiego poziomu ma jednak sporo wbudowanych funkcji wysokiego poziomu, np. instrukcje dotyczące I2C, dlatego że HAVR od swoich początków był używany do programowania urządzeń zewnętrznych jak moduły PLL, RTC, itd...

W dalszej części nastąpi opis programistyczny standardów HAVR8, jako że inne podwersje nie mają obecnie praktycznego znaczenia.

Model programistyczny HAVR8

HAVR8 odznacza się bardzo wysoką wydajnością kodu. Jest to spowodowanhe faktem że 66% instrukcji to instrukcje jednobajtowe a jedyny tryb adresowy to 8-bitowy, absolutny. Najprostszy program może mieć typowo poniżej 10 bajtów (np. oscylator) a pamięć programu 256 bajtów zwykle nie jest cała wykorzystywana. Z uwagi na małą ilość instrukcji i prosty tryb adresowania programy można pisać nawet w kodzie maszynowym HAVR8 na kartce papieru.

DANE TECHNICZNE HAVR8

AKTUALNA WERSJA HAVR: 39
PAMIĘĆ PROGRAMU: 256 B (typowo pierwszy wolny w całości segment RAM, np. w ATMEGA8 0x100-0x1FF)
ILOŚĆ INSTRUKCJI: 70 (HF-6030), 72 (HF-6048), 80 (HF-6050, HF-6128, HF-6158)
MINIMALNY CZAS WYKONANIA INSTRUKCJI: 1.375us

Rejestry HAVR8:

REG	AVR REG	AVR ADR	REGISTER FUNCTION
A	r16	0x10	rejestr główny, akumulator
B	r17	0x11	dodatkowy rejestr dla wielu instrukcji arytmetycznych i logicznych
C	r18	0x12	licznik dla instrukcji LOOP
D	r19	0x13
E	r20	0x14
FLAG	r0	0x00	przepisywany z SREG po wykonaniu operacji arytmetycznych i bitowych
PC	r26, r27 (XL, XH)	0x1A-0x1B	licznik programu HAVR

Podczas implementacji HAVR8 na innych mikroprocesorach rejestry A-E powinny być rejestrami w których funkcje najczęściej przyjmują i zwracają parametry. Rejestr używany przez PC nie może być używany przez inne funkcje które w sposób jawny bądź niejawny mogą być wywołane przez HAVR.

Instrukcje HAVR8:

MNEMONIC	CODE	PARAM.	INSTRUCTION DESCRIPTION	REMARKS
END	0x00	0	Kończy działanie programu HAVR
LDA	0x01 imm8	1	Ładuje rejestr A konstantą	A <- imm8
LDB	0x02 imm8	1	Ładuje rejestr B konstantą	B <- imm8
LDC	0x03 imm8	1	Ładuje rejestr C konstantą	C <- imm8
LDD	0x04 imm8	1	Ładuje rejestr D konstantą	D <- imm8
LDE	0x05 imm8	1	Ładuje rejestr E konstantą	E <- imm8
PHA	0x06	0	Odkłada rejestr A na stos	stack <- A
PPA	0x07	0	Przywraca rejestr A ze stosu	A <- stack
PHB	0x08	0	Odkłada rejestr B na stos	stack <- B
PPB	0x09	0	Przywraca rejestr B ze stosu	B <- stack
PHC	0x0A	0	Odkłada rejestr C na stos	stack <- C
PPC	0x0B	0	Przywraca rejestr C ze stosu	C <- stack
PHD	0x0C	0	Odkłada rejestr D na stos	stack <- D
PPD	0x0D	0	Przywraca rejestr D ze stosu	D <- stack
PHE	0x0E	0	Odkłada rejestr E na stos	stack <- E
PPE	0x0F	0	Przywraca rejestr E ze stosu	E <- stack
NOP	0x10	0	Brak operacji
RPA	0x11	0	Odczytuje PORTA do rejestru A [*]	A <- PORTA
RPB	0x12	0	Odczytuje PORTB do rejestru A [*]	A <- PORTB
RPC	0x13	0	Odczytuje PORTC do rejestru A [*]	A <- PORTC
RPD	0x14	0	Odczytuje PORTD do rejestru A [*]	A <- PORTD
WPA	0x15	0	Zapisuje PORTA z rejestru A [*]	PORTA <- A
WPB	0x16	0	Zapisuje PORTB z rejestru A [*]	PORTB <- A
WPC	0x17	0	Zapisuje PORTC z rejestru A [*]	PORTC <- A
WPD	0x18	0	Zapisuje PORTD z rejestru A [*]	PORTD <- A
ADD	0x19	0	Dodaje zawartość rejestru B do rejestru A [^]	A <- (A + B) [^]
SUB	0x1A	0	Odejmuje zawartość rejestru B od rejestru A [^]	A <- (A - B) [^]
AND	0x1B	0	Wykonuje bitowe AND na rejestrze A i rejestrze B [^]	A <- (A AND B) [^]
OR	0x1C	0	Wykonuje bitowe OR na rejestrze A i rejestrze B [^]	A <- (A OR B) [^]
XOR	0x1D	0	Wykonuje bitową różnicę symetryczną na rejestrze A i rejestrze B [^]	A <- (A XOR B) [^]
NEG	0x1E	0	Wykonuje arytmetyczną negację na rejestrze A [^]	A <- (NEG A) [^]
NOT	0x1F	0	Wykonuje bitową negację na rejestrze A [^]	A <- (NOT A) [^]
LSL	0x20	0	Wykonuje przesunięcie bitowe na rejestrze A w lewo [^]	A <- (A << 1) [^]
LSR	0x21	0	Wykonuje przesunięcie bitowe na rejestrze A w prawo [^]	A <- (A >> 1) [^]
DEC	0x22	0	Wykonuje zmniejszenie o 1 rejestru A [^]	A <- (A - 1) [^]
INC	0x23	0	Wykonuje zwiększenie o 1 rejestru A [^]	A <- (A + 1) [^]
INT	0x24 vect8	1	Wywołuje podany wektor przerwania softwarowego	PC <- (@INT)
I2CRD	0x25	0	Odczytuje bajt z magistrali I2C do rejestru A
I2CIT	0x26	0	Inicjacja magistrali I2C
I2CST	0x27 imm8	1	Nadaje warunek START na magistrali I2C (należy podać adres I2C)
I2CWR	0x28 imm8	1	Zapisuje podany bajt do magistrali I2C
I2CSP	0x29	0	Nadaje warunek STOP na magistrali I2C
KBD	0x2A	0	Wprowadza znak ASCII z urządzenia wejściowego do rejestru A	A <- INPUT_DEVICE
CPBNE	0x2B imm8 aa8	2	Porównuje zawartość rejestru A z konstantą, skacze pod wskazany adres jeśli nierówne	if (A != imm8) PC <- aa8 else PC <- (PC + 3)
CALL	0x2C aa8	1	Wywołanie funkcji	stack <- (PC+2), PC <- aa8
RET	0x2D	0	Powrot z funkcji	PC <- stack
LOOP	0x2E aa8	1	Pętla z licznikiem w rejestrze C	if (C>0) PC <- aa8 else PC <- (PC + 2)
JMP	0x2F aa8	1	Skok pod 8 bitowy adres HAVR	uC PC <- aa16
GOTO	0x30 aa16h aa16l	2	Skok pod 16 bitowy adres w pamieci programu mikroprocesora (powrót do HAVR niemożliwy)	uC PC <- aa16
DEL20U	0x31	0	Softwarowe opóźnienie 20us
DEL100U	0x32	0	Softwarowe opóźnienie 100us
DEL1M	0x33	0	Softwarowe opóźnienie 1ms
ST0	0x34 aa8	1	Składuje rejestr A pod wskazany adres RAMSEG0 [**]	RAMSEG0(aa8) <- A
DEL10M	0x35	0	Softwarowe opóźnienie 10ms
DEL50M	0x36	0	Softwarowe opóźnienie 50ms
DEL100M	0x37	0	Softwarowe opóźnienie 100ms
DEL200M	0x38	0	Softwarowe opóźnienie 200ms
DEL500M	0x39	0	Softwarowe opóźnienie 500ms
DEL1	0x3A	0	Softwarowe opóźnienie 1s
DBG	0x3B	0	Debug Break - zatrzymuje wykonanie programu i wyświetla: PC, A, B, C, D, E
WRT	0x3C aa8	1	Zapisuje string do urządzenia wyjściowego spod wskazanego adresu	if(@aa8!=0) { @aa8->OUTPUT_DEVICE, aa8++}
WRS	0x3D imm8	1	Zapisuje kod błędu do urządzenia ERROR DEVICE	ERROR_DEVICE <- imm8
INS	0x3E	0	Wprowadza daną do rejestru A w formacie HEX z urządzenia wejściowego	A <- INPUT_DEVICE
DSP	0x3F	0	Zapisuje do urządzenia wyjściowego daną z rejestru A w formacie HEX	OUTPUT_DEVICE <- A
LD0	0x40 aa8	1	Ładuje rejestr A z RAMSEG0 [**]	A <- RAMSEG0(aa8)
WRI	0x41 aa8 imm8	2	Składuje konstantę pod wskazany adres RAMSEG0 [**]	RAMSEG0(aa8) <- imm8
LD	0x42 aa8	1	Ładuje rejestr A z pamięci programu HAVR (RAMSEG1)	A <- RAMSEG1(aa8)
ST	0x43 aa8	1	Składuje rejestr A do pamięci programu HAVR (RAMSEG1)	RAMSEG1(aa8) <- A
LD2	0x44 aa8	1	Ładuje rejestr A ze wskazanego adresu RAMSEG2	A <- RAMSEG2(aa8)
ST2	0x45 aa8	1	Składuje rejestr A pod wskazany adres RAMSEG2	RAMSEG2(aa8) <- A
LD3	0x46 aa8	1	Ładuje rejestr A ze wskazanego adresu RAMSEG3	A <- RAMSEG3(aa8)
ST3	0x47 aa8	1	Składuje rejestr A pod wskazany adres RAMSEG3	RAMSEG3(aa8) <- A
CPBLO	0x48 imm8 aa8	2	Porównuje zawartość rejestru A z konstantą, skacze pod wskazany adres jeśli niższa	if (A > imm8) PC <- aa8 else PC <- (PC+3)
RPE	0x49	0	Odczytuje PORTE do rejestru A [***]
RPF	0x4A	0	Odczytuje PORTF do rejestru A [***]
WPE	0x4B	0	Zapisuje PORTE z rejestru A [***]
WPF	0x4C	0	Zapisuje PORTF z rejestru A [***]
LDX	0x4D aa16h aa16l	2	Ładuje rejestr A z RAM wskazanego przez adres 16 bitowy [***]	A <- RAM(aa16)
STX	0x4E aa16h aa16l	2	Składuje rejestr A do RAM wskazanego przez adres 16 bitowy [***]	RAM(aa16) <- A
START	0xAA	0	Start programu HAVR - musi być na pozycji zerowej pamięci programu HAVR

[*] - jeśli dany port nie istnieje na docelowym mikroprocesorze lub jest to port systemowy danego systemu cyfrowego instrukcja nie jest zaimplementowana
[**] - w mikroprocesorach AVR RAMSEG0 to strona zerowa 0x00-0xFF, w innych architekturach musi to być 8-bitowy obszar zawierający rejestry I/O
[***] - tylko w systemach z RAM powyżej 1KB (HF-6050, HF-6128, HF-6158)
[^] - po operacji rejestr flagowy jest ładowany do RAM 0x0000

Organizacja pliku HAVR8

W tym miejscu przenikają się standardy THFS i HAVR8

OFFSET	DESCRIPTION
0x00	START code 0xAA (= FILE ID). System operacyjny THOS-1 sprawdza w ten sposób poprawność pliku HAVR8 podczas jego wykonania [^]
0x01	Punkt wejścia programu HAVR8, wykonanie zaczyna się od tego adresu
0x01-0xED	Program HAVR8, kod lub dane
0xEC	Extra Code Segment - opcjowalny segment dodatkowy zawierający kod [^^]
0xED	Extra Data Segment - opcjowalny segment dodatkowy zawierający dane [^^^]
0xEE	HAVR version - system operacyjny powinien odmówić wykonania programu w razie gdy jego wersja jest starsza od wersji interpretera
0xEF	Hardware Compatibility Code - używane dla odróżnienia różnych podwersji sprzętowych HAVR8 dla danego mikroprocesora lub systemu
0xF0-0xFF	Nazwa pliku. Jest ona opcjowalna, jeśli niema nazwy pliku to pod offsetem 0xF0 musi być zapisane 0x00 a offsety 0xF1-0xFF mogą być wykorzystane przez HAVR np. do przechowywania danych

[^] - w czasie wykonania programu HAVR komórka 0x00 może być zainicjowana do przechowywania danych
[^^] - segment kodu musi być przeładowany do RAMSEG1 i dostępny instrukcjami LD2, LD3
[^^^] - segment danych musi być dostępny instrukcjami LD2, LD3

Hardware Compatibility Code

Niekompatybilności architektur w różnych systemach wymusiły zastosowanie Hardware Compatibility Code. Np. system HF-6030 rezerwuje PORTD dla urządzeń systemowych, tak więc instrukcje dostępu do tego portu przez użytkownika nie są zaimplementowane na tym systemie. System operacyjny THOS-1 odmawia wykonania programu HAVR w razie wykrycia niekompatybilności sprzętowej. HCC umieszczony jest w pliku HAVR8 pod zdefiniowanycm offsetem 0xEF.

HCC	DESCRIPTION
0x00	Kompatybilność nie ustalona
0x13	HF-60215 (HAVR6)
0x28	HF-6128
0x30	HF-6030
0x40	HF-6050, HF-6128, HF-6158 (systemy z RAM powyżej 1KB)
0x48	HF-6048
0x50	HF-6050
0x58	HF-6158
0x69	HF-6169
0x78	HF-6030 + HF-6048
0x80	HF-6030 + HF-6050
0x98	HF-6048 + HF-6050
0xFF	Wszystkie systemy

Kompilacja programów HAVR

Kompilacja jest możliwa zarówno na samych systemach cyfrowych jak i w zewnętrznych kompilatorach. Pierwszy sposób jest szybszy (nie trzeba downloadować kodu z PC) ale mniej wygodny bo wewnętrzny kompilator nie jest relokowalny. Trzeba odgórnie założyć adresy różnych funkcji, co jednak w zakresie 8 bit nie jest takie trudne po pewnej praktyce. Natomiast zewnętrzny kompilator ma więcej możliwości, w dodatku napisane zostały odpowiednie makroinstrukcje ułatwiajace kompilację. Więcej informacji w [1].

Do kompilacji używam bardzo zgrabnego kompilatora FASMW wraz z napisanym plikiem makro który definiuje wszystkie instrukcje i stałe systemowe.

HAVR_INS30.ASM plik makro definicji instrukcji dla systemu HF-6030
HAVR_INS50.ASM plik makro definicji instrukcji dla systemu HF-6050

Biblioteka programów HAVR

Do chwili obecnej powstało około 150 programów HAVR, rozwiązujących różne problemy programistyczne, ale głównie są to sterowniki do różnych modułów zewnętrznych. Jednym z ciekawszych programów HAVR (choć mało użytecznym) jest gra w statki... Napisałem ją głównie dla zabawy i przetestowania możliwości HAVR. Co prawda jest to gra tylko z jednym graczem, komendy od programu odbiera się telegrafią, rysuje na kartce mapę a po zatopieniu wszystkich statków program podaje ilość strzałów do floty... Powstały 3 programy które różnią się tylko mapami statków.

SHIPS01.ASM SHIPS01 - kod źródłowy
SHIPS02.ASM SHIPS02 - kod źródłowy
SHIPS03.ASM SHIPS03 - kod źródłowy

CALCULATOR - jest to prosty 9-działaniowy, 8 bitowy kalkulator. Kod maszynowy zajął 191 bajtów pamięci. Dostępne działania to A - AND, C - NOT, D - ADD, N - NEG, O - OR, S - SUB, X - XOR, L - LSL, R - LSR.

CALCULATOR.ASM CALCULATOR - kod źródłowy
CALCULATOR.BIN CALCULATOR - kod maszynowy

Dla modułu RTC HF-9037 powstały 3 programy, pierwszy to prosty test który testuje moduł licząc od 00:00, drugi ustawia datę i czas a trzeci to zegar który podaje czas co minutę.

HF9037_TEST.ASM Test modułu HF-9037 - kod źródłowy
HF9037_TEST.BIN Test modułu HF-9037 - kod maszynowy
HF9037_SET.ASM Ustawianie daty i czasu modułu HF-9037 - kod źródłowy
HF9037_SET.BIN Ustawianie daty i czasu modułu HF-9037 - kod maszynowy
HF9037_CLOCK.ASM Zegar na bazie modułu HF-9037 - kod źródłowy
HF9037_CLOCK.BIN Zegar na bazie modułu HF-9037 - kod maszynowy

Lista systemów cyfrowych z zainstalowanym HAVR (w kolejności uruchamiania):

HF-6060 (AT90S2313) - pierwszy eksperymentalny system z interpreterem HAVR (działał ale miał niewielkie błędy)

HF-6048 (ATMEGA16) - pierwszy w pełni działający system z kompilatorem i interpreterem HAVR

HF-6030 (ATMEGA8) - najczęściej używany system z kompilatorem i interpreterem HAVR

HF-6050 (ATMEGA128)

HF-6128 (ATMEGA128)

HF-6158 (ATMEGA64)

HF-60215 (ATTINY13) - prowadzone próby z HAVR6

HF-6169 (ATMEGA64)

HF-60104 (8051) - w trakcie przepisywania na MCS-51

Planowane jest uruchomienie HAVR na wielu różnych (egzotycznych) mikroprocesorach, jest to jednak proces dość powolny który zajmie trochę czasu...

Sources:

[1] Oryginalna specyfikacja HAVR

HF Register

Microcontrollers in my constructions

UC Database - my CPU collection

Electronics

Main Page