基于ATMega16的流水灯实例（汇编）

本例在ATMega16上，利用汇编程序实现一个流水灯，主要讨论寄存器移位及软件延时的使用方法。

本例中的八个LED电路通过限流电阻及跳线帽接在PA端口，电路如下图所示。

完整的汇编代码如下。 

.INCLUDE "M16DEF.INC"
.DEF    TMP = R16                 ;定义一个R16寄存器的别名（R不能小于16）
.DEF    SHIFT = R17               ;定义一个R17寄存器的别名（R不能小于16）
.ORG    $0000
    JMP    RESET
.ORG    $002A
RESET:
    LDI     TMP, HIGH(RAMEND)    ;获取RAM空间的最大地址高字节（ATMega16为$04）
    OUT     SPH, TMP             ;高字节送SP高位
    LDI     TMP, LOW(RAMEND)     ;获取RAM空间的最大地址低字节（ATMega16为$5F）
    OUT     SPL, TMP             ;低字节送SP低位
    SER     TMP                  ;把R16全部置1
    OUT     DDRA, TMP            ;把端口A设置为输出方向
    OUT     PORTA, TMP           ;把端口A输出高电平
    LDI     TMP, 114             ;设置延时的值，约100ms
    LDI     SHIFT, $FE           ;加载值$FE到R17中
    SEC                          ;置进位位C为1
LOOP:
    OUT     PORTA, SHIFT         ;输出R17的值到端口A
    ROL     SHIFT                ;对R17的值进行带进位位的左移
    RCALL   DELAY                ;调用延时子程序
    RJMP    LOOP                 ;跳转到LOOP

DELAY:                           ;延时子程序入口
    PUSH    TMP                  ;R16的值压入栈中
D1:
    PUSH    TMP
D2:
    PUSH    TMP                   ;连压三个R16
D3:
    DEC     TMP                   ;R16的值减一
    BRNE    D3                    ;若R16的值不为0则跳转到del3处
    POP     TMP                   ;R16的值出栈
    DEC     TMP
    BRNE    D2
    POP     TMP
    DEC     TMP
    BRNE    D1
    POP     TMP
    RET                           ;子程序返回

本例使用到了AVR中I/O空间的4个寄存器，即SPH、SPL、DDRA和PORTA。

先看SPH和SPL两个寄存器，它们同属于栈指针寄存器，分别管理高低两个8位，具体如下表所示。

栈指针寄存器一共有16位，可寻址64KB的SRAM空间。初始值为全0，即默认SP指向SRAM的最低地址。由于AVR的栈指针是向下生长型，所以一般在初始化时，要将SP指向SRAM空间的最高地址。在ATMega16中，$0000~$001F是32个通用寄存器空间，$0020~$005F是64个I/O空间寄存器，$0060~$045F才是SRAM空间，共有1KB，因此在初始化时，SP指向$045F地址。

再来看DDRA寄存器，它称为端口方向寄存器，用于设置端口是输出方向还是输入方向，具体如下表所示。

当某位被设置为1时，该位对应的引脚被设置为输出方向，设置为0时，为输入方向。复位后的初始值为0，即默认为输入方向。在ATMega16中，这样的方向寄存器一共有4个，即DDRA、DDRB、DDRC和DDRD，配置方法完全一样。

接着看PORTA寄存器，它称为端口数据寄存器，用于设置引脚电平，具体如下表所示。

当某位被设置为1时，该位对应的引脚输出高电平，设置为0时，输出低电平。复位后的初始值为0，即默认引脚输出低电平。在ATMega16中，这样的方向寄存器一共有4个，即PORTA、PORTB、PORTC和PORTD，配置方法完全一样。

本例中一共使用到了13条指令，具体解释如下。

1）直接跳转
　　JMP 　　 k 　　 0 ≤ k < 4M
说明：直接跳转到指定的地址处（可达4M字的程序存储器），该指令不一定支持所有的AVR芯片。
操作：PC ← k 　　32位机器码：1001 010k kkkk 110k kkkk kkkk kkkk kkkk

2）立即数送寄存器
　　LDI 　　Rd, K 　　 16 ≤ d ≤ 31，0 ≤ K ≤ 255
说明：装入一个8位的立即数到寄存器R16～R31中。
操作：Rd ← K 　　PC ← PC + 1 　　16位机器码：1110 KKKK dddd KKKK 

3）寄存器数据送I/O空间
　　OUT 　　A, Rr 　　 0 ≤ r ≤ 31, 　　 0 ≤ A ≤ 63
说明：将寄存器Rr中的数据传送到I/O空间。
操作：I/O(A) ← Rr 　　 PC ← PC + 1 　　16位机器码：1011 1AAr rrrr AAAA

4）置寄存器为全1
　　SER 　　 Rd 　　 16 ≤ d ≤ 31
说明：将$FF直接装入目的寄存器Rd。
操作：Rd ← $FF 　　PC ← PC + 1 　　16位机器码：1110 1111 dddd 1111

5）进位位置1
　　SEC
说明：将进位标志位（C）置1。
操作：C ← 1 　　PC ← PC + 1 　　16位机器码：1001 0100 0000 1000

6）带进位位的寄存器循环左移
　　ROL 　　 Rd 　　 0 ≤ d ≤ 31
说明：寄存器Rd中所有位左移1位，C标志被移到Rd的第0位，Rd的第7位移到C标志。
操作：C ← b7--------b0 ← C 　　 PC ← PC + 1 　　16位机器码：0001 11dd dddd dddd

7）相对跳转
　　RJMP 　　 k 　　 -2k ≤ k < 2k
说明：相对跳转到PC - 2K +1 ～ PC + 2K (字) 范围内的地址，对于程序存储器空间不超过4K字（8K 字节）的芯片，该指令可以寻址整个程序存储器空间的每一个地址。
操作：PC ← PC + k + 1 　　16位机器码：1100 kkkk kkkk kkkk

8）相对调用
　　RCALL 　　 k 　　 -2k ≤ k < 2k
说明：相对调用PC-2K+1到PC+2K (字)范围内的子程序，返回地址（RCALL后面那条指令的地址）保存到堆栈当中。对于程序存储器不超过4K字（8K字节）的AVR芯片，这条指令可以寻址整个程序存储器空间。在调用RCALL指令时，堆栈指针是带后减量的（调用完成后减少）。
操作：STACK ← PC + 1 　　SP ← SP - 2 (2 字节, 16 位) 　　 PC ← PC + 1 + k 　　 16位机器码：1101 kkkk kkkk kkkk

9）压栈
　　PUSH 　　 Rr 　　 0 ≤ r ≤ 31
说明：存储寄存器Rr中的数据到堆栈，堆栈的指针在PUSH后加1。该指令不是对所有的AVR芯片都有效。
操作：STACK ← Rr 　　 SP ← SP - 1 　　PC ← PC + 1 　　16位机器码：1001001ddddd1111

10）出栈
　　POP 　　 Rd 　　 0 ≤ d ≤ 31
说明：将堆栈中的字节装入寄存器Rd中，堆栈指针在POP之前首先减1。该指令不是对所有的AVR芯片都有效。
操作：Rd ← STACK 　　 SP ← SP + 1 　　PC ← PC + 1 　　16位机器码：1001 000d dddd 1111

11）减1
　　DEC 　　Rd 　　 0 ≤ d ≤ 31
说明：寄存器Rd内容减1，并将结果置于目标寄存器Rd中。
操作：Rd ← Rd - 1 　　 PC ← PC + 1 　　16位机器码：1001 010d dddd 1010

12）不相等跳转
　　BRNE 　　 k 　　 -64 ≤ k ≤ +63
说明：条件相对跳转，测试零标志位Z，如果Z位被清零，则相对PC值跳转k个字。如果在执行CP、CPI、SUB或 SUBI指令后，立即执行该指令，且当寄存器Rd中数与寄存器Rr中数不相等时，将发生跳转。可跳转k个字，k 为7位带符号数，最多可向前跳63个字，向后跳64个字。
操作：If Rd ≠ Rr (Z = 0) then PC ← PC + k + 1, else PC ← PC + 1 　　16位机器码：1111 01kk kkkk k001

13）子程序返回
　　RET
说明：从子程序返回，返回地址从堆栈中获得。在执行RET时堆栈指针带有预增量（调用前堆栈指针增加）。
操作：SP←SP + 2 　　PC(15:0) ← STACK 　　 16位机器码：1001 0101 0000 1000

此外，程序中还用到了一些伪指令，具体解释如下。

1）包含指定的文件
语法：.INCLUDE“文件名”
说明：通知汇编器开始从一个指定的文件中读入程序语句，并对读入的语句进行编译，直到该包含文件结束或遇到该文件中的EXIT伪指令，然后再从本文件当前INCLUDE伪指令的下一行语句处继续编译。在一个包含文件中，也可以使用INCLUDE伪指令来包含另外一个指定的文件。

2）定义寄存器符号名
语法：.DEF 符号名 = 寄存器
说明：给寄存器定义一个替代的符号名。在后续程序中可以使用定义的符号名来表示被定义的寄存器。可以给一个寄存器定义多个符号名。符号名在后续程序中可以重新指定。编译时，凡遇到符号名，都以相应被定义的寄存器替代。

3）定义代码起始位置
语法：.ORG 表达式
说明：设置定位计数器为一个绝对数值，该数值为表达式的值，作为代码的起始位置。如果该伪指令出现在数据段中，则设定SRAM定位计数器；如果该伪指令出现在代码段中，则设定程序存储器计数器；如果该伪指令出现在EEPROM段中，则设定EEPROM定位计数器。如果该伪指令前带标号（在相同的语句行），则标号的定位由ORG的参数值定义。代码段和EEPROM段定位计数器的默认值是0；而当汇编器启动时，SRAM定位计数器的默认值是32（因为寄存器占有地址为0～31）。文件中可以出现多处ORG伪指令，但后面ORG所带的地址不能小于前一个ORG所带的地址，也不能落在由前一个ORG定位的代码段空间（指同一个存储器空间）。注意：EEPROM和SRAM定位计数器按字节计数，而程序存储器定位计数器按字计数。

下面对程序中的相关部分进行一下说明。

1）在AVR Studio的汇编语言环境中，十六进制数以$符号开头。

2）主程序的入口地址为$002A，因为在ATMega16中，从$0000~$002A之间有21个中断源的向量地址，主程序应该尽量避开这些地址，以免与中断程序冲突。

3）在AVR中，要访问I/O空间的寄存器，必须依靠某个通用寄存器来进行，不允许直接对I/O寄存器进行赋值。比如例程中，对SP寄存器（以及后续的DDRA、PORTA寄存器）的赋值只能通过通用寄存器TMP（R16）来中转。 

4）由于程序中使用了LDI和SER指令，所以通用寄存器TMP只能取R16~R31之间的值。

5）由于8个LED为共阳结构，所以流水灯采用0的循环左移即可。本例采用带进位位的左移，这样可以保证循环中始终有一个0，免去了左移到头的判断。

6）延时程序采取了空耗机器周期的方式，其中仅使用了一个寄存器（TMP），采用二次嵌套循环，并多次利用堆栈交换数据。它能在8MHz晶振时产生出长达1秒的延时，总机器周期数T与寄存器值x之间有如下关系。

总延时时间（秒）= T * 机器周期。如果晶振为8MHz，则机器机器周期为0.125us。本例中，x=114，T=800404，延时时间为100ms左右。