Chapter 2
Assembly Language Programming
KyungHee Univ.
2-0
Assembly Language Programming
 왜 Assembly Language Programming 을 배워야 하나?
 프로세서의 동작 이해에 필요 하다.
 Programmable Digital System 설계에 필요한 기본 기술 이해
 프로그램 오류(알고리즘 또는 Coding 상의 문제) 해결에 필요
 Higher-level Language 가 지원하지 못하는 Hardware 기능 구현
 Time-critical 한 Routine의 작성
 Assembly Language 의 특징
 Assembler Instructions은 1대 1로 Machine Instruction에 대응 한다.
 uP의 성능을 100% 구현 할 수 있다.
 가장 효율적인 프로기램 구현이 가능 하다.
 실행 속도
 프로그램 Code 길이
 배우기 쉽다.
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2-1
Assembly Language Programming
 Instruction Set 란?
 프로세서의 명령 실행 주기 동안에 실행되는 Code set를 말한다.
Binary Instructions
 명령어에서 Binary pattern 111011000001100(0xEA0A) 의 의미는
 R16  0xAA (LDI R16, 0xAA) 의 의미 이다.
 위 Binary Instruction은 프로세서에게는 효과적인 명령 이지만
인간이 이해하기에는 너무불편하여 보다 효과적인 표시 방법이 필요
하여,
 16진법과 8진법을 이용 하여 에서 Binary pattern(0xEA0A) 을 표시
한다.
 그러나, 16진법과 8진법도 인간이 프로세서의 동작을 이해하기에 부족
하기 때문에 Assembly Language (LDI R16, 0xAA)를 사용 한다.
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2-2
 Assembly Language
 인간이 좀더 쉽게 프로세서의 명령을 이해할 수 있도록 이해하기 쉬운
심볼을 사용한 프로그래밍 언어 이다.
예)
Instruction Mnemonic
ldi
mov
ldi
mov
Rg/Memory Hexadecimal Equivalent
R16, 0xAA
EA0A
R0, R16
2E00
R16, 0x55
E505
R2, R16
2E20
 Assembler
 그러나 Assembly Language 는 프로세서가 직접 실행할 수 없기
때문에 Assembly Language 로 작성된 프로그램을 Binary Instruction
으로 변환 하는 프로그램이 필요 하게 되고, 이 프로그램이 Assembler
이다.
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1-3
 Assembly language Program 작성과 실행
Microcontroller
Text Editor
Assembler
Loader
Processor
RAM
Source Code
; I/O Port Init
clr AC0
sts PORTF, AC0
out DDRD, AC0
ser AC0
out PORTD, AC0
sts DDRF, AC0
Object Code
00004b 2700
00004c 9300 0062
00004e bb01
00004f ef0f
000050 bb02
000051 9300 0061
ROM
2700 9300
0062 bb01
Ef0f bb02
9300 0061
I/O Port
External
Device
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2-4
AVR128A Processor
 Architectural Overview : Block Diagram of the AVR Architecture
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1-5
 Architectural Overview
 Harvard architecture
 Program 과 data 를 위한 Memory와 Bus가 분리되어 있다.
 Register file : 32 x 8-bit general purpose working registers
 3개의 16-bit indirect address register pointers.
 ALU supports arithmetic and logic operations
 Registers  Registers fun Registers
 Registers  Registers fun Constant
 Program Flash memory space 는
 Boot Program section 과
 Application Program section 2가지로 구성 된다.
 I/O memory space contains 64 addresses : $20 - $5F
 ATmega128A 는 Extended I/O space($60 - $FF in SRAM)를 갖는다.
오직 ST/STS/STD and LD/LDS/LDD 명령만 사용 가능 함.
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2-6
 ALU – Arithmetic Logic Unit
 High-performance AVR ALU operation
 32 개의 general purpose working registers와 직접 연결 되어 있다.
 Single clock cycle arithmetic operations
 Registers  Registers fun Registers
 Registers  Registers fun Constant
 Three main categories ALU operations
 Arithmetic, Logical, and Bit-functions
 Powerful multiplier
 Signed/unsigned multiplication and fractional format
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2-7
 Status Register
 최근에 실행된 Arithmetic instruction 결과에 대한 정보를 표시한다.
 이 정보는 Program 흐름을 바꾸는 Conditional Operations에 사용 할
수 있다.
 모든 ALU 연산에 의하여 Status Rg 가 Update 된다.
 SREG - AVR Status Register
Bit
7
6
5
4
3
2
1
0
I
T
H
S
V
N
Z
C
Read/Write
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
Initial Value
0
0
0
0
0
0
0
0
 Bit 7 – I: Global Interrupt Enable Bit
 Bit 6 – T: Bit Copy Storage
 Bit Copy instructions BLD (Bit LoaD) 과 BST (Bit STore) 에서 T-bit
가 source 또는 destination 으로 사용 된다.
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2-8






Bit 5 – H: Half Carry Flag : Half carry는 BCD arithmetic에서 이용 된다.
Bit 4 – S: Sign Bit, S = N ⊕ V
Bit 3 – V: Two’s Complement Overflow Flag
Bit 2 – N: Negative Flag
Bit 1 – Z: Zero Flag
Bit 0 – C: Carry Flag
 Register File의 Address Map
 Data memory space 의 첫 32($20) 번지에 mapping 된다.
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2-9
 AVR General Purpose Register File
Rg0 – Rg15
Rg16 – Rg31
X Rg
Y Rg
Z Rg
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2-10
 X-register, Y-register, and Z-register
 Registers R26:R31은 일반 Rg로의 기능 이외에 Data Space 에서
Indirect addressing을 위한 16-bit address pointers 로서의 기능을
갖는다.
15
X-Rg
XH
7
0 7
R27($1B)
15
Y-Rg
YH
7
R31($1F)
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0
YL
0 7
R29($1D)
Z-Rg
0
R26($1A)
7
15
XL
0
0
R28($1C)
ZH
ZL
0 7
0
0
R30($1E)
2-11
Index Rg 이용 예
1000 번지 부터 1099 번지 까지 100Byte를 2000 번지 부터
저장하라.
 Index Rg 가 없는 경우의 예
• (2000)  (1000)
• (2001)  (1001)
• (2002)  (1002)
--
--
--
--
• (2099)  (1099)
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1-12
Index Rg 이용 예
1000 번지 부터 1099 번지 까지 100Byte를 2000 번지 부터
저장하라.
 Index Rg 와 Counter Rg가 있는 경우의 예
Start :
Index Rg1  1000
Index Rg2  2000
Counter Rg  100
Loop :
(Index Rg2 )  (Index Rg1)
Index Rg1  Index Rg1 + 1
Index Rg2  Index Rg2 + 1
Counter Rg  Counter Rg - 1
If (Counter Rg != 0 ) goto Loop
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Done:
1-13
AVR Memory Space
Data Memory Map
 Working Registers
 Includes X, Y, and Z registers.
 I/O Register Space
 Includes “named” registers
 SRAM – Data Space
 Runtime Variables and Data
 Stack space
Program Flash Memory Map
 Program Flash Memory
 Vectors, Code, and (Unchangeable) Constant Data.
 Boot Program Flash Memory
EEPROM space
 For non-volatile but alterable data
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1-14
Data Memory Map
32 Registers
$0000-$001F
64 I/O Registers
$0020 - $005F
160 Ext. I/O Reg.
$0060 - $00FF
$0100
Internal RAM
(4096 x 8)
$10FF
$1100
External RAM
$FFFF
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1-15
I/O Memory
ATmega128A
 ATmega128A의 모든 I/O 와 주변 장치는 I/O Space에 할당
되어 있다.
 I/O Space에 할당된 모든 I/O와 주변 장치가 사용 하는
Register는 32개의 Register(Data)와 Data Transfer 가 가능 하다.
 IN, OUT 명령은 I/O addresses $00 - $3F에 할당된 I/O와 주변
장치에 사용 한다.
 Data Space에 있는 I/O Registers($60-$FF)는 LD 와 ST 명령을
사용 한다.
 I/O Port의 실제 번지는 32개의 일반 Register에 할당된 $0$19($20) 번지 값을 더 한 값이 된다. 참고자료:
ATmega128_doc8151.pdf
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1-16
SRAM Data Memory
Memory Configurations
Configuration
Internal SRAM Data
Memory
External SRAM Data
Memory
Normal mode
4096
up to 64K
ATmega103 Compatibility
mode
4000
up to 64K
 Tmega128A Normal Mode




Register file : First 32($0-$19) locations address
Standard I/O memory : Next 64($20-$5f) location
Extended I/O memory : Next 160($60-$ff) locations
Internal data SRAM : Next 4096 locations address
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1-17
In-System Reprogrammable Flash Program Memory
 128K bytes On-chip In-System
 All AVR instructions are 16 or
32 bits wide.
 Flash is organized as 64K x 16
 Divided into two sections
 Boot Program section and
 Application Program section.
Interrupt Vector
Table
Application Program
Section
Boot Program
Section
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$0000
$FFFF
1-18
EEPROM Data Memory
ATmega128A
 4K bytes 의 Data EEPROM memory
 Separate data space
 Single bytes read, written 가 가능 함.
 EEPROM access registers are accessible in the I/O
space
 EEPROM is read, the CPU is halted for four clock
cycles before the next instruction is executed
 EEPROM is written, the CPU is halted for two clock
cycles before the next instruction is executed
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1-19
AVR Instruction Set Overview
 The AVR instruction set is divided into:





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ARITHMETIC AND LOGIC INSTRUCTIONS
Branch instructions
DATA TRANSFER INSTRUCTIONS
BIT AND BIT-TEST INSTRUCTIONS
MCU CONTROL INSTRUCTIONS
1-20
일반적인 uP에서 Registers의 종류와 역활
Data Rg
 연산 및 자료 처리에 필요한 Data를 저장함
 Index Rg
 Operand 의 주소를 저장( Pointing ) 함.
 Stack Pointer
 Last-In-First-Out : Stack Operation
 First-In-First-Out : Buffed I/O 에 유용
Program Counter
 다음에 실행할 명령어의 번지를 저장함.
Status Rg
 연산 결과 상태를 표시하는 Flag 를 저장함.
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1-21
 Stack Pointer
 Stack은 LIFO(Last In First Out) 알고리즘을 수행 한다.
 Stack의 이용 분야
 Temporary data의 저장
 Local variables의 저장
 Interrupts 과 Subroutine calls 후 Return addresses의 저장
 Stack은 Stack 영역이 필요 할 경우 Stack memory의 Higher memory
locations 로 부터 Lower memory locations으로 확장 된다.
 Stack Pointer Register 는 항상 Stack의 Top위치를 Pointing 한다.
 Stack Pointer instructions
Instruction Stack pointer
Description
PUSH
Decremented by 1 Data is pushed onto the stack
CALL
ICALL
RCALL
Decremented by 2 Return address is pushed onto the stack with a
subroutine call or interrupt
POP
Incremented by 1
Data is popped from the stack
RET
RETI
Incremented by 2
Return address is popped from the stack with return
from subroutine or return from interrupt
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2-22
 SPH and SPL - Stack Pointer High and Low Register
 AVR Stack Pointer 는 I/O space 내에 Two 8-bit registers로 실현된다.
 Stack 영역을 작게 요구되는 기종에서는 SPL(8-bit)만 이용 된다.
Bit
15
14
13
12
11
10
9
8
SPH SP15
SP14
SP13
SP12
SP11
SP10
SP9
SP8
SP7
SP6
SP5
SP4
SP3
SP2
SP1
SP0
7
6
5
4
3
2
1
0
Read/Write
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
Initial Value
0
0
0
0
0
0
0
0
SPL
Bit
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2-23
Subroutines and the Stack
Last in First Out (LIFO)
 사용 예 : Stack Operation
First in First Out (FIFO)
 사용 예 : I/O Buffer 등
Stack의 사용 예
 Subroutine 의 Return Address 저장
 Local variable 영역 확보
 Parameter Passing : 상위 계층 프로그램 모듈과 하위
모듈 사이에 Parameter Passing
 Subroutine 내에서 사용하는 Rg의 보호를 위한 임시
저장 장치로 사용
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2-24
Subroutines and the Stack
push Operation 예 : push Rg
 (SP) ← Rg
 SP ← SP - 1
Pull Operation 예 : pull Rg
 SP ← SP + 1
 Rg ← (SP)
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2-25
Subroutines and the Stack
Subroutine
 일반 프로세서에서의 Subroutine
 Call sub
• (SP)  PC
• SP  SP-• PC  Subroutine의 시작 번지
 Return
• SP  SP ++
• PC  (SP)
주: 여기에서 ++, -- 의 의미는 다음 번지, 이전
번지의 의미 임.
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2-26
2.2.9 Subroutines and the Stack
push Operation
 ldi R16, 0xAA
 push R16
Push Operation 실행 전
Lower
Address
실행 후
Lower
Address
SP 
SP 
AA
3
Top
3
2
Higher
Address
KyungHee Univ.
1
Top
2
Higher
Address
1
2-27
2.2.9 Subroutines and the Stack
pop Operation
 pop R16
Pop Operation 실행 전
실행 후
Lower
Address
Lower
Address
SP 
AA
Higher
Address
KyungHee Univ.
Top
SP 
AA
3
3
2
2
1
Higher
Address
1
R16
AA
Top
2-28
일반적인 Addressing Mode
Inherent Addressing Mode
 Operand Field 를 갖지 않는다.
Immediate Addressing Mode
 Operand Field 에 상수 값이 직접 주어진다.
Direct Addressing Mode
 Operand Field에 실제 Address 가 온다.
Indirect Addressing Mode
 Operand Field에 실제 Address가 저장된 Rg(Index
Rg) 또는 Memory의 주소(Pointer)가 온다.
Relative Addressing Mode
 PC 또는 Index Rg 를 기준으로한 상대번지가 온다.
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1-29
AVR uP의 Addressing Mode
 Register Direct, with 1 and 2 registers
I/O Direct
Data Direct
Data Indirect
with pre-decrement
with post-increment
Code Memory Addressing
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1-30
Register Direct: 1 Register
Register File
15
4
OP
0
0
Rd
d
Example:
inc R16
clr
R22
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31
1-31
Register Direct: 2 Register
Rd: R0-R31 or R16-R31 ( Depending on instruction)
Rr: R0-R31
Register File
15
9
OP
5 4
Rr
0
0
Rd
d
Example:
add R16,R17
cp
R22,R5
mov R0,R1
KyungHee Univ.
r
31
1-32
I/O Direct
I/O Memory
15
5
OP
n
Example:
in R16,PIND
out PORTC,R16
KyungHee Univ.
0
0
Rd
63
1-33
Data Direct
16
0
OP
15
Rr
Address
0000
Data Space
&0000
0
Example:
sts 0x1000,R16
$FFFF
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1-34
Data Indirect
Data Space
15
5
0
$0000
X,Y or Z Register
Example:
ld R16, Y
st Z, R16
15
5
OP
KyungHee Univ.
Rd/Rr
0
$FFFF
1-35
Data Indirect r/w Displacement
Data Space
15
5
$0000
0
X,Y or Z Register
Example:
ldd R16, Y+0x10
std Z+0x20, R16
+
$FFFF
15
10
OP
KyungHee Univ.
Rd/Rr
6 5
0
a
1-36
Data Indirect : Pre-Decrement
Data Space
15
5
$0000
0
X,Y or Z Register
Example:
ld R16, -Z
st -Z, R16
+
$FFFF
-1
KyungHee Univ.
1-37
Data Indirect : Post-Increment
Data Space
15
5
$0000
0
X,Y or Z Register
Example:
ld R16, Z+
st Z+, R16
+
$FFFF
1
KyungHee Univ.
1-38
Program Memory Addressing
Program Memory
15
1 0
$000
Z Register
Example:
lpm R30, Z+
$7FF/$FFF
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1-39
Indirect Program Memory Addressing
Program Memory
15
0
$000
Z Register
Z Rg를 Index Rg로 사용 한다.
Example:
ijmp
icall
KyungHee Univ.
$7FF/$FFF
1-40
Relative Program Addressing
15
0
PC
Program Memory
$000
Example:
rjmp
rcall
15
+
12 11
OP
KyungHee Univ.
0
k
$7FF/$FFF
1-41