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  C 프로그램과 Assembly 언어 프로그램을 Mixing한 프로그램 개발 - ASM

• C 프로그램과 Assembly 언어 프로그램을 Mixing한 프로그램 개발
• Microchip(AVR) Studio 에서 사용 하는 Assembler
• C 프로그램과 Assembly 언어 프로그램을 Mixing한 프로그램 개발을 위한 Project 만들기
• C와 Assembly Language을 혼합 한 Program에서 Register의 사용
• Function을 Call 할 때 Argument Passing과 Return Values
• C 프로그램과 Assembly 언어 프로그램을 Mixing한 프로그램 예
• GCC c 프로그램에서 Assembly Function을 이용 하는 예
• Assembly 프로그램에서 GCC c 함수를 이용 하는 예
• c Listing file에 대한 이해
• Listing file 이해를 위한 C Source file과 Compile 하여 생성된 Listing file 예
• C 프로그램과 Assembly 언어 프로그램을 Mixing한 프로그램 개발 관련 페이지 보기
• ATmega128 I/O Port - ASM
• Switch debouncing 과 Keypad Interfacing - ASM

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C 프로그램과 Assembly 언어 프로그램을 Mixing한 프로그램 개발

• Microchip(AVR) Studio 에서 사용 하는 Assembler

Microchip(AVR) Studio에서는 GCC Assembler와 AVR Assmbler를 사용 한다.

GCC Assembler는 GCC에 포함되어 있는 Assembler 이기 때문에 GCC C와 Assembly 언어 프로그램을 Mixing한 프로그램 개발에는 GCC Assembler를 사용 한다.

• GCC Assembler : GCC 사용 환경에서(WinAVR 등 을 사용 하는 경우) 사용 할 수 있다.

GCC Assembler는 GCC(GNU C Compiler)에 포함 되어 있는 Assembler 이기 때문에 GCC c와 Assembly Program을 Mixing 한 프로그램을 작성 하기에 적합하다.

• AVR Assembler : Microchip(AVR) Studio에서 사용 할 수 있다.

AVR Assembler는 AVR microcontroller를 설계하고 Microchip Studio를 제공하는 Atmel(현 Microchip)에서 제공 하는 Assembler 이기 때문에 Microchip Studio의 기능을 잘 활용할 수 있는 장점이 있다.

• GCC Assembler와 AVR Assembler의 차이
• GCC Assembler 를 사용 하는 경우
• Assembly Language Program은 .S Extension 을 갖는다.
• C Language Program은 .c Extension 을 갖는다.
• GCC Assembler는 GCC C/C++와 같은 Preprocessor을 사용 한다. #include, #define 등을 사용 할 수 있다.
• AVR Studio4 에서 사용하는 GCC Assembler(WinAVR에 포함되어 있음)는 Data Segment 영역(Global variable)을 자동으로 초기화 하였으나, 현재 사용하는 Microchip Studio(AVR Studio7)에서는 자동으로 초기화를 하지않기 때문에 초기화가 필요한 경우에는 Code Segment 내에 초기화에 필요한 Data를 포함 시키고, 이 값을 Data Segment 영역으로 복사하여 주는 초기화 프로그램을 작성 하여 실행 하여야 한다.
• Atmel AVR Assembler 를 사용 하는 경우
• Assembly Language Program은 .asm Extension 을 갖는다.
• Atmel AVR Assembler는 Data Segment 영역(Global variable)을 초기화 하지 않는다. 만약 초기화가 필요한 경우에는 Code Segment 내에 초기화에 필요한 Data를 포함 시키고, 이 값을 Data Segment 영역으로 복사하여 주는 초기화 프로그램을 작성 하여 실행 하여야 한다.
• 기타 차이 예:

참고자료: Microchip Studio(AVR Studio7) 환경에서 AVR Assembly Program 작성 하기

참고자료: AVR Assembler

GCC Assembler
hi8
lo8
.asciz “hello”
.section .data
.section .text
<avr/io.h>

Atmel AVR Assembler
high
low
.db “hello”,0
.dseg
.cseg
“m128def.inc”



• C 프로그램과 Assembly 언어 프로그램을 Mixing한 프로그램 개발을 위한 Project 만들기
• Microchip Studio 를 실행한다.
• File → New → Project를 실행하고 New Project 창에서 “C/C++ → GCC C Executable Project C/C++”을 선택한다.
• New Project 창 예

• Project name Box에 Project name 입력 한다.
• Location Box에 Browse... 버튼을 사용하여 Project 폴더를 설정한다.
• Create directory for solution Box를 Check 한다.
• “OK”를 클릭한다.
• Device Selection 창에서 Device를 선택(예: ATmega128, ATmega128A는 GCC Assembler에서 지원 하지 않는다.)하고 “OK”를 클릭하면 Project가 생성되고 main.c 파일이 열린다. Assembly Source File은 아직 하나도 만들어 지지 않은 상태 임.
• main.c에 c 프로그램을 작성한다.
• 새 c Source File 추가하기: Solution Explorer 창에 있는 project_name 위에서 마우스 우측 버튼을 클릭하고 Add → New Item… 을 클릭하면 Add New Item 창이 열린다. 이 창에서 C/C++ → C File을 선택한다. Name Box에 File name을 입력하고 Add 버튼을 클릭하면 새 C Flie이 Project 내에 추가된다. 추가된 파일을 편집하여 프로그램을 작성한다.
• 새 Assembly Language Source File 추가하기: Solution Explorer 창에 있는 project_name 위에서 마우스 우측 버튼을 클릭하고 Add → New Item… 을 클릭하면 Add New Item 창이 열린다. 이 창에서 C/C++ → Assembly File을 선택한다. Name Box에 File name을 입력하고 Add 버튼을 클릭하면 새 Assembly Flie이 Project 내에 추가된다. 추가된 파일을 편집하여 프로그램을 작성한다.

주: 이미 작성된 Source File(c or Assembly Language Source File)이 있는 경우에는 Solution Explorer 창에 있는 project_name 위에서 마우스 우측 버튼을 하고 Add → Existing Item… 을 클릭하면 추가할 파일을 팀색하기 위한 창이 열린다. 이 창에서 추가할 파일을 탐색하여 추가한다.

• 새 c 또는 Assembly Language Source File을 추가하기 위한 "Add New Item" 창 예



• C와 Assembly Language을 혼합 한 Program에서 Register의 사용

C Program에서 Assembly 언어로 작성된 Subroutine을 Call 하는 경우 호환성을 위하여 C Compiler에서 Rg를 사용 하는 규칙을 아는 것이 중요하다.

• C Compiler에서 Register 사용
• r0 : Temporary Register 로 사용 한다. Assembly 언어로 작성된 프로그램에서 C 함수를 호출하는 경우 이 Rg는 Assembly Code 내에서 Save 되고, Restore 되어야 한다. 그러나, Compiler에 의하여 생성된 Interrupt Routine은 r0 Rg를 Save 하고 Restore 한다.
• r1 : Compiler는 이 Rg의 값이 zero라고 가정하기 때문에 프로그램 초기화 과정에서 이 Rg를 Zero로 Clear 하여야 한다.
• r2 – r17, r28, r29 : 이 Rg 들은 Compiler에 의하여 생성된 Code에서 임시 저장 장소로 이용 되기 때문에 Assembly Code에서 이 Rg가 사용 되고, Compiler에 의하여 생성된 Code에서 Call 된다면 이 Rg들은 Assembly Code 내에서 Save 되고, Restore 되어야 한다. Y Index Register(r29:r28) 는 Function의 Stack Frame Pointer로 사용 된다.
• r18 – r27, r30, r31 : 이 Rg 들도 Assembly Code에서 사용 되고, Assembly Code에서 Compiler에 의하여 생성된 Code를 Call 하여야 한다면 Assembly Code 내에서 Save 되고, Restore 되어야 한다.


• Function을 Call 할 때 Argument Passing과 Return Values
• Register를 이용한 Arguments Passing
• 미리 약속된 Rg를 사용 하여 Function Arguments를 Passing 한다.
• Function Arguments는 좌측에서 우측으로 배치 되어 있고, r25 로부터 r8 까지 할당 된다.
• 모든 Arguments는 짝수 개의 Rg에 할당 된다. C Compiler 가 MOVW 명령을 사용 하여 Word 단위로 Data를 처리 하도록 하여 보다 효과적으로 데이터를 처리 할 수 있다.
• 만약 보다 더 많은 Arguments를 Pass 하여야 하는 경우에는 나머지 Arguments는 Stack을 이용 하여 Pass 한다.
• Rg를 이용 한 Arguments Passing 예

Void lcd_cursor_xy(uint8_t x, uint8_t y);

lcd_cursor_xy(2,3);

위 c 함수는 아래와 같이 Compile 된다.

eor r25, r25 ; r25 clear ldi r24, 0x02 eor r23, r23 ; r23 clear ldi r22, 0x03 call lcd_cursor_xy
• Stack을 이용한 Arguments Passing
• 일부 함수(Printf, scanf, etc)는 모든 Arguments를 Stack을 이용하여 Pass 한다.
• 이 때 char parameters는 Integer(Word)로 확장 되어 Pass 된다.
• Parameters는 오른 쪽에 있는 Arguments 부터 Stack에 Push 된다.
• 8-bit 변수는 16-bit로 확장 되어 Pass 된다.
• 이 때 상위 8-bit는 zero로 set 된다.
• Return Values
• 8-bit 값은 r24을 이용 하여 Return 된다.
• 16-bit 값은 r25:r24을 이용 하여 Return 된다.
• 32-bit 값은 r25:r24:r23:r22을 이용 하여 Return 된다.
• 64-bit 값은 r25:r24:r23:r22:r21:r20:r19:r18을 이용 하여 Return 된다.

C 프로그램과 Assembly 언어 프로그램을 Mixing한 프로그램 예

• GCC c 프로그램에서 Assembly Function을 이용 하는 예

GCC c 프로그램에서 3개의 정수를 더하는 Assembly Function을 call 하는 프로그램 예이다. 이해를 쉽게하기 위하여 asm_add 함수만 Assembly 언어로 작성하였다.

• GCC c main() 프로그램 예
// S/W Environment : AVR Studio + WINAVR Compiler // Target : M128 // Crystal: 16Mhz // // Made by chowk. // c 언어로 작성된 main 프로그램에서 Assembly 언어로 작성된 함수를 Call 하는 예 # ifndef atmega128 #define atmega128 # endif #define FOSC 16000000// Clock Speed #include <avr/io.h> //#include "C:/Program Files/WinAVR-20100110/avr/include/avr/iom128.h" #include <stdio.h> #include "cho_uart0_init.h" #include "gnu_sciutil.h" #include "asm_func_3v_add.h" void init_devices(void); static int put_char(char c, FILE *stream); static int put_char(char c, FILE *stream) { tx0_char(c); return 0; } //Initialize all peripherals void init_devices(void) { uart0_init(); // UART 0 초기화 fdevopen(put_char,0); } int main(void){ int short sum = 0 ; init_devices(); printf("Assembly Function Call Testing.\n\r"); // Assembly subroutine을 call 할 때 Parameter passing 과 // call 및 ret 과정을 이해 하기 위함. sum = asm_add(4, 15, 20); printf("Sum = %d\n\rEnd\n\r", sum); return 0; }
• Assembly 언어로 작성된 asm_add 함수 프로그램 예
// Project Name : c_call_asm_func_3v_add // // Author: chowk // Lab: KHU // Date: 2011. 8. 20 // c언어로 작성된 프로그램에서 Assembly 언어로 작성된 함수를 call 할 때 // 인수의 전달과 연산 결과를 Return 하는 과정을 이해 하기 위한 예제 임. # ifndef atmega128 #define atmega128 # endif #define FOSC 16000000// Clock Speed #include <avr/io.h> // Definition file for ATmega128 #include <avr/interrupt.h> // [Add all hardware information here] // Program Constants // Program Variables Definitions #define RG_TEMP r0 // Temporary Register #define RG_ZERO r1 // #define AC0 r16 // #define AC1 r17 // #define RG_ARG0_H r25 // Function Argument Word Rg 0 High #define RG_ARG0_L r24 // Function Argument Word Rg 0 Low #define RG_ARG1_H r23 // Function Argument Word Rg 1 High #define RG_ARG1_L r22 // Function Argument Word Rg 1 Low #define RG_ARG2_H r21 // Function Argument Word Rg 2 High #define RG_ARG2_L r20 // Function Argument Word Rg 2 Low // SRAM Definitions .section .data .ORG 0x0100 //cByte: .byte 0x00 // Allocata byte(s) of storage with initialized values //cWord: .word 0x0000 // Allocata word(s) of storage with initialized values //cLongWord: .long 0x00000000 // Allocata 32-bit long word(s) of storage with initialized values .global asm_add .section .text // Main Entry into program asm_add: add RG_ARG1_L, RG_ARG0_L // x1의 LSD(RG_ARG0_L)와 x2의 LSD(RG_ARG1_L)를 더한다. adc RG_ARG1_H, RG_ARG0_H // x1의 MSD(RG_ARG0_H), x2의 MSD(RG_ARG1_H)와 Carry를 더한다. add RG_ARG1_L, RG_ARG2_L // ((x1의 LSD(RG_ARG0_L) + (x2의 LSD(RG_ARG1_L))) 에 X3의 LSD(RG_ARG2_L)를 더한다. adc RG_ARG1_H, RG_ARG2_H // ((x1의 MSD(RG_ARG0_H) + (x2의 MSD(RG_ARG1_H))) 에 X3의 MSD(RG_ARG2_H)와 Carry를 더한다. // r25:r24를 누산 Rg로 사용하면 아래 명령이 필요 없다. // 이 예에서는 효과적인 Code 보다 결과를 r25:r24를 이용하여 Return 하는 것을 강조하기 위하여 r23:r22를 누산 Rg로 사용하였다. movw r24, r22 // r25:r24 를 이용 하여 결과를 Return 하기 위하여 계산 결과를 r25:r24에 복사 한다. ret .end

• 실험을 위한 준비
• 컴퓨터(USB --> UART(RS232) 변환 모듈)의 RXD와 Atmega128의 TXD0(PE1)를 연결한다.
• 컴퓨터(USB --> UART(RS232) 변환 모듈)의 TXD와 Atmega128의 RXD0(PE0)를 연결한다.

주: 컴퓨터에 Serial Port가 없는 경우 "USB --> UART(RS232) 변환 모듈"를 사용(USB Port를 Serial Port로 변환)하여 연결한다. 개발보드에 따라서는 "USB --> UART(RS232) 변환 모듈"을 내장하고 있는 경우가 많기 때문에 본인이 사용하는 개발보드에서 확인 하여야 한다.

참고자료: USB - Serial 변환 모듈

• 컴퓨터(USB --> UART(RS232)의 GND와 Atmega128의 GND를 연결한다. "USB --> UART(RS232) 변환 모듈"를 사용하는 경우 변환 모듈의 GND와 Atmega128의 GND를 연결한다.
• 실험 방법
• GCC_c_call_asm_func_3v_add_uart.zip 파일을 Download하여 압축을 해제한다.
• Build → Build Solution 를 실행 하면 프로그램이 Build 되어 GCC_c_call_asm_func_3v_add_uart.hex 파일이 생성된다.
• GCC_c_call_asm_func_3v_add_uart.hex 파일을 Target Board에 Upload 하고 프로그램을 실행한다.

주: 모니터 프로그램(예: OC-Console, Tera Term)과 hex 파일을 Target Board에 Upload 하는 프로그램이 동일한 Port를 사용하기 때문에 모니터 프로그램을 중지하고 Upload를 실행하여야 한다.

• 모니터 프로그램(예: OC-Console, Tera Term)을 설치(이미 설치되어 있는 경우에는 실행만 하면됨)하고 실행 한다.
• 모니터 프로그램에서 필요한 설정(Serial Port와 Baudrate 등을 설정)을 한다.
• 실험:
• 개발 보드의 Reset SW를 누르면 모니터에 "Assembly Function Call Testing" 메세지가 출력되고,
• 아래 줄에 "Sum = 39" 가 출력된다.
• 이 프로그램은 프로그램을 간단히 하기 위하여 한번만 실행되고 종료되도록 하였다. Reset 버튼을 누르면 프로그램이 다시 한번 실행된다.


• Assembly 프로그램에서 GCC c 함수를 이용 하는 예

Assembly 프로그램에서 3개의 정수를 더하는GCC c Function을 call 하는 프로그램 예이다. 이해를 쉽게하기 위하여 add 함수를 c 언어로 작성하였다.

• Assembly main() 프로그램 예
// Project Name : GCC_asm_call_c_func_3v_add // // Author: chowk // Lab: KHU // Date: 2022. 10. 15 // Assembly 프로그램에서 C로 작성된 Subroutine을 Call 하는 예제 이다. # ifndef atmega128 #define atmega128 # endif #define FOSC 16000000// Clock Speed #include <avr/io.h> // Definition file for ATmega128 // [Add all hardware information here] // Program Constants // Program Variables Definitions #define RG_TEMP r0 // Temporary Register #define RG_ZERO r1 // #define AC0 r16 // #define AC1 r17 // #define DATA_SIZE (m_end - m_x1) // SRAM Definitions .section .data .ORG 0x0000 sum: .word 0x0000 // Global 변수 sum // .data section에서 선언된 Global 변수는 자동으로 초기화되지 않는다. // Global 변수 초기화를 위하여 필요한 상수값은 .text section에 추가한다. x1: .word 0x0000 // Global 변수 x1 <- 2104 x2: .word 0x0000 // Global 변수 x2 <- 0212 x3: .word 0x0000 // Global 변수 x3 <- 1332 .section .text .global main // Main Entry into program main: // Global 변수 초기화 ldi ZL, lo8(m_x1) ldi ZH, hi8(m_x1) ldi YL, lo8(x1) ldi YH, hi8(x1) ldi AC1, DATA_SIZE loop1: lpm AC0, Z+ st Y+, AC0 dec AC1 brne loop1 // I/O Port Init clr AC0 sts PORTF, AC0 // PORTF : Memory Mapped I/O Port out _SFR_IO_ADDR(DDRD), AC0 // PORTD : I/O Maped Inputport ser AC0 out _SFR_IO_ADDR(PORTD), AC0 // Input Port PullUp sts DDRF, AC0 // PORTF : Output Port ldi r29, hi8(x1) // Y Pointer 에 Global 변수 x1의 시작 번지를 Load 한다. ldi r28, lo8(x1) // Y : r29:r28 ld r24, Y+ // x1 값을 r25:r24 을 이용 하여 Subroutne에 Pass 한다. ld r25, Y+ // ldi r29, hi8(x2) // 일반적으로 x2의 Pointer를 다시 Load 하여야 하나 // ldi r28, lo8(x2) // 이 Assembly 프로그램에서는 x2가 다음 번지에 할당 된 것을 알기 때문에 생략 할 수 있다. ld r22, Y+ // x2 값을 r23:r22 을 이용 하여 Subroutne에 Pass 한다. ld r23, Y+ // ldi r29, hi8(x3) // 일반적으로 x3의 Pointer를 다시 Load 하여야 하나 // ldi r28, lo8(x3) // 이 Assembly 프로그램에서는 x3가 다음 번지에 할당 된 것을 알기 때문에 생략 할 수 있다. ld r20, Y+ // x3 값을 r21:r20 을 이용 하여 Subroutne에 Pass 한다. ld r21, Y call add // c 언어로 작성된 Subroutine을 호출 한다. ldi r29, hi8(sum) // Y Pointer 에 Global 변수 sum의 시작 번지를 Load 한다. ldi r28, lo8(sum) st Y+, r24 // Subroutine 으로 부터 Return 된 결과를 sum에 저장 한다. st Y, r25 loop: in AC0, _SFR_IO_ADDR(PIND) // SW의 상태를 읽는다. andi AC0, 0x01 // SW0 를 테스트 한다. breq NEXT1 sts PORTF, r24 // SW0 가 Open 된 경우 sum의 LSD(8-bit)를 LED에 출력 한다. rjmp NEXT2 NEXT1: sts PORTF, r25 // SW0 가 Closed 된 경우 sum의 MSD(8-bit)를 LED에 출력 한다. NEXT2: rjmp loop // Loop Indefinitly // Global 변수 초기화에 사용되는 상수값 m_x1: .word 0x2104 // Global 변수 x1을 선언 하고 0x2104 으로 초기화 한다. m_x2: .word 0x0212 // Global 변수 x2을 선언 하고 0x0212 으로 초기화 한다. m_x3: .word 0x1332 // Global 변수 x3을 선언 하고 0x1332 으로 초기화 한다. m_end: .end
• GCC c 언어로 작성된 add 함수 프로그램 예
// Assembly 언어로 작성된 main programg에서 c 언어로 작성된 Subroutine을 call 예 #include <avr/io.h> #include <stdio.h> int short add( int short, int short, int short); int short add( int short x1, int short x2, int short x3) { // function call 과정(parameter passing, frame pointer 의 저장)의 이해 하기 위함. int short z; z = x1 + x2 + x3; return(z); // function 실행 결과의 return 과 stack 관리 기술의 이해를 하기 위함. }

• 실험을 위한 준비
• PD0에 Push button switch를 연결한다.
• PORTF에 저항(330Ω)과 LED Array(8Bits)를 연결한다.

참고자료: 8Bit-LED-array-module 제작 예

• 실험 방법
• GCC_asm_call_c_func_3v_add.zip 파일을 Download하여 압축을 해제한다.
• Build → Build Solution 를 실행 하면 프로그램이 Build 되어 GCC_asm_call_c_func_3v_add.hex 파일이 생성된다.
• GCC_asm_call_c_func_3v_add.hex 파일을 Target Board에 Upload 하고 프로그램을 실행한다.
• 실험:
• 프로그램이 시작되면 연산 결과의 하위 Byte 값이 LED Array(8Bits)에 출력된다.
• PD0 Push button switch를 누르면 결과의 상위 Byte 값이 LED Array(8Bits)에 출력된다.
• 이 프로그램은 uart 출력과 2진수를 10진수로 변환하는 프로그램 등을 생략하기 위하여 LED Array(8Bits)에 출력하도록 하였다.

c Listing file에 대한 이해

Listing file은 C Source file을 Complie 하면 생성되는 File로 프로그램 Debugging에 자주 사용 되는 중요한 File 이다.

• Listing file 이해를 위한 C Source file과 Compile 하여 생성된 Listing file 예
• Listing file을 설명 하기 위한 C Source file 예
#include <avr/io.h> // Initialize Port void port_init(void){ PORTD = 0xff; // External SW PullUp DDRD &= (~0x03); // Input Port : PD0, PD1 PORTF = 0x00; DDRF |= 0x03; // Output Port : PF0, PF1 } int main(void){ port_init(); while(1){ PORTF = PIND; } }
• 위 C Source file을 Compile 하여 생성된 Listing file 예: sw_led_basic_lss.pdf
• C 프로그램에서 함수를 Call 할 경우 Parameter passing과 함수에서 결과를 Return 하는 방법을 설명 하기 위한 C Source file: ex_AVR_c_c_parameter_pass_add_c.pdf
• 위 C Source file을 Compile 하여 생성된 Listing file: ex_AVR_c_c_parameter_pass_add_lss-Os.pdf
• 위 File의 Compile 결과 생성된 실행 File(Intel hex format): ex_c_c_parameter_pass_add_HEX.pdf

C 프로그램과 Assembly 언어 프로그램을 Mixing한 프로그램 개발 관련 페이지 보기

• ATmega128 I/O Port - ASM
• Switch debouncing 과 Keypad Interfacing - ASM