Excel как транслятор в ассемблер AVR

Предпосылки

Ряд статей (раз, два, три) навел на мысли о том, что Excel можно использовать как транслятор в ассемблерный код AVR.

Сопоставим Excel с основными фичами «обычного» редактора кода. Список самых популярных фич следующий:

Выглядит приемлемо. Кое-что достается «даром», кое-что надо доработать.

Но главное отличие табличного процессора от текстового – пользователь может размещать блок информации в произвольном месте пространства, а не только друг под другом. Эту особенность мы используем, чтобы превратить плоский код в почти полноценную блок-схему.

Первоначальные соглашения

Общий подход и терминологию примем отсюда.

Весь алгоритм разделим на ветки. Ветка играет роль самостоятельного программного блока.
У каждой ветки есть имя, которое является точкой входа в нее. Оно должно быть уникальным и осмысленным. Все имена веток размещаются в верхней строке, которую так и назовем – «строка имен».

Ветка заканчивается одним или несколькими переходами к другим веткам. Переходы от одной ветки к другой размещаются в самой нижней строке. Назовем ее «строка переходов».

Также принимаем правило, что изнутри одной ветки нельзя переходить внутрь другой.

Для ветвлений и циклов внутри ветки также применяются метки. То есть меток в программе очень много. Каждый раз придумывать новое уникальное имя – это рутина. Здесь на помощь приходит базовая функциональность Excel. Каждая ячейка уже имеет уникальное имя, состоящее из имени столбца и номера строки.

На VBA создадим функцию label с аргументом типа Range. Метка в ассемблере AVR должна иметь на конце двоеточие. Т.е. наша функция labelполучает на вход ссылку на ячейку, в которой размещается сама и вычисляет ее адрес в формате A1. Затем добавляет к ней текст «_M:». Фрагмент «_M» не случаен, мы будем использовать это дальше – в форматировании ячеек.

Визуализация переходов

В настоящих визуальных средах переходы обозначаются стрелками. Это удобно и наглядно.
В табличном процессоре вместо стрелочек можно подкрашивать ячейки, образующие путь к метке от команды перехода. В примерах так и сделано.

Если получается уместить весь код ветки на один экран, то можно не отрисовывать маршруты. Все команды перехода и метки будут перед глазами.

Для блок-схем существуют стандарты на обозначения отдельных элементов. Например, прямоугольник – это вычисление; ромб – условие и т.д. При работе с табличным процессором нам доступны управление цветом, начертанием и границами.

В Excel есть удобная функция условного форматирования. Использовать ее можно по-разному, но мы введем всего три простых правила:

1. Непустая ячейка в строке имен и в строке переходов красится в желтый цвет;
2. Непустая ячейка в теле ветки красится в оранжевый;
3. Ячейки с «локальными» метками и командами перехода красятся в синий. Это непустая ячейка, которая содержит символы «_М», о которых упоминалось выше.

На гифке ниже представлено, как работа с метками и переходами выглядит после всех настроек.

Порядок формирования конечного листинга

Сборщик листинга обходит итоговую программу сверху вниз и справа налево. По одной ячейке за раз.

Алгоритм сборки пропускает пустые ячейки и ячейки, которые содержат символ «;», т.е. комментарии.

Отладка алгоритма и окончательная сборка проекта происходит в студии. Обратная связь кода в студии с ячейками Excel отсутствует. Поэтому для ловли ошибок в итоговый листинг напротив каждой команды указываем ссылку на ячейку. По этой ссылке мы находим проблемную команду на схеме в Excel.

Базовое алгоритмическое решение – это ветвление вида:

If <условие> then 
    <действие>
Else
    <действие>
End if

Для него в ассемблере AVR есть команды условного перехода (breq, brne, sbic и прочие). Эти команды указывают программе, куда перейти при выполнении условия.

Теперь представим, как должна выглядеть программа такого ветвления с учетом озвученных выше принципов:

У команды brne и ее аналогов есть ограничение. Дальность перехода составляет 64 слова в каждую сторону. Поэтому длинный макрос, вставленный в ответвление «Нет» может вызвать out of range.

Для обхода этого ограничения обработку «Нет» производить в отдельной ветке, которая будет правее метки перехода от brne. Либо использовать подпрограмму, в которой вызывается макрос.

Select Case

Если выбирать приходится из большого количества вариантов, в ЯВУ используется Select Case:

Select Case <переменная>
    Case <условие1>
    Case <условие2>
    Case <условие3>
    Case else
End select

На ассемблере под AVR доступны индексные переходы. Покажем вариант реализации.

Здесь видно, что нарушен запрет прыжка из тела ветки к другой ветке. Это сделано преднамеренно, иначе программа займет слишком много места по горизонтали.

По этой же причине вектор прерываний следует выполнить в один столбик.

Цикл с постусловием

Цикл, когда необходимо минимум одно повторение, в нотации ЯВУ выглядит следующим образом:

Do
    <действие>
Loop while <условие>

Пример, как это выглядит в Excel и итоговый код в студии:

Цикл с предусловием

Пример на ЯВУ:

Do while <условие>
	<Действие>
Loop

Пример, как это выглядит в Excel и итоговый код в студии:

Цикл со вложенным циклом

Обработка массивов или работа с числами предполагает использование вложенных циклов.

Общий вид на ЯВУ:

Do
    Do
        <действие>
    Loop while <условие 2-го уровня>
    <действие>
Loop while <условие 1-го уровня>

Реализовать вложенный цикл можно двумя путями: либо внутри одной ветки, либо с помощью нескольких веток. Покажем оба варианта.

Цикл с выходом по условию

Есть ситуации, когда из цикла необходимо выйти до его окончания. Например, логический ноль на 0-вой ножке порта D может говорить о какой-то неисправности. Программа должна покинуть основной цикл и запустить тревогу.

В ЯВУ используется команда break, а общий алгоритм имеет следующий вид:

Do 
    <действие>
    If <условие прерывания> then break
Loop while <условие>

Снова покажем, как будет выглядеть алгоритм без веток и с ветками.

Вызов подпрограмм

Подпрограммы вызываются командами call, icall, rcall. Тут есть важная особенность. Подпрограмму необходимо вызывать строго из тела ветки. Если же вызов разместить в строке переходов, возврат из подпрограммы почти гарантированно произойдет в неверное место.

Обязательные требования к подпрограмме:

• сама подпрограмма обязательно начинается с имени-метки;
• последняя команда подпрограммы обязательно должна быть ret и размещаться в строке переходов.

Внутренняя структура подпрограммы может быть произвольной – применяем все те же автоматические метки label для реализации логики.

Пример с бегущим огоньком

Приведем код тестовой программы с бегущим огоньком. Пример включает циклы, ветвления и вызов подпрограммы.

Конечный результат выглядит так:

Листинг всей программы в Excel со скрипом уместился на один экран:

Итоги

Что не понравилось

1. Изложенный метод вряд ли подойдет для работы над большим проектом с участием целой команды. Контроль версий, диффы и т.д. все равно придется решать на стороне.
2. В режиме отладки очень неудобно без двух мониторов. Сама отладка ведется в студии, а блок-схема в Excel. Это разные окна, требуются переключения.
3. Программа быстро пухнет в горизонтальном направлении. При этом в Excel прокрутка в сторону грубая и неудобная.
4. Болезнь блок-схема как таковых – много пустого места. Для комфортной работы на одном экране разрешением 1280х1024 должно быть около 5 столбиков и 45 строк с информативными ячейками. Не более 20% от этого количества будет заполнено самими командами (это 45 команд). Остальное пространство – жертва визуальному представлению и комментариям. Примерно столько же команд помещается в окно студии на один экран.

Что понравилось

1. Проектирование алгоритма «сверху вниз» складывается очень естественно. Объявляем только имена и переходы.
2. Код в Excel можно открыть в несколько окон. В Atmel Studio доступно только разделение экрана по горизонтали.
3. Сокращение рутинных действий при работе с именованными сущностями.
4. Контроль меток не требует внимания. Переместили или переименовали метку – все переходы автоматически получат изменения. Удаление метки приведет к ошибке, которую легко найти визуально.
5. Excel как транслятор очень просто расширять новыми функциями. Что-то доступно через формулы, что-то – через макросы VBA.

Точки роста

1. Оптимизация работы с метками и переходами. Если в итоговом листинге команда «Переход на метку» расположена прямо над самой меткой, команду с переходом можно убрать. Освободим 4-5 тактов. Если конструкция вида «Переход на метку А – Метка А – Переход на метку Б – Метка Б» не содержит внутри никаких команд, то «Переход на метку Б» убираем, а «Переход на метку А» меняем на «Переход на метку Б». Также сэкономим 4-5 тактов.
2. Дополнительные проверки на ошибки. Макросом легко организовать проверку, нет ли «висящих» блоков, которые не кончаются переходами. Также макросом можем найти и удалить неиспользованные метки, которые при отладке отвлекают внимание.
3. Можно ввести собственные правила раскрашивания ячеек.
4. Если бы табличный процессор был встроен в студию как редактор кода, то производить отладку сразу на такой блок-схеме было бы очень удобно.

Автор: PalaginAV30

Источник