Ассемблер для микроконтроллера с нуля

↑ Операция ИЛИ

Результат равен 1 если хотя бы один из двух бит пары равен 1.

↑ Операция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ

Результат равен 1 только, если один из двух бит пары равен 1, а другой — 0.



Отмечу, что форма записи логической операций в Таблице 1 и соответствующая ассемблерная команда (инструкция) МК — не одно и то же. Кроме того, на иллюстрациях операций между двумя регистрами (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ) результат, для наглядности, записывается в третий регистр, в реальности же он, обычно, сохраняется в первом из двух, участвующих в операции регистров.
В Таблице 2 приведены некоторые инструкции логических операций МК AVR и ARM с кратким описанием их работы.

↑ О практической пользе логических операций

Чтобы вам было легче понять, а мне — объяснить суть вопроса, представим 8-битный регистр (Data Register, DR), входящий в состав микроконтроллера и ответственный за связь последнего с внешним миром. Подключим к выводам DR лампочки и договоримся о двух вещах:

1. Мы не можем делать с DR ничего, кроме записи/чтения числа в/из него, да и то не напрямую, а только через вспомогательный регистр r0. К чему такие сложности, вы поймёте из следующего раздела главы.

2. Логика нашего устройства — прямая т. е. число 1 в n-м бите DR включает соответствующую лампу, а 0 — выключает.

Включим жёлтую лампу на выводе 7, записав через r0 в регистр DR число 0b10000000 (128 в десятичной системе счисления), и пусть себе горит. Поскольку речь пойдёт о логике, забудем на время об электрической грамотности и изобразим наше устройство следующим образом:



Как включить красную лампу, подключённую к выводу 4, а затем выключить её, не меняя состояние включённой ранее жёлтой лампы или, если обобщить, как изменить состояние одного или нескольких битов регистра DR, не меняя состояния остальных? Легко сообразить, что для включения красной лампы надо добавить 1 в четвёртый бит и полученное число 0b10010000 (144) записать в DR.



Чтобы выключить красную лампу, не меняя состояния жёлтой, необходимо вернуть в DR число 128. Казалось бы, всё просто и можно вполне обойтись без логических операций. Но, обратим внимание на следующую не очевидную деталь: формируя числа для включения/выключения лампы, мы не должны забывать, что в седьмом бите в обоих случаях должна быть единица. Запомнить номер одного бита — 7 — не сложно так же, как и его состояние, тем более, что оно неизменно. К тому же, регистр у нас — всего один, да и картинка перед глазами облегчает дело.

В реальности картинок, как вы понимаете, нет, а регистров может быть сотни, к тому же 32-битных. Более того, по ходу программы их значение может меняться не один раз. Выходит, программист, чтобы поменять состояние одного бита, должен помнить текущее состояние оставшихся 31 битов для формирования правильного числа. И так — для сотен регистров. И это ещё не самое худшее. Не редко бывает так, что состояние одного или нескольких битов регистра определяется внешними устройствами (кнопками, сенсорами и т. д.) и тогда мы можем даже не знать, каково их текущее состояние.

Короче говоря, нужен механизм, пригодный для чисел любой длины и позволяющий нам менять состояние заданного бита, не затрагивая остальные, т. е. не утруждая себя знанием их текущего состояния. Такой механизм реализуется с помощью логических операций при условии наличия ещё одного вспомогательного регистра — r1.

Операция ИЛИ позволяет записать 1 в любой бит числа, не меняя состояния остальных битов, для чего потребуется:
1. Считать текущее значение DR в r0.
2. Записать в r1 число, в котором значение требуемого бита равно 1, а остальных — 0. В случае с красной лампой это — 4-й бит, а число — 0b00010000.
3. Применить операцию ИЛИ посредством инструкции OR r0, r1 (или ORR r0, r1 — для ARM), результат работы которой, как видно из Таблицы 2, запишется в r0.
4. Скопировать полученное число из r0 в DR.



Очевидно, операция дополнительно к жёлтой не включит ни одной лампы, кроме красной. Более того, если бы мы вдруг забыли, что красная лампа уже включена (1 в четвёртом бите DR до операции) и, тем не менее, провели операцию, это было бы лишь повторное включение и без того включенной лампы, что — не смертельно.
Если включить воображение, можно сказать, что в ходе операции число в r1 накладывается, подобно маске, на число в r0 для получения требуемого результата, поэтому далее будем использовать этот термин.

Операция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ меняет значение требуемого бита на противоположное, не затрагивая остальные биты, если:
1. Считать текущее значение DR в r0.
2. Записать в r1 такую же, как и в предыдущем случае, маску — 0b00010000.
3. Применить операцию ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ посредством инструкции EOR r0, r1.
4. Скопировать полученное число из r0 в DR.
На Рисунке 17 приведён пример включения и последующего выключения красной лампы без изменения состояния жёлтой посредством двойного применения инструкции EOR r0, r1.



С помощью операции И можно обнулить любой бит числа, не меняя состояния остальных, для чего нужно:
1. Считать текущее значение DR в r0.
2. Записать в r1 маску, в которой значение требуемого бита равно 0, а остальных — 1, т. е. 0b11101111 в нашем случае.
3. Применить операцию И посредством инструкции AND r0, r1.
4. Скопировать полученное число из r0 в DR.



Как легко убедиться, будь любая другая лампа, помимо жёлтой, включена до операции, её состояние не изменилось бы и после. Опять же, если красная лампа будет изначально выключена (0 в четвёртом бите DR до операции), мы, применив по забывчивости операцию И, всего лишь получим попытку её повторного выключения.

Всё, изложенное выше, работает, при внесении соответствующего изменения в маску, и в случае, когда речь идёт об одновременном изменении состояния нескольких битов. Например, если параллельно с красной, требуется включать/выключать лампу на нулевом выводе DR вид маски будет следующим:

• 0b00010001 — для операций ИЛИ/ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ,
• 0b11101110 для операции И.

Есть ещё одна польза от применения логической операции И — возможность проверить текущее состояние любого бита регистра. Предположим, что включение/выключение красной лампы обусловлено положением внешнего переключателя, подключённого ко 2-му выводу DR. Тогда, следует периодически:
1. Считывать текущее значение DR в r0.
2. Записывать в регистр r1 маску, в которой 2-й бит равен 1, а остальные — 0, т. е. 0b00000100.
3. Применять операцию И посредством инструкции AND r0, r1.



Вы можете, меняя на Рисунке 19 содержимое r0 до операции, убедиться, что после операции в него всегда будет возвращаться число 0 (0b00000000), кроме единственного варианта — когда состояние 2-го бита DR, а значит и r0, до операции, равно 1. В этом случае в r0 после операции запишется число 0b00000100, что и будет сигналом для включения красной лампы. Во всех остальных случаях её следует выключать.
Приведённый пример проверки состояния справедлив и для комбинации битов. То есть, если бы включение красной лампы определяла комбинация из единиц в 0-м и 5-м битах регистра DR, то маской и числом в r0 после операции, обуславливающим включение красной лампы, будет 0b00100001.