HC9S12X 定义及访问直接寻址区

男娘i 2022-06-05 02:08 172阅读 0赞

从官方文档[TN238][]中，我们知道了HC9S12X微控制器有直接寻址区这个概念，并且由它的示例得知访问直接寻址区的变量只需要一个字节的地址；嗯，比常用的扩展寻址区省了一个字节，很不错的特性，但是它并没有说清楚定义并访问直接寻址区的整个步骤。

后来，发现自带的代码示例里有DirectData这个示例工程，哇，赶快开始学习。使用示例工程的时候十分成功，但是当想在自己的代码上使用直接寻址区的变量时就出问题了，只要uCOS-II一切换任务，程序就直接跑飞。搞了我好久。好在终于明白怎么回事了。来给大家分享下学习成果。

# 定义变量到直接寻址区 #

## 基础知识 ##

我们知道S12X单片机是16位单片机，正常访问内存地址的时候需要使用16位地址。但是访问直接寻址区(或说，使用直接寻址模式)时却只需要8位地址，那另外8位哪去了呢？其实另外(高)8位是由DIRECT寄存器控制的，比如现在DIRECT寄存器中的值是0x30，然后你访问0x34处的变量其实就是在访问0x3034。

## 修改prm文件 ##

从另一个角度来看，因为直接寻址只用到了8位地址，所以必须得把所有要直接寻址的变量都定义在某个0xXX00-0xXXFF地址内，只可以少不可以多。为了实现这一步，需要修改prm文件。

下面假设我要把直接寻址区定在0x2000-0x20FF。

打开prm文件，把原来的：

SEGMENTS
    ...
          RAM           = READ_WRITE  DATA_NEAR            0x2000 TO   0x3FFF;
    ...
    END
    PLACEMENT
    ...
    END

修改为：

SEGMENTS
    ...
          RAM_DIRECT    = READ_WRITE  DATA_NEAR            0x2000 TO   0x20FF;
          RAM           = READ_WRITE  DATA_NEAR            0x2100 TO   0x3FFF;
    ...
    END
    PLACEMENT
    ...
          DIRECT_DATA       INTO  RAM_DIRECT;
    ...
    END

## 数据定义和声明 ##

对所有要定义在直接寻址区的变量：  
像这样进行定义：

#pragma DATA_SEG __SHORT_SEG DIRECT_DATA
    int oftenUsed1, oftenUsed2, oftenUsed3; /* these variables are accessed with 8-bit addresses */
    
    int oftenUsed[10] = {
      0,1,2,3,4,5,6,7,8,9
    };
    #pragma DATA_SEG DEFAULT

像这样进行声明：

#pragma DATA_SEG __SHORT_SEG DIRECT_DATA
    extern int oftenUsed1, oftenUsed2, oftenUsed3; 
    extern int oftenUsed[];
    #pragma DATA_SEG DEFAULT

这样链接器就知道要把这些变量放到DIRECT\_DATA这个segment中。编译器就会考虑用直接寻址的方式访问它们。

注意：

对于所有要使用这变量的代码，一定要让它见到(比如include包含这个声明的头文件)以上形式(主要是\#pragma语句)的定义或者声明，否则它不会知道这个变量在直接寻址区，也不会进行对应优化。

# 访问直接寻址区的变量 #

## 配置编译器 ##

首先要配置编译器，让编译器知道你使用了DIRECT寄存器，以及知道DIRECT寄存器的值，这样编译器才知道怎么优化及产生正确的代码。

菜单栏 Edit->XXXX Settings… 或 Alt + F7 打开配置窗体。  
选择Target->Compiler for HC12。添加命令行选项-CpDirect8192或者-CpDirect0x2000。  
这句是让编译器知道直接寻址区定义在了0x2000上，同时也定义了宏。  
![SouthEast][]

注意：

如果用到了汇编代码，在Target->Assembler for HC12里最好也添加命令行选项-CpDirect8192或-CpDirect0x2000。

## 修改DIRECT寄存器的值 ##

尽可能早地，起码在用到直接寻址区之前(比如main函数的一开始)，修改DIRECT寄存器的值为你配置的地方对应的值，这个只能手动改，编译器不会帮忙添加这段代码。

DIRECT = __DIRECT_ADR__ >> 8;   /* initialize the DIRECT register. This value matches 
                                         the value specified on the command line of the Compiler 
                                         (e.g. 0x20 for -CpDIRECT0x2000) */

这样产生的代码才能正确的访问直接寻址区。

## 生成的访问代码 ##

访问直接寻址区的代码没什么特别的，就和访问扩展寻址区的一样；区别是生成的代码。

...
       52:      oftenUsed1 = oftenUsed1 + 2*oftenUsed2 +3*oftenUsed3;
      0003 dc00         [3]     LDD   oftenUsed2
      0005 59           [1]     LSLD  
      0006 d300         [3]     ADDD  oftenUsed1
      0008 b745         [1]     TFR   D,X
      000a dc00         [3]     LDD   oftenUsed3
      000c cd0003       [2]     LDY   #3
      000f 13           [1]     EMUL  
      0010 1ae6         [2]     LEAX  D,X
      0012 5e00         [2]     STX   oftenUsed1
      ...
       64:      normalUsed1 = normalUsed1 + 2*normalUsed2 +3*normalUsed3;
      002f fc0000       [3]     LDD   normalUsed2
      0032 59           [1]     LSLD  
      0033 f30000       [3]     ADDD  normalUsed1
      0036 b745         [1]     TFR   D,X
      0038 fc0000       [3]     LDD   normalUsed3
      003b cd0003       [2]     LDY   #3
      003e 13           [1]     EMUL  
      003f 1ae6         [2]     LEAX  D,X
      0041 7e0000       [3]     STX   normalUsed1
      ...

可以看出，每次访问直接寻址区都比访问扩展寻址区的变量少产生1字节代码。

另外，直接寻址区的数组如果使用变量系数，则没有任何优化。

...
       31:    oftenUsed1 = oftenUsed[i];     /* -> thereis no gain to access arrays in the direct page range with variable index     */
      0009 ee80         [3]     LDX   0,SP
      000b 1848         [2]     LSLX  
      000d ece20000     [4]     LDD   oftenUsed,X
      0011 5c00         [2]     STD   oftenUsed1
      ...
       39:    nornalUsed1 = nornalUsed[i];  /* above                                           */
      000d ee80         [3]     LDX   0,SP
      000f 1848         [2]     LSLX  
      0011 ece20000     [4]     LDD   nornalUsed,X
      0015 7c0000       [3]     STD   nornalUsed1
      ...

但是如果是使用常量系数的话，就能得到优化

...
       56:    oftenUsed[3] = 10;     /* howerver, with a constant index, arrays accesses can be optimized too   */
      0024 c60a         [1]     LDAB  #10
      0026 87           [1]     CLRA  
      0027 5c00         [2]     STD   oftenUsed:6
      ...
       68:    nornalUsed[3] = 10;   
      0054 c60a         [1]     LDAB  #10
      0056 87           [1]     CLRA  
      0057 7c0000       [3]     STD   nornalUsed:6
      ...

# 注意事项 #

① 可能有聪明的小朋友想到，可以使用DIRECT寄存器和直接访问模式配合的方式来寻址，这样如果需要成片成片访问地址时就可以增加效率了！但是这有个问题，芯片手册中(198页)提到，DIRECT寄存器在特殊模式下可以任意写，但是在其他模式下只能写一次。所以可能你在BDM调试时没有问题，但是正常运行时却出问题。当然，这条我没有进行验证，感兴趣的朋友可以试试。

② DIRECT寄存器必须由用户代码来初始化。自动生成的代码不初始化DIRECT寄存器。

③ 虽然这里是以 RAM存储器\\变量 作为例子，但实际上直接寻址区可以定义在整个逻辑地址的任意地方，如寄存器区、EEPROM、RAM、D-flash、P-flash。

④ 前面说到我在uCOS-II中使用直接寻址区时程序会跑飞。  
最后发现原因就是因为没有给汇编器添加命令行选项-CpDirect8192。

而uCOS-II有一个汇编文件 os\_cpu\_a.s，其中有很多负责出栈入栈PPAGE、RPAGE、EPAGE和GPAGE的代码。如：

pula                               ; Get value of PPAGE register
        staa   PPAGE                       ; Store into CPU's PPAGE register                                
    
        pula                               ; Get value of RPAGE register
        staa   RPAGE                       ; Store into CPU's RPAGE register                                
    
        pula                               ; Get value of EPAGE register
        staa   EPAGE                       ; Store into CPU's EPAGE register                                
    
        pula                               ; Get value of GPAGE register
        staa   GPAGE                       ; Store into CPU's GPAGE register

在默认情况下，汇编器会将其优化，生成的代码是(以PPAGE为例，其他类似)：

122  122   000016 32              pula                               ; Get value of PPAGE register
      123  123   000017 5A15            staa   PPAGE                       ; Store into CPU's PPAGE register

这是使用了直接寻址的方式来进行访问，因为汇编器认为我们没用到DIRECT寄存器，所以认为其值为默认的0，所以就优化为了使用直接寻址的方式访问PPAGE寄存器(地址为0x0015)。但是由于我已经把DIRECT寄存器设置为了0x20，这样就变成实际访问的是0x2015，结果就出问题跑飞了。

为了生成正确的程序，一种方式是按如上所述添加命令行选项，让汇编器意识到现在DIRECT寄存器的值是0x20，这样就不会进行这种优化。另外一种是把所有XPAGE寄存器前面都加个 ‘>’ ，这样就可以强制使用扩展寻址了：

pula                               ; Get value of PPAGE register
        staa   >PPAGE                      ; Store into CPU's PPAGE register

用任一方法后，生成的代码就变成了：

122  122   000016 32              pula                               ; Get value of PPAGE register
      123  123   000017 7A00 15         staa   >PPAGE                      ; Store into CPU's PPAGE register

这样后就不会跑飞了。 但是因为所有ISR都要写类似的东西，所以还是直接添加命令行选项吧。

这也引出了个尴尬的问题，如果要使用直接寻址区这个特性的话，就得使得uCOS每次任务切换或者进出中断都会多出8个字节的开销(2\*4)，更进一步想，原来访问0x0000-0x00FF的地址(默认为各种寄存器)的代码都会默认优化为直接寻址，改了DIRECT寄存器后等于对这里的寄存器的访问全部都多了1字节。

所以到底要不要使用直接寻址这个特性呢 -\_-|| 可能得权衡下。

# 参考文献 #

\[1\] Freescale semiconductor. MC9S12XEP100 Reference Manual Covers MC9S12XE Family . 2008.  
\[2\] Freescale semiconductor. HCS12X – Data Definition. [https://www.nxp.com/docs/en/application-note/TN238.pdf][https_www.nxp.com_docs_en_application-note_TN238.pdf]  
译文：[http://blog.csdn.net/lin\_strong/article/details/78110162][TN238]

[TN238]: http://blog.csdn.net/lin_strong/article/details/78110162
[SouthEast]: /images/20220605/07bbb8db238c4e27954d2d94983b90a9.png
[https_www.nxp.com_docs_en_application-note_TN238.pdf]: https://www.nxp.com/docs/en/application-note/TN238.pdf