AVR 微控制器中的 CALL 指令和堆栈

简介

在 AVR 微控制器中，CALL 指令是用于函数调用的。当一个函数被调用时，将会跳转到函数的入口地址。在代码执行期间，CALL 指令将会将返回地址压入一个称为“堆栈”的内存区域中。

堆栈的概念

在 AVR 微控制器中，堆栈是一种后进先出的数据结构，用于临时存储指令返回地址和其他数据。堆栈使用了一块特定的内存区域，存储结构如下所示：

                 进栈                             出栈
            +-------------+                 +-------------+
            |  数据区域   |                 |  数据区域   |
            +-------------+        --->     +-------------+
            |   返回地址  |                 |   返回地址  |
栈底指针 -->+-------------+        <---     +-------------+
            |   参数/局部变量 |               | 参数/局部变量 |
            +-------------+                 +-------------+
                     ·                               ·
                     ·                               ·
                     ·                               ·
            +-------------+                 +-------------+
            |   返回地址  |                 |   返回地址  |
栈顶指针 -->+-------------+                 +-------------+

在 CALL 指令执行之前，将当前指令地址压入堆栈中。在函数返回时，从堆栈中弹出该地址并跳转到该地址。

堆栈指针 (SP) 是一个指向堆栈顶部的指针。当数据被推入堆栈时，指针向下移动。当数据从堆栈中弹出时，指针向上移动。

CALL 指令

CALL 指令的语法如下：

CALL subroutine

其中，subroutine 是将要跳转到的子程序的地址。执行 CALL 指令时，将当前指令的下一条指令地址压入堆栈中，并跳转到 subroutine。

在 AVR 微控制器中，返回地址被压缩为一个两字节的值。因此，在 CALL 指令之前，需要将 PC (Program Counter，指向当前指令的指针) 值加 2。这是因为在指令执行期间，PC 指针将指向下一条即将执行的指令。

代码示例

下面是一个使用 AVR 微控制器编写的简单程序，用于演示 CALL 指令和堆栈的用法：

.org 0x0000           ; 告诉编译器将代码放在内存地址 0x0000 处 

main:
   ldi r16, 0x08      ; 将 0x08 存储到寄存器 r16 中
   call subroutine    ; 调用子程序
   jmp endprogram     ; 跳转到程序结束点

subroutine:
   push r16           ; 将寄存器 r16 压入堆栈中
   ldi r16, 0xFF      ; 将 0xFF 存储到寄存器 r16 中
   pop r17            ; 将从堆栈中取出的返回地址存储到寄存器 r17 中
   ret                ; 从子程序返回

endprogram:
   rjmp endprogram    ; 程序结束

在这个程序中，main 函数将立即将值 0x08 存储到寄存器 r16 中。然后，它将调用 subroutine 子程序，并跳转到 .org 0x0000 后的下一条指令。

在 subroutine 子程序中，寄存器 r16 的值将被压入堆栈中。然后，将 0xFF 存储到寄存器 r16 中，并从堆栈中弹出返回地址，存储在寄存器 r17 中。最后，使用 ret 指令从 subroutine 返回，并将控制权交给 main。

在这个简单的例子中，我们展示了如何使用 CALL 指令和堆栈来调用子程序。堆栈非常重要，因为它允许子程序在返回前保存其上下文状态。

结论

CALL 指令和堆栈在 AVR 微控制器编程中是非常重要的。使用它们可以轻松地在程序代码中调用子程序并维护其上下文状态。同时，需要注意的是，使用堆栈时需要小心，以防止堆栈溢出和内存泄漏。