La pila en MC9S08Q128 y su uso
El microcontrolador MC9S08QE128 incluye un registro denominado "Stack pointer" o "Apuntador a pila", el cual sirve para controlar la función de pila que incluye éste. La pila cumple un papel extremadamente importante para la programación dentro del microcontrolador, pues permite guardar direcciones de memoria al momento de entrar en interrupciones, y permite guardar variables temporales o locales. Su buen uso es vital para poder crear códigos bien estructurados y sin tener que declarar variables globales una y otra vez. El uso de la pila puede hacer la diferencia entre un código ordenado y un completo desastre en programas con muchas subrutinas, pues esta sirve como una especie de "registro temporal" donde se pueden declarar un grupo de variables temporales que pueden ser limpiadas y utilizadas posteriormente para declarar otro grupo de variables.
Contenido
¿Qué es la pila?:
La pila (Conocida en inglés como Stack) es un tipo de dato abstracto, donde predominan dos operaciones, insertar (Push) y retirar (Pop). La pila sigue el principio LIFO (Acrónimo para last in, first out) en el cual el último dato insertado es el primero que se puede retirar. Se puede representar de la siguiente manera: Cada dato es una hoja de papel, y se van acumulando los datos uno sobre otro. Solamente se puede retirar la hoja de papel que se encuentra en el tope de la pila, es decir, el dato que se insertó de ultimo.
El registro SP y su inicialización
Ver: Registro SP
Instrucciones del HCS08 relacionadas a la pila
| Nº | Instrucción | Descripción |
|---|---|---|
| 1 | PSHA / PSHH / PSHX |
Toma el dato guardado en acumulador (A), en el registro H (H) o en el registro X (X) y lo guarda en la dirección apuntada por el Stack Pointer. Posteriormente, decrementa el valor del registro SP en uno |
| 2 | PULA / PULH / PULX |
Se incrementa el valor del registro SP en uno, y posteriormente se guarda el dato guardado en la dirección de memoria a la cual apunta SP en el acumulador (A), en el registro H (H) o en el registro X (X). Finalmente, la dirección de memoria de donde se tomó el dato se define como espacio sin declarar. |
| 3 | LDA 'operando',SP |
Se carga el valor de la dirección de memoria "operando + SP". Muy util para poder movernos a traves de cada una de las variables temporales definidas en pila sin tener que hacer varias operaciones de Pull. |
| 4 | STA 'operando',SP |
Se guarda el dato almacenado en acumulador en la dirección de memoria "operando + SP". Al igual que su contraparte LDA, es muy util para modificar variables almacenadas en pila sin realizar Pull y Push varias veces |
| 5 | AIS # |
|
| 6 | TSX |
Transfiere el contenido del registro SP al registro HX. Es muy util a la hora de guardar la dirección de una cierta variable y mover el apuntador a pila a la vez.
|
| 7 | TXS |
Transfiere el contenido del registro HX menos uno al registro SP
|
| 8 | RSP |
Escribe 0xFF sobre el registro bajo de SP. Si se inicializa el registro SP en 0x17FF y no se insertan más de 255 variables se puede utilizar esta instrucción para resetear el apuntador a su posición inicial (Pasamos de 0x17XX a 0x17FF) |
Cómo funcionan las variables temporales en pila
En construcción
Advertencias al momento de usar la pila
- Es obligatorio inicializar el Stack Pointer al comienzo del programa. Así no se utilice para guardar variables temporales propias, este se utiliza para guardar la dirección del Program Counter al realizar un branch a una subrutina o realizar una interrupción
- Se debe tener cuidado con la posición de memoria donde se inicializa el Stack Pointer, pues podría sobrelaparse con alguna región del programa y producir errores. Se recomienda siempre inicializarlo en la dirección 0x17FF
- Es muy importante siempre balancear la pila al terminar de usarla. Balancear la pila se refiere a que al momento de declarar variables temporales y dejar de usarlas se deben limpiar dichas variables para poder usar el mismo espacio de memoria nuevamente
Como ejemplo a este punto, vease el siguiente código:
Rutina:
PSHA ;Hacemos Push tres veces del contenido del acumulador en pila
PSHA
PSHA
CLRA ;Limpiamos acumulador
ADD 1,SP ;Sumamos tres veces el acumulador con el contenido que tenía antes de hacer CLR.
ADD 2,SP
ADD 3,SP
STA Resultado ;Guardamos el contenido en resultado
CMPA #255
BNE Rutina ;Si el resultado no es 255, volvemos a ejecutar la rutina
Si inicializamos el Stack Pointer en 0x17FF, al ejecutar una vez la rutina SP apuntará a 0x17FC. La segunda vez que se ejecute la rutina, SP dejará de apuntar a 0x17FC y apuntará a 0x17F9. Observamos entonces que se van ocupando cada vez más posiciones de memoria, y si se ejecutara muchas veces la misma rutina, tarde o temprano la memoria de la pila se sobrelapará con la memoria del inicio de la RAM. Al no limpiarse las variables temporales (Aquellas introducidas por la operación PSHA), tarde o temprano ocurrirá el "Overflow" o desborde, al no poder agregar más elementos en la pila.
Para balancear la pila, es necesario limpiar las variables temporales al haber terminado la rutina. Es decir, debe haber tantas operaciones de PULL como operaciones de PUSH se hayan realizado
Rutina:
PSHA ;Hacemos Push tres veces del contenido del acumulador en pila. SP=17FE
PSHA ;SP=0x17FD
PSHA ;SP=0x17FC
CLRA ;Limpiamos acumulador
ADD 1,SP ;Sumamos tres veces el acumulador con el contenido que tenía antes de hacer CLR,
ADD 2,SP ;
ADD 3,SP ;
STA Resultado ;Guardamos el contenido en resultado
PULA ;Pull 3 veces para balancear pila, SP=0x17FD
PULA ;SP=0x17FE
PULA ;SP=0x17FF
LDA Resultado ;Recuperamos resultado para realizar comparación
CMPA #255
BNE Rutina ;Si el resultado no es 255, volvemos a ejecutar la rutina
Otra alternativa es emplear la instrucción AIS
Rutina:
PSHA ;Hacemos Push tres veces del contenido del acumulador en pila
PSHA
PSHA ;SP=0x17FC
CLRA ;Limpiamos acumulador
ADD 1,SP ;Sumamos tres veces el acumulador con el contenido que tenía antes de hacer CLR
ADD 2,SP
ADD 3,SP
STA Resultado ;Guardamos el contenido en resultado
AIS #3 ;Reseteamos pila a su posición original, SP=0x17FC + 0x0003 = 0x17FF
CMPA #255
BNE Rutina ;Si el resultado no es 255, volvemos a ejecutar la rutina
- Es extremadamente importante realizar el mismo balanceo de pila al entrar en subrutinas e interrupciones, pues al acceder a alguna de las dos la posición del PC (En este caso, la posición donde se ejecutará la siguiente instrucción tras salir de la subrutina o interrupción) se guarda dentro de la pila, y al tratar de salir de la subrutina o interrupción, el microcontrolador siempre asume que SP está apuntando hacia la dirección de la instrucción que viene justo despues de la subrutina . Si no se balancea la pila, es prácticamente seguro que ocurrirá un error al tratar de regresar al programa principal. Como ejemplo, vease el siguiente código:
mainLoop:
; Insert your code here
NOP
BSR Subrutina ;Al llegar aca, PC = 0x2086. Procedemos a la subrutina
CLRA ;PC=0x2088
BRA mainLoop
Subrutina:
;Al entrar en esta subrutina, automaticamente se guarda el valor de la dirección de la próxima instrucción
;dentro de la pila, 0x2088. Al terminar la subrutina, PC debería apuntar a dicha dirección
LDA #5
PSHA
PSHA
PSHA
CLRA
ADD 1,SP
ADD 2,SP
ADD 3,SP
TAX
PULA
PULA
;Quedan tres valores en pila, 0x05, 0x20, 0x88
;Como SP está apuntando a la dirección de 0x05
;Al tratar de salir de la subrutina, se tomará el byte más significativo de PC como 0x05
;y el menos significativo como 0x20 , por lo que PC apuntará a 0x0520
;En lugar de apuntar a donde debería, 0x2088
RTS
Si se balancea la pila en el código anterior, solamente quedarán dos valores almacenados en pila, 0x20 y 0x88, los cuales representan la dirección correcta hacia la proxima instrucción despues de la subrutina.
- Al comenzar a trabajar con la pila por primera vez en el programa, NO se debería comenzar con una instrucción de PULL. Coloquialmente hablando, no se puede sacar algo cuando no se ha metido nada, sin embargo el microcontrolador no se dará cuenta de ello y tratará de cargar el valor al que esté apuntando SP. Esto puede provocar conflictos, pues si se habia inicializado la pila en 0x17FF y se realiza una operación de Pull, SP apuntará hacia 0x1800, rompiendo con la condición inicial de que la base de la pila deb estar en 0x17FF. Al momento de programar, se fijan lineamientos y condiciones que de no seguirse, podrían provocar problemas en la lógica de los códigos y conflicto entre una y otras partes del programa.
- Es poco recomendable utilizar AIS para otra cosa que no sea limpiar variables. Si en lugar de sumarle valores positivos, se le suman valores negativos, el Stack Pointer se moverá varios espacios por encima del tope de la pila, dejando un espacio de memoria sin inicializar que podría traer problemas. Ejemplo:
LDHX #$17FF+1 ;Inicializamos Stack Pointer en 0x17FF
TXS
LDA #30
PSHA
LDA #40
PSHA ;Metemos 40 en la pila, SP=0x17FD
AIS #-4 ;SP=0x17FD - 0x0004 = 0x17F9
PULA ;Acá surgirá error
PULA
En el código de arriba se puede ver como se inicializa la pila en 0x17FF, se insertan dos bytes de datos, por lo que SP termina apuntando a 0x17FD. Luego, al realizar AIS #-4, se le resta 4 a SP y apunta hacia 0x17F9. Sin embargo, nunca se inicializaron los cuatro bytes entre 0x17F9 y 0x17FC, por lo que al tratar de realizar la operación de Pull surge error debido a que SP apunta a una región no inicializada
Ejemplos de códigos que emplean la pila
Rutina: Mascara para Leds
A veces se realizan diversas operaciones cuyo resultado se despliega en el acumulador, pero no hay ninguna variable global donde se pueda almacenar dicha información. Cuando se realiza una mascara para encender LEDS, se requiere modificar el dato original dos veces, negandolo y aplicandole una mascara para que solo se enciendan los LEDS que se deseen encender. Cuando se juntan estos dos casos, se puede presentar el problema de que tras realizar la mascara con un AND, se pierde el dato original. Dicho problema se puede resolver asignado una variable temporal al dato que se quiera enmascarar
;Supongamos que el acumulador tiene un cierto dato temporal que queremos desplegar en los LEDS
;Se encenderan los primeros dos y ultimos dos LEDS. Modificando el valor de los AND, se puede indicar
;cuales son los LEDS que se desean prender
PSHA ;Guardamos en pila el dato
AND #$03 ;Máscara para prender solo dos primeros leds de PTC
COMA ;Se realiza complemento a 1 del número (Lógica negada)
STA PTCD ;Encendemos los LEDS correspondientes a los pines C
PULA ;Recuperamos el dato original
AND #$C0 ;Máscara para encender solo dos últimos leds de PTE
COMA ;Se realiza complemento a 1 del número (Lógica negada)
STA PTED ;Encendemos los LEDS correspondientes a los pines E
EndOfProgram:
END
Complemento a 2 de número de 2 bytes
Dentro de la lista de instrucciones del HCS08, existe un comando llamado NEG (Complemento a 2), el cual toma el dato cargado en memoria, acumulador o registro X y lo multiplica por -1. Sin embargo, está limitado para números de 1 byte, y al momento de negar números de más de 1 byte, necesitamos implementar nuestra propia rutina:
;Supongamos que el valor que queremos negar se encuentra en HX (Y se encuentra en el rango de 32767 y -32768)
PSHX ;Insertamos en pila el byte menos significativo del número (Registro X)
PSHH ;Insertamos en pila el byte más significativo del número (Registro H)
LDA 1,SP ;Cargamos el byte más significativo
COMA ;Obtenemos su comp. a 1
STA 1,SP ;Lo guardamos de nuevo en pila
LDA 2,SP ;Cargamos el byte menos significativo
COMA ;Obtenemos su comp. a 1
ADD #1 ;Le sumamos 1 (Recordar de digitales como se define complemento a 2. COM2 = COM1 + 1)
STA 2,SP ;Guardamos resultado
LDA 1,SP ;Cargamos el byte más significativo
ADC #0 ;Sumamos el bit de carry
STA 1,SP ;Lo guardamos de nuevo en pila
PULH ;Cargamos el bit más significativo con complemento a 2 en H
PULX ;Cargamos el bit menos significativo con complemento a 2 en X
EndOfProgram:
END
Este código sirve como base para crear el programa de Complemento a 2 para números de más de 2 bytes
Advertencia: Recordar que al introducir la noción de complemento a 2, se utiliza un bit para definir el signo, por lo que en este caso solo se pueden representar números entre 32767 y -32768 para 2 bytes. Si se trata de obtener el complemento a 2 con un número fuera de ese rango se producirá Overflow y el resultado será erroneo. La completación del código para poder obtener el complemento a 2 de números de magnitud máxima 65535 (2 bytes exactos) se propone como ejercicio.
Números de Fibonacci (Primeros 14)
La pila es una poderosa herramienta para realizar algoritmos recursivos, tales como las series de Fibonacci:
;Tenemos como valores iniciales f0 y f1. Este algoritmo sirve para conseguir numeros de f0 a f13
;recordemos que un número n-esimo de la serie de Fibonacci se puede conseguir a través del siguiente algoritmo
; f(n)=f(n-1) + f(n-2) para n>=2
;Tendremos dos variables globales definidas: ResultadoFibo = n-esimo número de la serie de Fibonacci
;Y NumeroFibo= n (El índice del número que deseamos buscar, n>=2)
LDA #0
PSHA ;Insertamos valor de f0 (posteriormente será utilizado como f(n-2)
LDA #1
PSHA ;Insertamos valor de f1 (posteriormente será utilizado como f(n-1)
CLR ResultadoFibo ;Limpiamos la variable
LDA NumeroFibo
BEQ EndOfProgram ;Si NumeroFibo=0 , terminamos el programa, pues ResultadoFibo=0=f(0)
Loop:
LDA 2,SP ; Acumulador= f(n-2)
ADD 1,SP ; Acumulador= f(n-2) + f(n-1)
STA ResultadoFibo ;ResultadoFibo = f(n) = Acumulador = f(n-2) + f(n-1)
LDA 1,SP ;Para la proxima operacion, f(n-2)=f(n-1)
STA 2,SP
LDA ResultadoFibo ;Para la proxima operacion, f(n-1)=f(n)
STA 1,SP
DEC NumeroFibo ;Restamos uno al contador
BNE Loop ;Hasta que no llegue a cero dicho contador, seguimos el ciclo
AIS #2 ;Limpiamos pila
EndOfProgram:
END
Este código funciona nada más para los primeros 13 números de la serie, pues F13 = 233 y F14 = 377 , y se tiene la limitación de un solo byte.
El código para conseguir los números de Fibonacci mayores a 1 byte se deja como un buen ejercicio para el estudiante.
Referencias
En construccion
