探讨使用STM32嵌入式汇编PLC指令表实现方法。

21ele · 发表于 2009-7-27 14:28:33

一直潜水，冒个泡，探讨下STM32使用嵌入式汇编PLC指令表实现方法，基本成功。

我的思路实现办法如下：

1. PLC的资源变量定义为一个结构，绝对定位到内存中一个固定地址。
typedef struct
{
//----------------------------------------------------------------------//
//D_0x600-0x6FF (512Byte)
//----------------------------------------------------------------------//
vu16 usT_Cnt[T_Size*32];

//----------------------------------------------------------------------//
//D_0x700-0x7FF (512Byte)
//----------------------------------------------------------------------//
vu16 usT_Set[T_Size*32];

//----------------------------------------------------------------------//
//D_0x800-0x8FF (512Byte)
//----------------------------------------------------------------------//
vu32 ulS[S_Size]; // M0000 => S000-S1023
vu32 ulX[X_Size]; // M1024 => X000-X377
vu32 ulY[Y_Size]; // M1280 => Y000-Y377
vu32 ulT[T_Size]; // M1536 => T000-T255
vu32 ulM[M_Size]; // M2048 => M000-M1535
vu32 ulC[C_Size]; // M3584 => C000-C255

//----------------------------------------------------------------------//
//D_0x900-0x9FF (512Byte)
//----------------------------------------------------------------------//
vu32 ulSL[S_Size]; // SXYTMC 前次值
vu32 ulXL[X_Size];
vu32 ulYL[Y_Size];
vu32 ulTL[T_Size];
vu32 ulML[M_Size];
vu32 ulCL[C_Size];

//----------------------------------------------------------------------//
//D_0xA00-0xAFF (512Byte)
//----------------------------------------------------------------------//
vu32 ulSP[S_Size]; // SXYTMC 上升沿
vu32 ulXP[X_Size];
vu32 ulYP[Y_Size];
vu32 ulTP[T_Size];
vu32 ulMP[M_Size];
vu32 ulCP[C_Size];

//----------------------------------------------------------------------//
//D_0xB00-0xBFF (512Byte)
//----------------------------------------------------------------------//
vu32 ulSF[S_Size]; // SXYTMC 下降沿
vu32 ulXF[X_Size];
vu32 ulYF[Y_Size];
vu32 ulTF[T_Size];
vu32 ulMF[M_Size];
vu32 ulCF[C_Size];

//----------------------------------------------------------------------//
//D_0xC00-0xCFF (512Byte)
//----------------------------------------------------------------------//
vu32 ulTS[T_Size]; // M1792 => TE00-TE255
vu32 ulCS[C_Size]; // M3840 => CE00-CE255
vu32 ulTR[T_Size]; // 定时器复位控制
vu32 ulCR[C_Size]; // 计数器复位控制

vu32 ulCE[Y_Size]; // 计数器边沿选择位
vu32 ulX_IDR[X_Size]; // 输入引脚状态缓存
vu32 ulX_IMG[X_Size]; // 输入位映像
vu32 ulT_IMG[T_Size]; // 定时器输出位映像

//----------------------------------------------------------------------//
//D_0xD00-0DFF (512Byte)
//----------------------------------------------------------------------//
vu8 ucXFilterSet[X_Size*32]; // 输入去抖动计数器
vu8 ucXFilter[X_Size*32]; // 输入去抖动计数器

//----------------------------------------------------------------------//
//D_0xE00-0EFF (512Byte)
//----------------------------------------------------------------------//
vu16 usC_Cnt[(C_Size*32+56)]; // D2048->0x800

//----------------------------------------------------------------------//
//D_0xF00-0FFF (512Byte)
//----------------------------------------------------------------------//
vu16 usC_Set[(C_Size*32+56)]; // D 2360->0x938

//----------------------------------------------------------------------//
//D_0x1000-07FFF (4KByte)
//----------------------------------------------------------------------//
vu16 usD[D_Size]; //D

} PLC_TypeDef;

//---------------------------------------------------------------------------//
// 定义PLC  数据区
//---------------------------------------------------------------------------//
PLC_TypeDef plc __attribute__(( at(0x20000800) ));

2. 资源结构变量既然已经绝对定位，就和内部工作寄存器(如GPIOA等)一样，有了固定的地址，对应位域也固定了，可以轻松计算出来，定位为位宏。

//-------------------------------------------------------//
// 位宏
//-------------------------------------------------------//
#define    S(n)       *(u32*)(0x22000000+0x0C00*8*4+n*4)
#define    X(n)          *(u32*)(0x22000000+0x0C80*8*4+n*4)
#define    Y(n)          *(u32*)(0x22000000+0x0CA0*8*4+n*4)
#define    T(n)          *(u32*)(0x22000000+0x0CC0*8*4+n*4)
#define    M(n)       *(u32*)(0x22000000+0x0CE0*8*4+n*4)
#define    C(n)          *(u32*)(0x22000000+0x0DA0*8*4+n*4)

#define    SL(n)          *(u32*)(0x22000000+0x0DC0*8*4+n*4)
#define    XL(n)          *(u32*)(0x22000000+0x0E40*8*4+n*4)
#define    YL(n)          *(u32*)(0x22000000+0x0E60*8*4+n*4)
#define    TL(n)          *(u32*)(0x22000000+0x0E80*8*4+n*4)
#define    ML(n)          *(u32*)(0x22000000+0x0EA0*8*4+n*4)
#define    CL(n)          *(u32*)(0x22000000+0x0F60*8*4+n*4)

#define    SP(n)          *(u32*)(0x22000000+0x0F80*8*4+n*4)
#define    XP(n)          *(u32*)(0x22000000+0x1000*8*4+n*4)
#define    YP(n)          *(u32*)(0x22000000+0x1020*8*4+n*4)
#define    TP(n)          *(u32*)(0x22000000+0x1040*8*4+n*4)
#define    MP(n)          *(u32*)(0x22000000+0x1060*8*4+n*4)
#define    CP(n)          *(u32*)(0x22000000+0x1120*8*4+n*4)

#define    SF(n)          *(u32*)(0x22000000+0x1140*8*4+n*4)
#define    XF(n)          *(u32*)(0x22000000+0x11C0*8*4+n*4)
#define    YF(n)          *(u32*)(0x22000000+0x11E0*8*4+n*4)
#define    TF(n)          *(u32*)(0x22000000+0x1200*8*4+n*4)
#define    MF(n)          *(u32*)(0x22000000+0x1220*8*4+n*4)
#define    CF(n) *(u32*)(0x22000000+0x12E0*8*4+n*4)

#define    TS(n) *(u32*)(0x22000000+0x1300*8*4+n*4)
#define    CS(n) *(u32*)(0x22000000+0x1320*8*4+n*4)
#define    TR(n) *(u32*)(0x22000000+0x1340*8*4+n*4)
#define    CR(n) *(u32*)(0x22000000+0x1360*8*4+n*4)

#define    CE(n) *(u32*)(0x22000000+0x1380*8*4+n*4)
#define    X_IDR(n)             *(u32*)(0x22000000+0x13A0*8*4+n*4)
#define    X_IMG(n)             *(u32*)(0x22000000+0x13C0*8*4+n*4)
#define    T_IMG(n)             *(u32*)(0x22000000+0x13E0*8*4+n*4)

3. 这时候，主程序可以使用位宏实现逻辑功能。比如
Y(0) = X(0);

if( X(1)) Y(1) = 1;

if( X(2)) Y(1) = 0;

4.按照堆栈实现PLC指令表原理，定义嵌入式汇编宏。

//===========================================================//
// 嵌入式汇编
//===========================================================//
__asm void START(u32* M)
{
// R3 = 0
MOV R3,#0

// R7 =  位区基址
MOV R7, R0

      BX lr
}

__asm void LD( u32* M )
{
// R3 压栈
PUSH {R3}

// R3 =  R0
LDR R3,[R0,#0]

      BX lr
}

__asm void LDI( u32* M )
{
// R3 压栈
PUSH {R3}

// R3 =  ~R0
LDR R1,[R0,#0]
MVN R3,R1

      BX lr
}

__asm void AND( u32* M )
{
//  R3 = ( R3 & R0 )
LDR R1,[R0,#0]
AND R3, R1

      BX lr
}

__asm void ANDI( u32* M )
{
//  R3 = ( R3 & (!R0) )
LDR R1,[R0,#0]
MVN R2,R1
AND R3,R2

      BX lr
}

__asm void OR( u32* M )
{
//  R3 = ( R3 | R0 )
LDR R1,[R0,#0]
ORR R3,R1

      BX lr
}

__asm void ORI( u32* M )
{
//  R3 = ( R3 | (!R0) )
LDR R1,[R0,#0]
MVN R2,R1
ORR R3,R2

      BX lr
}

__asm void ANB( void )
{
//  R1 出栈
POP {R1}

//  R3 = ( R3 & R1 )
AND R3,R1

      BX lr
}

__asm void ORB( void )
{
//  R1 出栈
POP {R1}

//  R3 = ( R3 | R1 )
ORR R3,R1

      BX lr
}

__asm void OUT( u32* M )
{
//  R1 出栈
POP {R1}

//  *R0 = R3
STR R3,[R0,#0]

      BX lr
}

__asm void SBT( u32* M )
{
//  R1 出栈
POP {R1}

//  *R0 |= R3
LDR R1,[R0,#0]
ORR R3,R1
STR R3,[R0,#0]

      BX lr
}

__asm void RST( u32* M )
{
//  R1 出栈
POP {R1}

//  *R0 &= (!R3)
LDR R1,[R0,#0]
MVN R2,R1
ORR R3,R2
STR R3,[R0,#0]

      BX lr
}

5. PLC的指令执行循环里便可以用指令表执行逻辑动作了。

void PLC_Poll(void)
{
START(&X(0));

LD( &X(0) );
OUT( &Y(0));

LDI( &X(1) );
OUT( &Y(1));
}

6.指令执行效率，从编译的汇编代码看，效率非常高，指令执行速度应该是非常快的。

231:       LD( &X(0) );
0x08000EE0 4807    LDR    r0,[pc,#28]  ; @0x08000F00
0x08000EE2 F7FFF955  BL.W    LD (0x08000190)
232:       OUT( &Y(0));
233:
0x08000EE6 4807    LDR    r0,[pc,#28]  ; @0x08000F04
0x08000EE8 F7FFF976  BL.W    OUT (0x080001D8)

96: __asm void LD( u32* M )
97: {
98:       // R3 压栈
0x0800018E 4770    BX    lr
99:       PUSH {R3}
100:
101:       // R3 =  R0
0x08000190 B408    PUSH    {r3}
102:       LDR R3,[R0,#0]
103:
0x08000192 6803    LDR    r3,[r0,#0x00]
104:       BX lr
105: }

180: __asm void OUT( u32* M )
181: {
182:       //  R1 出栈
0x080001D6 4770    BX    lr
183:       POP {R1}
184:
185:       //  *R0 = R3
0x080001D8 BC02    POP    {r1}
186:       STR R3,[R0,#0]
187:
0x080001DA 6003    STR    r3,[r0,#0x00]
188:       BX lr
189: }

LD/OUT实测实170ns, 按照72Mhz STM32 指令执行周期算，大致估计单周期基本指令执行速度应该在0.5us内

7. 硬件使用STM32103RBT6, 资源为14点入，10点出， 1RS232, 2RS485 , 1CAN ,1SPI ,2ADC, 1RTC，RS232可直接下载程序。板上设置了ISP(TTL)和JTAG接口。 1RS232, 2RS485 使用高速磁偶隔离，3000V DC/DC， 1CAN 可选另外一组3000V DC/DC ，高速磁偶隔离，也可不不隔离。 SPI不隔离。输入点位双向光耦。端子使用西门子PLC上使用的黑色可拔插端子。

224_CPU (原文件名:CPU.gif)

224_IO (原文件名:IO.gif)

代码仅供参考思路，已经在硬件测试功能可以实现。

另外问下阿莫，上次开源PLC项目时，上面的那个运行开关在那里买到，我怎么也买不到。就是5脚，单刀双掷，三个拨动位置的那种。

8. 思路延伸：优化汇编代码，使汇编代码简单、格式固定且可在任意位置运行，找到汇编指令和机器码中间的变化编译规律，就可以将指令表对应为机器码数组，然后做一个简单变量替换，就可以实现下位机编译，所以做一款下位机编译执行的PLC应该没有什么太大的技术问题。

sunmj · 发表于 2009-7-27 14:47:30

好东西，该加裤子

john78 · 发表于 2009-7-27 15:09:26

壳哪的?

zhike200 · 发表于 2009-7-27 15:29:53

简易PLC

eddia2000 · 发表于 2009-7-27 19:52:50

不错!

gpfrank · 发表于 2010-8-30 22:12:29

非常好的内容。领教了！像您学习！
不过汇编代码不容易移植，不知道大牛对这种汇编的代码有什么好的办法用来移植吗？

21ele · 发表于 2010-9-3 11:58:20

基本没办法移植，因为这些代码用了stm32的位域的特性，没有位域的mcu，肯定是无法移植的。

汇编实现plc指令，就有可能实现plc指令的下位机编译执行。在程序下载的同时，将plc程序在下位机里编译为汇编指令对应的机器码，我研究了一下机器码和汇编指令的关系，确定通过简单的替换机器码中操作数的方法，完全可以实现下位机编译。

虽然汇编实现plc内核速度应该是最快的，但是用汇编实现，也有许多缺点，比如实现实时的错误检测，和实现复杂的应用指令比较吃力。

所以，我后来实现了全部的下载监控等的通讯功能后，内核实现暂时也是以先用解释方式实现的。这样做工作量小多了。

gpfrank · 发表于 2010-9-4 01:55:53

回复【6楼】21ele
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谢谢!
最近再拜读您的几篇文章，受益匪浅。也开始尝试设计一个简单的控制器。需要向您学习的地方还很多。
作为logic Engine这部分，是整个PLC控制的核心部分。也是各大厂商比拼速度的地方。
因为现在没有一块比较好的MCU可以胜任所有我们需要的PLC功能，所以我考虑的也是采用C写解释型的LOGIC ENGINE。
如果最终找到了一款比较适合做的，则对相应的部分进行代码的优化，就如您的方法，更改成汇编代码，除了用CORTEX-M3的位域外，还可以大量的使用内核寄存器进行操作，速度估计提升更多。当然并不是所有的代码都用汇编，只是基本的61131-3的规定的一些指令使用，复杂的仍旧使用C来完成您所说的容错，复杂控制等。

richey07 · 发表于 2010-9-11 16:11:24

mark

hwdpaley · 发表于 2010-11-22 22:16:58

嗯，以前用C函数来做PLC，速度没有优势，看了楼主的汇编型PLC，有了新的思路，把原来的PLC改下，提高运行速度，哈哈。

serger · 发表于 2011-12-6 13:15:51

效率高但会不会很繁琐？

lgtomlgam · 发表于 2014-4-29 11:21:16

好资料，值得学习。

BrightWang · 发表于 2014-6-15 17:34:01

标记，探讨使用STM32嵌入式汇编PLC指令表

emobbs · 发表于 2015-1-3 20:32:44

非常精彩非常精彩

wenchm2015 · 发表于 2015-9-17 13:40:58

我知道，那个拨动开关产自上海的一个日本企业

kuailechengyang · 发表于 2015-12-11 13:38:47

学习了，谢谢分享！

siemenswjl · 发表于 2015-12-12 16:12:45

MARK,学习

探讨使用STM32嵌入式汇编PLC指令表实现方法。

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