Il Program Counter

Il Program Counter (letteralmente, contatore del programma) o Instruction Pointer è uno speciale registro del processore che contiene l' indirizzo della prossima istruzione (opcode) da eseguire nella memoria programma.

Il Program Counter, o PC, è il contatore ordinale del processore, ovvero il sistema con cui vengono messe in sequenza e avanzate le istruzioni.

La sua caratteristica, in tutti i PIC, è quella di essere inizializzato al reset in modo da partire con il conteggio dalla locazione 0000h, ovvero dal vettore del RESET. In questa locazione si troverà la PRIMA istruzione che verrà eseguita.  La sua lunghezza in bytes e la sua funzione stabilirà il valore successivo del PC, che andrà a puntare all' istruzione logicamente seguente.

Il suo funzionamento si può schematizzare così:

• al Reset, il Program Counter viene precaricato con l' indirizzo che contiene la prima istruzione da eseguire. 
• Il meccanismo del Program Counter fa si che il contenuto della locazione di memoria a quell' indirizzo venga prelevato, decodificato ed eseguito. 
• a seconda di quale opcode si tratti, il Program Counter viene aggiornato con l' indirizzo che contiene l' istruzione successiva.
• e così via

Qui trova posto la prima istruzione da eseguire. La direttiva:

    ORG  0000h
       prima_istruzione

serve a posizionare l' istruzione a questo punto della memoria programma.

L' avanzamento del Program Counter lungo la lista delle istruzioni è automatico, nel senso che la decodifica di ogni istruzione informa il Program Counter di quale sarà l' indirizzo successivo.

Consideriamo un esempio:

Questo meccanismo è valido anche per le chiamate di subroutine, dove viene abbandonata la lista principale per eseguire una porzione di codice posta in un altra zona della memoria programma.
L' istruzione CALL (o RCALL) fa si che il Program Counter punti alla locazione di inizio della subroutine chiamata.

La conclusione della subroutine è costituita dall' istruzione RETURN (o RETLW). Le istruzioni di chiamata hanno modificato il Program Counter con il nuovo indirizzo, ma hanno anche fatto si che il contenuto del Program Counter stesso, ovvero l' indirizzo dell' istruzione seguente a quella di chiamata, venisse salvato nello stack. 
Ora l' istruzione di ritorno recupera questo indirizzo e lo ricarica nello stack: la prossima istruzione che eseguita sarà quella successiva alla CALL.

Consideriamo un esempio:

• Al Power On Reset (POR), il Program Counter viene caricato con l' indirizzo del Vettore di Reset.
• All' indirizzo della memoria programma  0000h viene prelevata la prima istruzione. La sua decodifica indica che si tratta di una istruzione generica lunga 1 byte, per cui il Program Counter viene incrementato di 1, puntando a 0001h.
• Lì viene prelevato il contenuto, che è una istruzione di chiamata a subroutine (call). La sua decodifica produce le seguenti operazioni:
  - Il contenuto del Program Counter, che  contiene l' indirizzo dell' istruzione successiva alla call viene copiato nello stack
  - il contenuto del Program Counter viene sostituito con l' indirizzo della subroutine che è l'oggetto della chiamata (SUB1 ).
• Di conseguenza il Program Counter punta alla locazione dove si trova la prima istruzione della subroutine, che esegue. Nell' esempio si tratta di una istruzione generica lunga 1 byte, per cui il Program Counter viene incrementato di 1, puntando a 0051h.
• Qui preleva il successivo opcode, che dà risultati come il precedente.
• Nella locazione seguente viene incontrata una istruzione return . Questa à luogo al seguente risultato:
  - il contenuto del Program Counter, che avrebbe puntato all' istruzione successiva (SUB2 ) viene invece sostituito con il il contenuto dello stack. Il quale conserva l' indirizzo precedentemente salvato a seguito dell' istruzione call.
• Ne deriva che ora il Program Counter punta "all' indietro" all' istruzione successiva alla call, riprendendo il flusso del programma principale.

Va quindi considerato che il Program Counter, in alcune condizioni, si appoggia allo stack per conservare questo indirizzo di rientro.

Dunque, ricapitolando, CALL o RCALLL settano un valore specifico nel Program Counter e fanno si che esso conservi l' indirizzo dell' istruzione successiva alla CALL.
RETURN (o RETLW) fanno si che il Program Counter recuperi questo indirizzo e che quindi l' istruzione successiva da eseguire sia quella dopo la CALL.

Del tutto analoga la chiamata ad interrupt, che agisce come per la subroutine, ma con alcune differenze:

• prima di tutto, la chiamata ad interrupt non comporta istruzioni, ma viene generata dall' hardware specifico, che modifica il Program Counter
• in secondo luogo, mentre nella chiamata a subroutine l' istruzione di chiamata informa il Program Counter dell' indirizzo di destinazione, che può essere qualunque nell' area di memoria programma indirizzabile, nell' interrupt esiste un indirizzo specifico unico verso cui dirigersi

Questo indirizzo, detto Vettore dell' Interrupt, per i PIC è posto a 0004h (e 0008h) ed è questo valore che il meccanismo avviato dalla sorgente di interruzione carica nel Program Counter. 
Ne deriva che la prima istruzione eseguita dopo l' interruzione è quella posta al vettore di interrupt.
Anche l' interruzione, come dice il nome, è una sospensione momentanea dell' esecuzione del programma principale, a cui veine fatto ritorno attraverso un sistema identico a quello visto per le subroutines: 

• alla chiamata dell' interrupt, per prima cosa il contenuto del PC viene salvato nello stack
• poi viene caricato l' indirizzo del vettore di interrupt

Ovvero anche qui lo stack serve da deposito dell' indirizzo di ritorno, a cui si accede a seguito dell' istruzione RETFIE.

Dunque, allo scatto dei meccanismi hardware di interrupt, il Program Counter abbandona la lista di istruzioni che sta eseguendo, salva l' indirizzo dell' istruzione successiva a quella appena eseguita e viene caricato con l' indirizzo del Vettore di Interrupt.
RETFIE  fa si che il Program Counter recuperi l' indirizzo salvato e che quindi l' istruzione prossima da eseguire sia esattamente la successiva a quella dove la lista primaria è stata interrotta.

Ma esiste un ulteriore gruppo di istruzioni, dette salti o branch o jump (GOTO, BRA, BTFSS, BTFSC, ecc) hanno la funzione di modificare il Program Counter.
Esse modificano il PC caricandolo con l' indirizzo specificato dall' istruzione stessa. In questo modo la prossima istruzione da eseguire non sarà, ad esempio, quella dopo il GOTO, ma quella indicata nell' oggetto del GOTO stesso.

Qui, però, a differenza della chiamata di una subroutine, dove viene salvato un indirizzo di ritorno, i jump e branch non prevedono alcun  ritorno e la continuità del flusso del programma dovrà essere assicurata dalla logica coerente dello stesso. 

Consideriamo un esempio:

• Al punto 2, viene incontrata una istruzione di salto (goto). La sua esecuzione produce le seguenti operazioni:
  - Il contenuto del Program Counter, che  contiene l' indirizzo dell' istruzione successiva al goto  viene sostituito con l' indirizzo del salto che è l'oggetto della chiamata (JUMP1 ).
• Di conseguenza il Program Counter punta a questa nuova locazione, dove preleva il codice e lo passa all'  esecuzione

Da osservare che lo stack non viene modificato in quanto NON esiste una istruzione di ritorno da un salto, per cui l' esecuzione delle istruzioni continua linearmente.
Questo vuol dire che l' istruzione alla locazione 0003h e seguenti non saranno eseguite a meno che vengano puntate con una istruzione che cambi il contenuto del Program Counter puntando a queste locazioni. 

Come detto, tutti questi sono meccanismi automatici in cui l' utente non mettere mano.

Ma è possibile attraverso istruzioni modificare in tutto o in parte il contenuto del Program Counter e anche lo stack ed attraverso queste manipolazioni ottenere funzioni particolari.

E' evidente la delicatezza con cui è necessario intervenire su questi registri da cui dipende la corretta esecuzione del programma.

E' opportuno notare anche che le operazioni determinate dalle istruzioni di ritorno (RETURN, RETLW, RETFIE) consistono esclusivamente nel prelevare dallo stack l' ultimo indirizzo salvato.

Ovvero, se è stata effettuata una chiamata a subroutine in un certo punto, ad esempio all' indirizzo 0345h, il   di quella subroutine NON contiene nè è collegato al l' indirizzo di rientro, nell' esempio 0347h) !

Il collegamento è effettuato dal fatto che gli indirizzi di ritorno vengono salvati sovrapponendoli nella pila dello stack e da questa prelevati nell' ordine opposto al caricamento (LIFO = last in first out - l' ultimo messo è il primo ad essere prelevato).
Questo meccanismo funziona se la sequenza di salvataggio e recupero nello stack non viene alterata da latre azioni, ad esempio un intervento manuale, o, come indicato prima, un salto senza rientro   che in contra durante l' esecuzione un rientro senza chiamata.
In questo caso viene scaricato dallo stack l' ultimo valore contenuto, che non corrisponderà ad alcun rientro, alterando l' esecuzione del programma.

Questo, però, si presta ad alcuni trucchi, tra i quali il fatto che qualsiasi chiamata a subroutine (o interrupt) può rientrare con qualsiasi istruzione di  , dovunque essa sia posta.
Ad esempio:

• Al punto 2, indirizzo 0001h,  il programma incontra una  call .
  Lo stack  viene caricato con l' indirizzo dell' istruzione  successiva (003h) e il P.C. con l' indirizzo di destinazione del salto
• Viene eseguita la prima istruzione della SUB1 .
• Se il bit 7 di  è a 1, il branch non è eseguito e l' istruzione successiva è un return.
• Il return  preleva dallo stack l' indirizzo di rientro e riporta il P.C. al punto 3
  Lo stack si è svuotato.

Se però il branch viene eseguito:

• Se il bit 7 di  è a 0, il branch  è eseguito e l' istruzione successiva è bsf PORTC,6.
  Lo stack non viene toccato.
• Viene quindi eseguita l' istruzione alla riga 7.
• Viene poi eseguita l' istruzione alla riga 8. Il fatto che a questa posizione sia applicata una label, non ha alcuna importanza in questa situazione.
• L' istruzione successiva, al punto 9, è un return.
• Il return  preleva dallo stack l' indirizzo di rientro, che non è stato modificato, e riporta il P.C. al punto 3. Lo stack si è svuotato.

Osservare quindi come la relazione tra stack e P.C. sia di pura dipendenza sequenziale.
E come la funzione delle label sia relativa al fatto di avere valore per la logica del programma e per l' assemblaggio, sostituendo semplicemente con una "etichetta" un indirizzo assoluto.

Ultima nota: RETURN, RETLW, RETFIE non sono la stessa cosa, pur operando similmente RETURN ha lo scopo specifico di effettuare il rientro da una call, chiamata a subroutine. Il suo effetto è quello di recuperare dallo stack un indirizzo per il P.C. RETLW agisce esattamente come la precedente, ma in più carica il registro WREG con il valore literal che è oggetto dell' istruzione stessa. Il suo scopo è di rientrare da una chiamata con un valore indicativo, ma è anche parte essenziale delle tabelle RETLW RETFIE è specificamente indicata per il rientro dopo una chiamata di interrupt. Ha sempre la funzione di recuperare dallo stack un  indirizzo per il P.C., ma aggiunge l' operazione di abilitare il bit GIE (switch generale dell' interrupt), che era stato disabilitato all' ingresso della chiamata dell' interrupt.  Sarebbe dunque possibile utilizzare anche  per un ritorno da subroutine, ma l' abilitazione dello switch generale dell'interrupt potrebbe non essere una buona idea. Inoltre, nei PIC18F, il suffisso FAST sommato all' istruzione, fa si che i registri salvati automaticamente al momento della chiamata interrupt vengano recuperati. Dunque è opportuno utilizzare ogni opcodes nell' ambito previsto.