Atividade 03
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Registradores usados
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``SIM_SCGC5`` (**Endereço:** ``0x40048038``)
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
.. code-block:: c

    SIM_SCGC5 |= 1 << 10;

*System Clock Gating Control Register 5*, tem a função de habilitar os *clocks* dos módulos dos PORTn (nesse caso do ``PORTB``, *bit* 10).

+-----------+----------------------------------------------------------+
| Campo     | Descrição                                                |
+===========+==========================================================+
| *bit* 10  | *Port B Clock Gate Control*                              |
+-----------+----------------------------------------------------------+
| ``PORTB`` | *This bit controls the clock gate to the Port B module.* |
+-----------+----------------------------------------------------------+
| 0         | *Clock disabled*                                         |
+-----------+----------------------------------------------------------+
| **1**     | *Clock enabled*                                          |
+-----------+----------------------------------------------------------+

``PORTB_PCR19`` (**Endereço:** ``0x4004A04C``)
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

.. code-block:: c

    PORTB_PCR19 = 1 << 8;

*Pin Control Register n* (``n = 19`` nesse caso), uma das funções é configurar o multiplexador de cada pino do PORTB definindo o recurso que será utilizado (nesse caso GPIO, portanto os *bits* 10:8 = :math:`001_2`).

+------------------------+---------------------------------+
| Campo                  | Descrição                       |
+========================+=================================+
| bits 10:8              | *Pin Mux Control*               |
+------------------------+---------------------------------+
| :math:`000_2`          | *Pin disabled (analog)*         |
+------------------------+---------------------------------+
| :math:`\mathbf{001_2}` | *Alternative 1 (GPIO)*          |
+------------------------+---------------------------------+
| :math:`010_2`          | *Alternative 2 (chip-specific)* |
+------------------------+---------------------------------+
| :math:`011_2`          | *Alternative 3 (chip-specific)* |
+------------------------+---------------------------------+
| :math:`100_2`          | *Alternative 4 (chip-specific)* |
+------------------------+---------------------------------+
| :math:`101_2`          | *Alternative 5 (chip-specific)* |
+------------------------+---------------------------------+
| :math:`110_2`          | *Alternative 6 (chip-specific)* |
+------------------------+---------------------------------+
| :math:`111_2`          | *Alternative 7 (chip-specific)* |
+------------------------+---------------------------------+

``GPIOB_PDDR`` (**Endereço:** ``0x400FF054``)
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
.. code-block:: c

    GPIOB_PDDR |= 1 << 19;

*Port Data Direction Register*, configura a direção de cada um dos pinos do PORTB, se vai ser *input* ou *output* (configura o *bit* 19 como 1, definindo o pino correspondente como saída digital).

+-----------+-----------------------------------------------+
| Campo     | Descrição                                     |
+===========+===============================================+
| bits 31:0 | *Port Data Direction*                         |
+-----------+-----------------------------------------------+
| 0         | *Pin is configured as general-purpose input*  |
+-----------+-----------------------------------------------+
| **1**     | *Pin is configured as general-purpose output* |
+-----------+-----------------------------------------------+

``GPIOB_PSOR`` (**Endereço:** ``0x400FF044``)
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

.. code-block:: c

    GPIOB_PSOR = 1 << 19;


*Port Set Output Register*, define os pinos do PORTB como nível lógico alto (nesse caso apenas o *bit* 19), porém pelo fato dos LEDs serem *Active Low* eles são desligados com esse registrador.

+-----------+------------------------------------------------+
| Campo     | Descrição                                      |
+===========+================================================+
| bits 31:0 | *Port Set Output*                              |
| 0         | *Corresponding bit in PDORn does not change*   |
+-----------+------------------------------------------------+
| **1**     | *Corresponding bit in PDORn is set to logic 1* |
+-----------+------------------------------------------------+

``GPIOB_PCOR`` (**Endereço:** ``0x400FF048``)
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

.. code-block:: c

    GPIOB_PCOR = 1 << 19;


*Port Clear Output Register*, define os pinos do PORTB como nível lógico baixo (nesse caso apenas o *bit* 19), porém pelo fato dos LEDs serem *Active Low* eles são ligados com esse registrador.

+-----------+----------------------------------------------------+
| Campo     | Descrição                                          |
+===========+====================================================+
| bits 31:0 | *Port Clear Output*                                |
+-----------+----------------------------------------------------+
| 0         | *Corresponding bit in PDORn does not change*       |
+-----------+----------------------------------------------------+
| **1**     | *Corresponding bit in PDORn is cleared to logic 0* |
+-----------+----------------------------------------------------+

Fonte: [#Ref1]_

Análise da função de atraso
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O compilador otimizou o laço interno substituindo a condição original ``j < 7000`` por um contador regressivo iniciado em 7000 e decrementado até zero, reduzindo o número de instruções necessárias para o teste da condição de parada.

.. code-block:: c
    :lineno-start: 0

    void delay_ms (int n) {
        int i;
        int j; 
        for (i = 0; i < n; i++)
            for (j = 0; j < 7000; j++)
                __asm volatile ("nop");
    }

Foram obtidas as seguintes instruções geradas pelo compilador para a função ``delay_ms``:

.. code-block:: asm

    578:    movs    r3, #0          ; i = 0
    57a:    cmp     r3, r0          ; compara i com n
    57c:    blt.n   580             ; continua se i < n
    57e:    bx      lr              ; retorno da função

    580:    ldr     r2, [pc, #12]   ; carrega 7000 em j
    582:    nop                     ; atraso definido na linha 5 da função
    584:    subs    r2, #1          ; j--
    586:    cmp     r2, #0          ; compara j com zero
    588:    bne.n   582             ; repete enquanto j != 0

    58a:    adds    r3, #1          ; i++
    58c:    b.n     57a             ; repete laço externo

    58e:    nop

    590:    .word   0x00001b58      ; constante 7000

    ...

    5a6:    movs    r5, #250
    ...
    5b4:    lsls    r5, r5, #2      ; 250 << 2 = 1000
    ...
    5c6:    movs    r0, r5

Nas linhas ``5a6``, ``5b4`` e ``5c6``, o compilador prepara o argumento da chamada à função ``delay_ms``. Inicialmente, o valor decimal 250 é carregado no registrador ``r5``; em seguida, a instrução ``lsls`` realiza um deslocamento lógico de dois bits para a esquerda, produzindo o valor 1000. Por fim, esse valor é copiado para o registrador ``r0``, utilizado pela convenção de chamadas ARM para passagem do primeiro argumento de função.

Observa-se que as variáveis ``i`` e ``j`` foram mantidas inteiramente em registradores (``r3`` e ``r2``, respectivamente), sem necessidade de armazenamento na pilha. Essa otimização elimina acessos à memória durante as iterações, reduzindo o número de ciclos de execução da rotina de atraso.

Obtendo o número de ciclos para cada instrução, temos [#Ref2]_:

+-------------------+---------+
| Instrução         | Ciclos  |
+===================+=========+
| ``ldr``           | 2       |
+-------------------+---------+
| ``nop``           | 1       |
+-------------------+---------+
| ``subs``          | 1       |
+-------------------+---------+
| ``adds``          | 1       |
+-------------------+---------+
| ``cmp``           | 1       |
+-------------------+---------+
| ``bne`` / ``blt`` | 1 ou 2* |
+-------------------+---------+
| ``b`` / ``bx``    | 2       |
+-------------------+---------+

\* 2 ciclos se o desvio for tomado, 1 ciclo caso contrário.

Portanto, para o laço interno são necessários 5 ciclos (linhas  ``582`` a ``588``) para as primeiras 6999 iterações, sendo que a última executa um ciclo a menos.

.. math::
   6999 \cdot \left(1_{nop} + 1_{subs} + 1_{cmp} + 2_{bne}\right) + 4 = 34999 \text{ ciclos}

Sendo necessário adicionar mais dois ciclos para a instrução que carrega o valor 7000 para o ``j`` (``ldr r2, [pc, #12]``), obtém-se:

.. math::
    34999 + 2 = 35001 \text{ ciclos}


Obtendo o tempo de uma iteração externa, acrescentando o controle do laço externo, considerando apenas as primeiras :math:`n - 1`, em que o desvio ``blt`` é tomado, na última iteração o custo é ligeiramente menor, pois o desvio não é executado, temos:

.. math::
    35001 + 1_{adds} + 2_{b} + 1_{cmp} + 2_{blt} = 35007 \text{ ciclos}

Sabendo que:

.. math::
    f_{cpu} = 48\text{ MHz}

temos:

.. math::
    T_{ciclo} = \frac{1}{f_{cpu}} \approx 2.083 \cdot 10^{-8} = 20.83\text{ ns}

Logo:

.. math::
    T_{ite} = 35007 \cdot 20.83 \cdot 10^{-9} \approx 0.729 \text{ ms}

Considerando que o parâmetro n é igual a 1000:

.. code-block:: c

    delay_ms(1000);

obtém-se:

.. math::
    T_{total} = 1000 \cdot  0.729 \cdot 10^{-3} = 729\text{ ms}

Sendo obtido um erro de:

.. math::
    erro = \frac{1000 - 729}{1000} \cdot 100 \approx 27.1\text{\%}

Ou seja, para o *clock* de **48 MHz** configurado pelo Zephyr, o valor 7000 do laço interno não corresponde a **1 ms**.

A análise do código *assembly* mostrou que o compilador otimizou os laços utilizando registradores para as variáveis de controle e substituindo o contador crescente interno por um contador regressivo. Considerando a frequência de **48 MHz** configurada pelo Zephyr e a quantidade de ciclos estimada para cada instrução, obteve-se um atraso aproximado de **729 ms** para a chamada ``delay_ms(1000)``. Assim, a constante 7000 utilizada no laço interno não produz um atraso de **1 ms** por iteração nesse ambiente de execução, resultando em um erro aproximado de **27.1 %**.

.. rubric:: Referências

.. [#Ref1] NXP Semiconductors. *KL25 Sub-Family Reference Manual*.

.. [#Ref2] ARM Ltd. *ARM Cortex-M0+ Technical Reference Manual*.

.. [#Ref3] Zephyr Project Documentation. Configuração da FRDM-KL25Z.