Гарвардская risc архитектура в микроконтроллерах avr. Микроконтроллеры AVR

Взаимодействие ядра с периферией
Ядро одно на всех, периферия разная. Общение между ними происходит через память. Т.е. у периферии есть свои ячейки памяти — регистры периферии. У каждого периферийного устройства их не по одной штуки. В этих регистрах находятся биты конфигурации. В зависимости от того как эти биты выставлены в таком режиме и работает периферийное устройство. В эти же регистры нужно записывать данные которые мы хотим выдать, например, по последовательному порту, или считывать данные которые обработал АЦП. Для работы с периферией есть специальные команды IN и OUT для чтения из периферии в регистр РОН и записи из регистра РОН в периферию соответственно.

Поскольку ядро одинаковое, а периферия разная, то при переносе кода на другую модель микроконтроллера надо только подправить эти обращения так как название периферийных регистров от модели к модели может чуток отличаться. Например, если в контроллере один приемопередатчик UART то регистр прием данных зовется UDR, а если два, то у нас есть уже UDR0 и UDR1. Но, в целом, все прозрачно и логично. И, как правило, портирование кода с одного МК на другой, даже если он написан на ассемблере, не составляет большого труда. Особенно если он правильно написан.

Как узнать что есть в конкретном микроконтроллере?
Для этого на каждый МК есть даташит — техническая документация. И вот там, прям на первой странице, написано что почем и как. Вот тебе пример, даташит на Мегу16 с моим закадровым переводом:) Жирным шрифтом помечены опции которые я гляжу в первую очередь, как наиболее интересные для меня, остальное, как правило, присутствует по дефолту.

Features (фичи!)
High-performance, Low-power AVR® 8-bit Microcontroller
(понтовая экономичная архитектура AVR)

Advanced RISC Architecture
(просто офигенная вещь для рисковых чуваков!)

– 131 Powerful Instructions – Most Single-clock Cycle Execution
(131 крутая и быстрая команда!)

– 32 x 8 General Purpose Working Registers
(32 восьми разрядных регистра — те самые R0…R31)

– Fully Static Operation
(Полностью статические операции, т.е. тактовая частота может быть хоть 1 импульс в год)

– Up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz
(скорость выполнения до 16миллионов операций в секунду!)

– On-chip 2-cycle Multiplier
(а числа умеем множить за два такта! Это правда круто, народ!)

High Endurance Non-volatile Memory segments
– 16K Bytes of In-System Self-programmable Flash program memory
(памяти хватит набыдлокодить на 16кб кода)

– 512 Bytes EEPROM 8-bit
(и нажрать на века 512 байт мусора в ЕЕПРОМ)

– 1K Byte Internal SRAM
(оперативки 1кб, кому там 2Гигабайт не хватает? Программировать не умеете! =) Тут и 64 байтов за глаза хватает. Помните Билла Гейтса и его «640кб хватит всем!» он знал о чем говорил:)

– Write/Erase Cycles: 10,000 Flash/100,000 EEPROM Microcontroller
(перешивать флеш можно 10тыщь раз, еепром 100тыщь раз. Так что можешь не бояться экспериментировать)

– Data retention: 20 years at 85°C/100 years at 25°C(1)
(Если законсервируешь свой будильник на AVR, то твоих правнуков он еще и через 100 лет порадует)

– Optional Boot Code Section with Independent Lock Bits
In-System Programming by On-chip Boot Program
True Read-While-Write Operation
(поддержка бутлоадеров. Удобная вещь, позволяет прошиваться без программаторов)

– Programming Lock for Software Security In-System
(если жадный и умный, то можешь закрыть от посторонних прошивку и фиг кто выкрадет твои секреты)

JTAG (IEEE std. 1149.1 Compliant) Interface
– Boundary-scan Capabilities According to the JTAG Standard Programmable
– Extensive On-chip Debug Support
– Programming of Flash, EEPROM, Fuses, and Lock Bits through the JTAG Interface Flash
(Отладочный интерфейс JTAG и его фичи)

Peripheral Features
(А вот, собственно и периферия пошла)

– Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare Modes
(два таймера 8ми разрядных, с кучей всяких режимов разных.

– One 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler, Compare Mode, and Capture Mode ATmega16
(один 16ти разрядный таймер счетчик, с кучей всяких примочек и фишек)

– Real Time Counter with Separate Oscillator
(таймер может тикать от отдельного генератора, удобно если хочешь сделать часы)

– Four PWM Channels ATmega16L
(Четыре ШИМ канала — на тех же таймерах)

– 8-channel, 10-bit ADC
(восьмиканальный 10ти разрядный АЦП. Фичи его ниже)

8 Single-ended Channels
(можно замерять по очереди сразу 8 разных напряжений)

7 Differential Channels in TQFP Package Only
(7 дифференциальных каналов. Правда только в корпусе TQFP т.к. ног у него больше)

2 Differential Channels with Programmable Gain at 1x, 10x, or 200x
(два дифференциальных канала с программируемым усилением)

– Byte-oriented Two-wire Serial Interface
(Поддержка IIC с аппаратным кодированием байтов)

– Programmable Serial USART
(Последовательный интерфейс. Удобен для связи с компом)

– Master/Slave SPI Serial Interface
(SPI интерфейс, пригодится)

– Programmable Watchdog Timer with Separate On-chip Oscillator
(Спец таймер защиты от зависаний)

– On-chip Analog Comparator
(Тот самый компаратор)

Special Microcontroller Features
(полезные свистоперделки)

– Power-on Reset and Programmable Brown-out Detection
(защита от косяков в работе при пониженном напряжении ака севшие батарейки)

– Internal Calibrated RC Oscillator
(А еще можно сэкономить 20рублей на покупке внешнего кварца. Он нафиг не нужен! :) И это круто!)

– External and Internal Interrupt Sources
(Есть внешние прерывания. Очень удобная вещь)

– Six Sleep Modes: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, Standby
and Extended Standby
(Дофига режимов энергосбережения)

I/O and Packages
– 32 Programmable I/O Lines
– 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, and 44-pad QFN/MLF
(число полезных ножек, тем самых вводов выводов)

Operating Voltages designs.
– 2.7 — 5.5V for ATmega16L
– 4.5 — 5.5V for ATmega16
(Питающие напряжения. Помните я говорил про низковольтные серии — вот они, во всей красе)

Speed Grades
– 0 — 8 MHz for ATmega16L
– 0 — 16 MHz for ATmega16
(А это максимальные частоты для разных серий. Низковольтные лажают. Впрочем, они подвержены разгону)

Power Consumption @ 1 MHz, 3V, and 25°C for ATmega16L
– Active: 1.1 mA
– Idle Mode: 0.35 mA

МИКРОПРОЦЕССОРЫ

В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру компьютера для военно-морской артиллерии. Победила разработка Принстонского университета (более известная как архитектура фон Неймана, названная так по имени разработчика, первым предоставившего отчет об архитектуре), так как она была проще в реализации. Гарвардская архитектура не использовалась вплоть до конца 70-х годов, когда развитие микропроцессорной техники позволило использовать ее преимущества.

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными - электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.

Гарвардская архитектура используется в микроконтроллерах, таких, как Intel 4004, Intel 8051, Atmel AVR и других. Разработки фирмы Intel 80-х годов выдвинули некую общую модель MKS 51, которая по существу и определила класс последующих более совершенных микропроцессоров. Среди них долгое время лидировали микроконтроллеры семейства PIC (Peripheral Interface Controller) компании Microchip на основе RISC-процессора. Reduced Instruction Set Computer (RISC) – вычисления с сокращённым набором команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

В настоящее время в связи с доступностью программных средств и инструментальных плат разработки большое число публикаций связано с семейством восьмибитных микроконтроллеров AVR фирмы Atmel. Грань между RISC и CISC (complex – сложными) микропроцессорами стирается. Например, AVR имеют 133 команды, что соответствует CISC, но большинство из них выполняется за один такт, что является признаком RISC. Поэтому основным признаком RISC стало принято считать выполнение команд за один такт.

Микропроцессоры AVR фирмы Atmel

Регистры общего назначения РОН (General Purpose Registers - GPR), их всего 32, имеют байтовый формат. РОН находятся в начале адресного пространства оперативной памяти, хотя физически не являются ее частью. Поэтому к ним можно обращаться двумя способами: как к регистрам и как к памяти. Такое решение является особенностью AVR и повышает эффективность работы и производительность микроконтроллера.

В оперативную память можно лишь записывать данные из регистров, тогда как для работы с регистрам есть арифметические, логические и битовые операции. Система команд в разных модификациях насчитывает от 90 до 133 различных инструкций и построена на гарвардской архитектуре, программа (Flash-память – аналог жесткого диска, хранит коды, загружаемые в оперативную память SRAM) и данные (EEPROM-память) находятся в разных адресных пространствах, однако имеется возможность читать данные из памяти программы, используя специальные команды.

Все типы памяти интегрированны на одном чипе, что снимает необходимость во внешней памяти для большинства приложений. Коды в энергонезависимые хранилища Flash (hex), EEPROM заносятся через последовательный периферийный интерфейс SPI. Соответственно, его можно использовать для подключения программатора, цифровых потенциометров, ЦАП/АЦП, FLASH-ПЗУ и др. микроконтроллеров. Управление периферийными устройствами осуществляется через адресное пространство данных.

Микроконтроллеры AVR поддерживают тактовую частоту 0-20МГц, но некоторые устройства достигают 32МГц. Каноническая вполне работоспособная электрическая схема микропроцессора вполне проста и обходится, как видно на рисунке 2, немногими деталями, к которым относятся внешний кварц и конденсаторы в цепи питания. Контрольным светодиодом можно проверить состояние ножки выхода.

Минимальная схема включения микропроцессора AVR

Колодка ISP-программатора (загружающего hex-коды программы) подпаяна к соответствующим ножка микропроцессора.

Схема подключения программатора

Четырехпроводной интерфейс JTAG, разработанный группой Joint Test Action Group, был зарегистрирован в качестве промышленного стандарта IEEE Std 1149.1-1990 для тестирования печатных плат, внутрисхемной отладки и программирования микроконтроллеров. Им оснащены все микроконтроллеры Mega с флэш-памятью емкостью 16 кбайт и более.

Для взаимодействия с компьютером через com-порт согласно популярному протоколу RS232 имеется универсальный асинхронный или универсальный синхронно/асинхронный приемопередатчик (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver and Transmitter – UART или USART), который включается через буферную микросхему MAX232, согласовывающую разницу напряжений на информационных линиях связи

Согласовывающая микросхема MAX232

Канал способен работать в дуплексном режиме (одновременная передача и прием данных). Помимо того, имеется двухпроводной последовательный интерфейс TWI (Two-wire Serial Interface), который позволяет объединить вместе до 128 различных устройств с помощью двунаправленной шины, состоящей из линии тактового сигнала (SCL) и линии данных (SDA). Это аналог интерфейса I2C (двухпроводная двунаправленная шина), предложенного фирмой Philips.

Организовать работу системы во времени по прерываниям помогают несколько таймеров с разрядностью 8 или 16 бит. Они могут работать и как счетчики внешних событий. В режиме ШИМ (PWM) таймер может представлять собой широтно-импульсный модулятор и используется для генерирования сигнала с программируемыми частотой и скважностью. Сторожевой таймер (WDT – WatchDog Timer) имеет свой собственный RC-генератор, работающий на частоте 1 МГц. Он предназначен для того, чтобы сбрасываться программой, что позволяет обнаружить зависание, ведущему к перезапуску пpоцессоpа с инициализацией pегистpов для приведения системы в рабочее состояние.

Микроконтроллер AVR использует питание от 1,8 до 6,0 Вольт. Ток потребления составляет менее 1 мА для 500 кГц, 5–6 мА для 5 МГц и 8–9 мА для частоты 12 МГц. Программным путем AVR переводится в один из трех режимов пониженного энергопотребления. В режиме холостого хода процессора (IDLE) функционирует внутренний генератор синхросигналов, таймеры, система прерываний и сторожевой таймер. Ток потребления не превышает 2,5 мА на частоте 12 МГц. В стоповом режиме (POWER DOWN) все функции выключены до поступления сигнала внешнего прерывания или аппаратного сброса. При включенном сторожевом таймере ток потребления в этом режиме составляет около 80 мкА, а при выключенном – менее 1 мкА для напряжения питания 5 В. Существует еще экономичный режим (POWER SAVE), в котором работает только генератор таймера, что обеспечивает сохранность временной базы.

Схема BOD (Brown-Out Detection) при снижении питания ниже некоторого значения она переводит микроконтроллер в состояние сброса. Когда напряжение питания вновь увеличится до порогового значения, запускается таймер задержки сброса. После формирования задержки внутренний сигнал сброса снимается и происходит запуск микроконтроллера. Помимо аналого-цифровых преобразователей, переключаемых регистром опрашиваемого входа, имеются аналоговые компораторы, используемые в системе прерываний.

Для ознакомления с микропроцессором на тестовых платах размещают кнопку сброса RESET, управляющие кнопки, информационные светодиоды, триммерные контрольные сопротивления, температурный, световой и другие датчики.

АРХИТЕКТУРА AVR

Условные обозначения:

Flash ROM - объем энергонезависимой памяти программ (в килобайтах);

EEPROM - объем энергонезависимой памяти данных (в байтах);

RAM - объем статической памяти данных (в байтах);

External RAM - возможность подключения к микроконтроллеру дополнительной микросхемы внешней статической памяти данных (в килобайтах);

ISP - возможность программирования микроконтроллера в системе (на целевой плате) при основном напряжении питания;

SPM - функция самопрограммирования Flash ROM памяти микроконтроллера в системе без участия внешнего программатора;

JTAG - встроенный JTAG - интерфейс;

I/O (pins) - максимальное количество доступных линий ввода / вывода;

Timer(s) 8/16 bit - количество и разрядность таймеров/счетчиков;

USI - универсальный коммуникационный интерфейс;

AC - аналоговый компаратор;

ADC (channels) - количество каналов аналого-цифрового преобразования;

Internal RC - наличие внутренней RC-цепочки для автономной работы микроконтроллера (без внешнего источника опорной частоты);

WDT - сторожевой таймер;

BDC - аппаратный программируемый блок защиты от сбоев при внезапном (в том числе и кратковременном) пропадании напряжения питания микроконтроллера;

UART - асинхронный последовательный приемопередатчик;

SPI - синхронный трехпроводной последовательный интерфейс;

I2C - двухпроводной последовательный интерфейс;

RTC - система реального времени;

PWM (channels) - количество независимых каналов широтно - импульсной модуляции;

Все AVR имеют Flash-память программ, которая может быть загружена как с помощью обычного программатора, так и с помощью SPI-интерфейса, в том числе непосредственно на целевой плате. Число циклов перезаписи - не менее 1000. Последние версии кристаллов имеют возможность самопрограммирования. Это означает, что микроконтроллер способен самостоятельно, без какого-либо внешнего программатора, изменять содержимое ячеек памяти программ. То есть, новые AVR могут менять алгоритмы своего функционирования и программы, заложенные в них, и далее работать уже по измененному алгоритму или новой программе. Например, Вы можете написать и сохранить несколько рабочих версий программы для конкретного приложения во внешней энергонезависимой памяти (DataFlash, SEEPROM и т.п.), а затем по мере необходимости или по реакции на какие-нибудь внешние или внутренние логические условия перегружать рабочие программы в тот же самый микроконтроллер AVR, не извлекая его из печатной платы. Для этого весь массив памяти программ делится на две неравные по объему области: блок загрузчика (программа, управляющая перезаписью Flash-памяти программ) и блок для размещения рабочего программного кода, причем свободная память в области загрузчика может быть использована в качестве дополнительного пространства для рабочего кода. Программа - загрузчик создается самим разработчиком и должна быть запрограммирована внешним программатором.

Все AVR имеют также блок энергонезависимой электрически стираемой памяти данных EEPROM. Этот тип памяти, доступный программе микроконтроллера непосредственно в ходе ее выполнения, удобен для хранения промежуточных данных, различных констант, таблиц перекодировок, калибровочных коэффициентов и т.п. EEPROM также может быть загружена извне как через SPI интерфейс, так и с помощью обычного программатора. Число циклов перезаписи - не менее 100000. Два программируемых бита секретности позволяют защитить память программ и энергонезависимую память данных EEPROM от несанкционированного считывания. Внутренняя оперативная память SRAM имеется у всех AVR семейств "classic" и "mega" и у одного нового кристалла семейства "tiny" - ATtiny26/L. Для некоторых микроконтроллеров возможна организация подключения внешней памяти данных объемом до 64К.

Внутренний тактовый генератор AVR может запускаться от нескольких источников опорной частоты (внешний генератор, внешний кварцевый резонатор, внутренняя или внешняя RC-цепочка). Поскольку AVR-микроконтроллеры полностью статические, минимальная допустимая частота ничем не ограничена (вплоть до пошагового режима). Максимальная рабочая частота определяется конкретным типом микроконтроллера. Интересную аппаратную особенность имеет микроконтроллер ATtiny15L. Он содержит блок PLL для аппаратного умножения основной тактовой частоты в 16 раз. При номинальном значении последней 1,6 МГц получаемая вспомогательная периферийная частота равна 25,6 МГц. Эта частота может служить источником для одного из таймеров/счетчиков микроконтроллера, значительно повышая временное разрешение его работы.

Сторожевой (WATCHDOG) таймер предназначен для защиты микроконтроллера от сбоев в процессе работы. Он имеет свой собственный RC-генератор, работающий на частоте 1 МГц. Эта частота является приближенной и зависит прежде всего от величины напряжения питания микроконтроллера и от температуры. WATCHDOG-таймер снабжен своим собственным предделителем входной частоты с программируемым коэффициентом деления, что позволяет подстраивать временной интервал переполнения таймера и сброса микроконтроллера. WATCHDOG-таймер может быть отключен программным образом во время работы микроконтроллера как в активном режиме, так и в любом из режимов пониженного энергопотребления. В последнем случае это приводит к значительному снижению потребляемого тока.

Микроконтроллеры AVR имеют в своем составе от 1 до 4 таймеров/счетчиков общего назначения с разрядностью 8 или 16 бит, которые могут работать и как таймеры от внутреннего источника опорной частоты, и как счетчики внешних событий с внешним тактированием. Общие черты всех таймеров/счетчиков следующие.

наличие программируемого предделителя входной частоты с различными градациями деления. Отличительной чертой является возможность работы таймеров/счетчиков на основной тактовой частоте микроконтроллера без предварительного ее понижения, что существенно повышает точность генерации временных интервалов системы;

независимое функционирование от режима работы процессорного ядра микроконтроллера (т.е. они могут быть как считаны, так и загружены новым значением в любое время);

возможность работы или от внутреннего источника опорной частоты, или в качестве счетчика событий. Верхний частотный порог определен в этом случае как половина основной тактовой частоты микроконтроллера. Выбор перепада внешнего источника (фронт или срез) программируется пользователем;

наличие различных векторов прерываний для нескольких различных событий (переполнение, захват, сравнение).

Система реального времени (RTC) реализована во всех микроконтроллерах семейства "mega" и в двух кристаллах семейства "classic" - AT90(L)S8535. Таймер/счетчик RTC имеет свой собственный предделитель, который может быть программным способом подключен или к основному внутреннему источнику тактовой частоты микроконтроллера, или к дополнительному асинхронному источнику опорной частоты (кварцевый резонатор или внешний синхросигнал). Для этой цели зарезервированы два внешних вывода микроконтроллера. Внутренний осциллятор, нагруженный на счетный вход таймера/счетчика RTC, оптимизирован для работы с внешним "часовым" кварцевым резонатором 32,768 кГц.

Порты ввода/вывода AVR имеют число независимых линий "Вход/Выход" от 3 до 53. Каждый разряд порта может быть запрограммирован на ввод или на вывод информации. Мощные выходные драйверы обеспечивают токовую нагрузочную способность 20 мА на линию порта (втекающий ток) при максимальном значении 40 мА, что позволяет, например, непосредственно подключать к микроконтроллеру светодиоды и биполярные транзисторы. Общая токовая нагрузка на все линии одного порта не должна превышать 80 мА (все значения приведены для напряжения питания 5 В).

Интересная архитектурная особенность построения портов ввода/вывода у AVR заключается в том, что для каждого физического вывода существует 3 бита контроля/управления, а не 2, как у распространенных 8-разрядных микроконтроллеров (Intel, Microchip, Motorola и т.д.). Упрощенная структурная схема элемента ввода/вывода AVR - микроконтроллера приведена на рис. 1. Здесь DDRx - бит контроля направления передачи данных и привязки вывода к шине питания (VCC), PORTx - бит привязки вывода к VCC и бит выходных данных, PINx - бит для отображения логического уровня сигнала на физическом выводе микросхемы.

Естественно возникает вопрос: а зачем необходимы именно 3 бита? Дело в том, что использование только двух бит контроля/управления порождает ряд проблем при операциях типа "чтение-модификация-запись". Например, если имеют место две последовательные операции "чтение-модификация-запись", то первый результат может быть потерян безвозвратно, если вывод порта работает на емкостную нагрузку и требуется некоторое время для стабилизации уровня сигнала на внешнем выводе микросхемы. Архитектура построения портов ввода/вывода AVR с тремя битами контроля/управления позволяет разработчику полностью контролировать процесс ввода/вывода. Если необходимо получить реальное значение сигнала на физическом выводе микроконтроллера - читайте содержимое бита по адресу PINx. Если требуется обновить выходы - прочитайте PORTx защелку и потом модифицируйте данные. Это позволяет избежать необходимости иметь копию содержимого порта в памяти для безопасности и повышает скорость работы микроконтроллера при работе с внешними устройствами. Особую значимость приобретает данная возможность AVR для реализации систем, работающих в условиях внешних электрических помех.

Аналоговый компаратор входит в состав большинства микроконтроллеров AVR. Типовое напряжение смещения равно 10 мВ, время задержки распространения составляет 500 нс и зависит от напряжения питания микроконтроллера. Так, например, при напряжении питания 2,7 Вольт оно равно 750 нс. Аналоговый компаратор имеет свой собственный вектор прерывания в общей системе прерываний микроконтроллера. При этом тип перепада, вызывающий запрос на прерывание при срабатывании компаратора, может быть запрограммирован пользователем как фронт, срез или переключение. Логический выход компаратора может быть программным образом подключен ко входу одного из 16-разрядных таймеров/счетчиков, работающего в режиме захвата. Это дает возможность измерять длительность аналоговых сигналов а также максимально просто реализовывать АЦП двухтактного интегрирования.

Аналого - цифровой преобразователь (АЦП) построен по классической схеме последовательных приближений с устройством выборки/хранения (УВХ). Каждый из аналоговых входов может быть соединен со входом УВХ через аналоговый мультиплексор. Устройство выборки/хранения имеет свой собственный усилитель, гарантирующий, что измеряемый аналоговый сигнал будет стабильным в течение всего времени преобразования. Разрядность АЦП составляет 10 бит при нормируемой погрешности +/- 2 разряда. АЦП может работать в двух режимах - однократное преобразование по любому выбранному каналу и последовательный циклический опрос всех каналов. Время преобразования выбирается программно с помощью установки коэффициента деления частоты специального предделителя, входящего в состав блока АЦП. Оно составляет 70...280 мкс для ATmega103 и 65...260 мкс для всех остальных микроконтроллеров, имеющих в своем составе АЦП. Важной особенностью аналого-цифрового преобразователя является функция подавления шума при преобразовании. Пользователь имеет возможность, выполнив короткий ряд программных операций, запустить АЦП в то время, когда центральный процессор находится в одном из режимов пониженного энергопотребления. При этом на точность преобразования не будут оказывать влияние помехи, возникающие при работе процессорного ядра.

AVR - микроконтроллеры могут быть переведены программным путем в один из шести режимов пониженного энергопотребления. Для разных семейств AVR и разных микроконтроллеров в пределах каждого семейства изменяются количество и сочетание доступных режимов пониженного энергопотребления. Подробную информацию можно найти в оригинальной технической документации Atmel Corp.

Режим холостого хода (IDLE), в котором прекращает работу только процессор и фиксируется содержимое памяти данных, а внутренний генератор синхросигналов, таймеры, система прерываний и WATCHDOG-таймер продолжают функционировать.

Режим микропотребления (Power Down), в котором сохраняется содержимое регистрового файла, но останавливается внутренний генератор синхросигналов. Выход из Power Down возможен либо по общему сбросу микроконтроллера, либо по сигналу (уровень) от внешнего источника прерывания. При включенном WATCHDOG-таймере ток потребления в этом режиме составляет около 60...80 мкА, а при выключенном - менее 1 мкА для всех типов AVR. Вышеприведенные значения справедливы для величины питающего напряжения 5 В.

Режим сохранения энергии (Power Save), который реализован только у тех AVR, которые имеют в своем составе систему реального времени. В основном, режим Power Save идентичен Power Down, но здесь допускается независимая работа дополнительного таймера/счетчика RTC. Выход из режима Power Save возможен по прерыванию, вызванному или переполнением таймера/счетчика RTC, или срабатыванием блока сравнения этого счетчика. Ток потребления в этом режиме составляет 6...10 мкА при напряжении питания 5 В на частоте 32,768 кГц.

Режим подавления шума при работе аналого-цифрового преобразователя (ADC Noise Reduction). Как уже отмечалось, в этом режиме останавливается процессорное ядро, но разрешена работа АЦП, двухпроводного интерфейса I2C и сторожевого таймера.

Основной режим ожидания (Standby). Идентичен режиму Power Down, но здесь работа тактового генератора не прекращается. Это гарантирует быстрый выход микроконтроллера из режима ожидания всего за 6 тактов генератора.

Дополнительный режим ожидания (Extended Standby). Идентичен режиму Power Save, но здесь работа тактового генератора тоже не прекращается. Это гарантирует быстрый выход микроконтроллера из режима ожидания всего за 6 тактов генератора.

Микроконтроллеры AVR mega64, mega103 и mega128 имеют еще одну примечательную архитектурную особенность, позволяющую значительно снизить энергопотребление всего кристалла в целом, когда в процессе работы возникают вынужденные паузы ожидания. В этом случае целесообразно уменьшить ток потребления центрального процессора и периферийных устройств как в активном режиме, так и в режиме холостого хода, понизив основную тактовую частоту микроконтроллера. Для этой цели на кристалле размещен специальный предделитель, позволяющий делить основную тактовую частоту на целое число в диапазоне от 2 до 129. Включение/выключение данной функции осуществляется одной короткой командой в программе.

AVR функционируют в широком диапазоне питающих напряжений от 1,8 до 6,0 Вольт. Энергопотребление в активном режиме зависит от величины напряжения питания, от частоты, на которой работает AVR и от конкретного типа микроконтроллера. Подробные спецификации обычно приводятся в оригинальной технической документации Atmel Corp. Температурные диапазоны работы микроконтроллеров AVR - коммерческий (0С...70С) и индустриальный (-40С...+85С). К сожалению, корпорация Atmel не выпускает и не планирует выпускать AVR для работы в автомобильном (-40С...+125С) и военном (-55С...+125С) температурных диапазонах.

Рис. 2: Структурная схема AVR.

С точки зрения программиста AVR представляет собой 8-разрядный RISC микроконтроллер, имеющий быстрый Гарвардский процессор, память программ, память данных, порты ввода/вывода и различные интерфейсные схемы. Структурная схема микроконтроллера приведена на рис. 2. Гарвардская архитектура AVR реализует полное логическое и физическое разделение не только адресных пространств, но и информационных шин для обращения к памяти программ и к памяти данных, причем способы адресации и доступа к этим массивам памяти также различны. Подобное построение уже ближе к структуре цифровых сигнальных процессоров и обеспечивает существенное повышение производительности. Центральный процессор работает одновременно как с памятью программ, так и с памятью данных; разрядность шины памяти программ расширена до 16 бит. Следующим шагом на пути увеличения быстродействия AVR является использование технологии конвейеризации, вследствие чего цикл "выборка - исполнение" команды заметно сокращен. Например, у микроконтроллеров семейства MCS51 короткая команда выполняется за 12 тактов генератора (1 машинный цикл), в течение которого процессор последовательно считывает код операции и исполняет ее. В PIC-контроллерах фирмы Microchip, где уже реализован конвейер, короткая команда выполняется в течение 8 периодов тактовой частоты (2 машинных цикла). За это время последовательно дешифрируется и считывается код операции, исполняется команда, фиксируется результат и одновременно считывается код следующей операции (одноуровневый конвейер). Поэтому в общем потоке команд одна короткая команда реализуется за 4 периода тактовой частоты или за один машинный цикл. В микроконтроллерах AVR тоже используется одноуровневый конвейер при обращении к памяти программ и короткая команда в общем потоке выполняется, как и в PIC-контроллерах, за один машинный цикл. Главное же отличие состоит в том, что этот цикл у AVR составляет всего один период тактовой частоты. Для сравнения, на рис. 3 приведены временные диаграммы при выполнении типовой команды для различных микроконтроллерных платформ.

Следующая отличительная черта архитектуры микроконтроллеров AVR - регистровый файл быстрого доступа, структурная схема которого показана на рис. 4. Каждый из 32-х регистров общего назначения длиной 1 байт непосредственно связан с арифметико-логическим устройством (ALU) процессора. Другими словами, в AVR существует 32 регистра - аккумулятора (сравните, например, с MCS51). Это обстоятельство позволяет в сочетании с конвейерной обработкой выполнять одну операцию в ALU за один машинный цикл. Так, два операнда извлекаются из регистрового файла, выполняется команда и результат записывается обратно в регистровый файл в течение только одного машинного цикла.

Рис. 3: Сравнительная характеристика некоторых микропроцессорных платформ.

Шесть из 32-х регистров файла могут использоваться как три 16-разрядных указателя адреса при косвенной адресации данных. Один из этих указателей (Z Pointer) применяется также для доступа к данным, записанным в памяти программ микроконтроллера. Использование трех 16-битных указателей (X, Y и Z Pointers) существенно повышает скорость пересылки данных при работе прикладной программы.

Рис. 4: Регистровый файл.

Регистровый файл занимает младшие 32 байта в общем адресном пространстве SRAM AVR. Такое архитектурное решение позволяет получать доступ к быстрой "регистровой" оперативной памяти микроконтроллера двумя путями - непосредственной адресацией в коде команды к любой ячейке и другими способами адресации ячеек SRAM. В технической документации фирмы Atmel это полезное свойство носит название "быстрое контекстное переключение" и является еще одной отличительной особенностью архитектуры AVR, повышающей эффективность работы микроконтроллера и его производительность. Особенно заметно данное преимущество при реализации процедур целочисленной 16-битной арифметики, когда исключаются многократные пересылки между различными ячейками памяти данных при обработке арифметических операндов в ALU.

Система команд AVR весьма развита и насчитывает до 133 различных инструкций. Конкретное количество команд для каждого микроконтроллера того или иного семейства AVR приведено в таблицах 1 - 2. Почти все команды имеют фиксированную длину в одно слово (16 бит), что позволяет в большинстве случаев объединять в одной команде и код операции, и операнд(ы). Лишь немногие команды имеют размер в 2 слова (32 бит) и относятся к группе команд вызова процедуры CALL, длинных переходов в пределах всего адресного пространства JMP, возврата из подпрограмм RET и команд работы с памятью программ LPM. Различают пять групп команд AVR: условного ветвления, безусловного ветвления, арифметические и логические операции, команды пересылки данных, команды работы с битами. В последних версиях кристаллов AVR семейства "mega" реализована функция аппаратного умножения, что придает новым микроконтроллерам еще больше привлекательности с точки зрения разработчика.

По разнообразию и количеству реализованных инструкций AVR больше похожи на CISC, чем на RISC процессоры. Например, у PIC-контроллеров система команд насчитывает до 75 различных инструкций, а у MCS51 она составляет 111. В целом, прогрессивная RISC архитектура AVR в сочетании с наличием регистрового файла и расширенной системы команд позволяет в короткие сроки создавать работоспособные программы с эффективным кодом как по компактности реализации, так и по скорости выполнения.

Корпорация Atmel планирует дальнейшее развитие перспективной линии AVR - микроконтроллеров. Исключение составляет лишь семейство "classic", развитие которого не планируется. Считается, что это семейство функционально сбалансировано и разнообразно представлено. В семействе "tiny" анонсирован очень интересный микроконтроллер - ATtiny26, имеющий в своем составе блок SRAM емкостью 128 байт и модуль USI (Universal Serial Interface). Это означает, что один и тот же периферийный узел связи на кристалле может быть программным образом сконфигурирован для работы в качестве коммуникационных интерфейсов SPI (Master/Slave) или I2C (Master/Slave). Дополнительно USI может быть запрограммирован для работы в качестве полудуплексного UART или 4/12 разрядного счетчика. Но наиболее интересные решения реализованы в семействе "mega", где анонсирован и начат серийный выпуск целого ряд кристаллов, которые будут выпускаться по технологии 0,35 мкм. Объем Flash-памяти программ с функциями ISP и SPM у новых "mega" будет варьироваться от 8 до 128 килобайт, а выпускаться они будут в корпусах MLF, DIP и TQFP с количеством выводов от 32 до 64. Все новые микроконтроллеры семейства "mega" будут иметь JTAG - интерфейс (за исключением mega8), аппаратный умножитель 8х8, дающий 16-разрядный результат, схему защиты от сбоев, двухпроводной последовательный интерфейс, аналого-цифровой преобразователь (за исключением ATmega162) и ряд других аппаратных особенностей (см. таблицу 3). Помимо этого, вдвое будет повышена скорость работы всех периферийных узлов (SPI, PWM, UART и др.), улучшена работа схемы тактирования и упрощен доступ к внешней памяти данных.

Улучшенная RISC (enhanced RISC) архитектура AVR-микроконтроллеров (рис. 2) объединяет в себе комплекс решений, направленных на повышение быстродействия микропроцессорного ядра AVR.

Арифметико-логическое устройство (ALU), в котором выполняются все вычислительные операции, имеет доступ к 32-м оперативным регистрам, объединенным в регистровый файл. Выборка содержимого регистров, выполнение операции и запись результата обратно в регистровый файл выполняются за один машинный цикл. Для сравнения полезно вспомнить, что большинство встраиваемых микроконтроллеров имеют только один такой регистр, непосредственно доступный ALU, - аккумулятор, что требует включения в программу дополнительных команд его загрузки и считывания.

Основной идеей всех RISC (Reduced Instruction Set Computer), как известно, является увеличение быстродействия за счет сокращения количества операций обмена с памятью программ. Для этого каждую команду стремятся уместить в одну ячейку памяти программ. При ограниченной разрядности ячейки памяти это неизбежно приводит к сокращению набора команд микропроцессора.

У AVR-микроконтроллеров в соответствии с этим принципом практически все команды (исключая те, у которых одним из операндов является 16-разрядный адрес) также упакованы в одну ячейку памяти программ. Но сделать это удалось не за счет сокращения количества команд процессора, а путем расширения ячейки памяти программ до 16 разрядов. Такое решение является причиной богатства системы команд AVR по сравнению с другими RISC-микроконтроллерами.

Организация памяти AVR выполнена по схеме Гарвардского типа, в которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но также и шины доступа к ним.

Вся программная память AVR-микроконтроллеров выполнена по технологии FLASH и размещена на кристалле. Она представляет собой последовательность 16-разрядных ячеек и имеет емкость от 512 слов до 64K слов в зависимости от типа кристалла.

Во FLASH-память, кроме программы, могут быть записаны постоянные данные, которые не изменяются во время функционирования микропроцессорной системы. Это различные константы, таблицы знакогенераторов, таблицы линеаризации датчиков и т. п.

Достоинством технологии FLASH является высокая степень упаковки, а недостатком то, что она не позволяет стирать отдельные ячейки. Поэтому всегда выполняется полная очистка всей памяти программ. При этом для AVR гарантируется, как минимум, 1000 циклов перезаписи FLASH-памяти.

Кроме того, для хранения данных AVR-микроконтроллеры могут иметь, в зависимости от типа кристалла, внутреннюю (от 0 до 4K байт) и внешнюю (от 0 до 64 Кбайт) оперативную SRAM память и энергонезависимую внутреннюю EEPROM память (от 0 до 4K байт).

Разделение шин доступа (рис. 2) к FLASH памяти и SRAM памяти дает возможность иметь шины данных для памяти данных и памяти программ различной разрядности а также использовать технологию конвейеризации. Конвейеризация заключается в том, что во время исполнения текущей команды программный код следующей уже выбирается из памяти и дешифрируется.

Для сравнения вспомним, что у микроконтроллеров семейства MCS-51 выборка кода команды и ее исполнение осуществляются последовательно, что занимает один машинный цикл, который длится 12 периодов кварцевого резонатора.

В случае использования конвейера приведенную длительность машинного цикла можно сократить. Например, у PIC-микроконтроллеров фирмы Microchip за счет использования конвейера удалось уменьшить длительность машинного цикла до 4 периодов кварцевого резонатора. Длительность же машинного цикла AVR составляет один период кварцевого резонатора. Таким образом, AVR способны обеспечивать заданную производительность при более низкой тактовой частоте. Именно эта особенность архитектуры и позволяет AVR-микроконтроллерам иметь наилучшее соотношение энергопотребление/производительность, так как потребление КМОП микросхем, как известно, определяется их рабочей частотой.

EEPROM блок электрически стираемой памяти AVR предназначен для хранения энергонезависимых данных, которые могут изменяться непосредственно на объекте. Это калибровочные коэффициенты, различные уставки, конфигурационные параметры системы. EEPROM-память имеет меньшую, по сравнению с FLASH, емкость (до 4К байт), но при этом допускает возможность побайтной перезаписи ячеек, которая может происходить как под управлением внешнего процессора, так и под управлением собственно AVR-микроконтроллера во время его работы по программе.

Задание........................................................................................................................ 3

Архитектура микроконтроллеров AVR.................................................................... 4

Основные характеристики семейства микроконтроллеров AVR............................. 5

Блок-схема микроконтроллера AT90S8515............................................................. 8

Конструктивное исполнение корпусов и расположение выводов............................ 9

Система управления и АЛУ..................................................................................... 11

Статическая память RAM(SRAM)........................................................................... 11

Память команд.......................................................................................................... 13

Память для энергонезависимых данных................................................................. 13

Схема алгоритма...................................................................................................... 14

Текст программы...................................................................................................... 15

Результат выполнения программы:......................................................................... 16

Схема принципиальная............................................................................................ 17

Список литературы.................................................................................................. 18

Задание

Требуется разработать устройство, которое реализует следующие функции:

1) вводит m однобайтных чисел;

2) Определяет количество чисел имеющих в 4-ом и 5-ом разрядах комбинацию «11».

Задание предполагает разработку программного и аппаратного обеспечения устройства преобразования форматов данных, реализованного на основе микроконтроллера (МК) AVR - RISC AT90S8515.

При выполнении КР необходимо:

1. Изучить структуру МК и его функционирование.

2. Изучить организацию памяти МК.

3. Разработать алгоритм преобразования данных, реализующий поставленную задачу.

4. Составить алгоритм программы на уровне машинных команд контроллера.

5. Составить программу работы устройства на языке ассемблера МК AVR и в машинных кодах.

6. Отладить программу в среде AVR - STUDIO.

Архитектура микроконтроллеров AVR

Все микроконтроллеры AVR спроектированы для работы в составе очень производительной маломощной архитектуры RISC.

Перечислим характерные особенности архитектуры RISC:

1) ограниченное количество эффективных команд;

2) отсутствие классического накапливающего сумматора в пользу большего числа равноправных рабочих регистров;

3) организация диапазонов памяти по Гарвардской модели;

4) единый интерфейс с запоминающими устройствами за счет исключительного применения команд вида "Загрузка/Сохранение";

5) обработка почти всех команд в течение единственного машинного такта;

6) оптимизация аппаратного обеспечения и набора команд с целью применения программирования на языках высокого уровня.

Поначалу использование архитектуры RISC было ограничено мощными ком­пьютерами, выступающими в роли рабочих станций, однако вскоре были открыты преимущества этой архитектуры для однокристальных микроконтроллеров, что доказывает семейство AVR компании Atmel.

1. Представители семейства AVR обладают ограниченным набором из 118 высокоэффективных команд (в модели AT90S1200 этот набор ограничен 89 командами).

2. Благодаря особой архитектуре микропроцессоров AVR, исключен ярко выраженный недостаток обычных процессоров, у которых все арифмети­ческие и логические операции выполняются исключительно в так назы­ваемом накапливающем сумматоре. Вследствие этого, как правило, после завершения собственно вычислительных операций требуются операции обращения к вспомогательным регистрам или промежуточным запоми­нающим устройствам. У семейства микроконтроллеров AVR этот недоста­ток отсутствует, поскольку в вычислениях, кроме накапливающего сумма­тора, задействованы 32 равноправных рабочих регистра, напрямую связан­ных с арифметико-логическим устройством (АЛУ).

3. Микроконтроллеры AVR работают по Гарвардской архитектуре, что под­разумевает разделение памяти для программ и данных. Они используют одноступенчатую конвейерную обработку. Это означает, что во время вы­полнения команды выполняется загрузка следующей команды из памяти программ (рис. 1). Благодаря этому, достигается возможность выполне­ния команды в течение одного тактового цикла.

4. Первая команда программы выполняется на один тактовый цикл дольше, чем та же команда в другом месте программы, поскольку в этом случае выборка не может быть осуществлена параллельно с выполнением преды­дущей команды.

5. В микроконтроллерах AVR используются несколько команд загрузки/ со­хранения, с помощью которых к переменным и константам можно обра­титься в различных режимах адресации.

6. У большинства обычных процессоров и контроллеров такт, сгенерирован­ный кварцевым осциллятором, делится на заранее заданный коэффициент для получения собственно системного такта. Так, например, в контроллере 8051, работающем с частотой кварца 12 МГц, при внутреннем коэффици­енте деления минимальное время выполнения команд составляет всего лишь одну секунду, причем "минимальное время" в данном случае подразумевает, что для выполнения некоторого количества команд потребуется больше времени. Однако в случае с микроконтроллерами семейства AVR такого не происходит. В них действительно почти все команды выполня­ются в течение одного периода частоты кварцевого генератора, что при максимально допустимой частоте 12 МГц в случае микроконтроллера AT90S1200 означает всего лишь 83,33 не. Другими словами, достигается быстродействие до 12 MIPS (Million Instructions Per Second), то есть, - 12 миллионов выполненных команд в течение одной секунды! И, за немноги­ми исключениями, микроконтроллеры семейства AVR действительно об­рабатывают все команды в течение единственного системного такта.

1.Режимы пониженного энергопотребления

AVR микроконтроллеры могут быть переведены программным путем в один из шести режимов пониженного энергопотребления.

Режим холостого хода (IDLE), в котором прекращает работу только процессор и фиксируется содержимое памяти данных, а внутренний генератор синхросигналов, таймеры, система прерываний и WATCHDOG-таймер продолжают функционировать. Режим микропотребления (Power Down), в котором сохраняется содержимое регистрового файла, но останавливается внутренний генератор синхросигналов. Выход из Power Down возможен либо по общему сбросу микроконтроллера, либо по сигналу (уровень) от внешнего источника прерывания. При включенном WATCHDOG-таймере ток потребления в этом режиме составляет около 60...80 мкА, а при выключенном - менее 1 мкА для всех типов AVR. Вышеприведенные значения справедливы для величины питающего напряжения 5 В. Режим сохранения энергии (Power Save), который реализован только у тех AVR, которые имеют в своем составе систему реального времени. В основном, режим Power Save идентичен Power Down, но здесь допускается независимая работа дополнительного таймера/счетчика RTC. Выход из режима Power Save возможен по прерыванию, вызванному или переполнением таймера/счетчика RTC, или срабатыванием блока сравнения этого счетчика. Ток потребления в этом режиме составляет 6...10 мкА при напряжении питания 5 В на частоте 32,768 кГц. Режим подавления шума при работе аналого-цифрового преобразователя (ADC Noise Reduction). Как уже отмечалось, в этом режиме останавливается процессорное ядро, но разрешена работа АЦП, двухпроводного интерфейса I2C и сторожевого таймера. Основной режим ожидания (Standby). Идентичен режиму Power Down, но здесь работа тактового генератора не прекращается. Это гарантирует быстрый выход микроконтроллера из режима ожидания всего за 6 тактов генератора. Дополнительный режим ожидания (Extended Standby). Идентичен режиму Power Save, но здесь работа тактового генератора тоже не прекращается. Это гарантирует быстрый выход микроконтроллера из режима ожидания всего за 6 тактов генератора.

Микроконтроллеры AVR mega64, mega103 и mega128 имеют еще одну примечательную архитектурную особенность, позволяющую значительно снизить энергопотребление всего кристалла в целом, когда в процессе работы возникают вынужденные паузы ожидания. В этом случае целесообразно уменьшить ток потребления центрального процессора и периферийных устройств как в активном режиме, так и в режиме холостого хода, понизив основную тактовую частоту микроконтроллера. Для этой цели на кристалле размещен специальный предделитель, позволяющий делить основную тактовую частоту на целое число в диапазоне от 2 до 129. Включение/выключение данной функции осуществляется одной короткой командой в программе. AVR функционируют в широком диапазоне питающих напряжений от 1,8 до 6,0 Вольт. Температурные диапазоны работы микроконтроллеров AVR - коммерческий (0С...70С) и индустриальный (-40С...+85С). К сожалению, корпорация Atmel не выпускает и не планирует выпускать AVR для работы в автомобильном (-40С...+125С) и военном (-55С...+125С) температурных диапазонах.

Рис. 2. Структурная схема AVR

С точки зрения программиста AVR представляет собой 8-разрядный RISC микроконтроллер, имеющий быстрый Гарвардский процессор, память программ, память данных, порты ввода/вывода и различные интерфейсные схемы. Структурная схема микроконтроллера приведена на рис. 2. Гарвардская архитектура AVR реализует полное логическое и физическое разделение не только адресных пространств, но и информационных шин для обращения к памяти программ и к памяти данных, причем способы адресации и доступа к этим массивам памяти также различны. Подобное построение уже ближе к структуре цифровых сигнальных процессоров и обеспечивает существенное повышение производительности. Центральный процессор работает одновременно как с памятью программ, так и с памятью данных; разрядность шины памяти программ расширена до 16 бит. Следующим шагом на пути увеличения быстродействия AVR является использование технологии конвейеризации, вследствие чего цикл "выборка - исполнение" команды заметно сокращен. Например, у микроконтроллеров семейства MCS51 короткая команда выполняется за 12 тактов генератора (1 машинный цикл), в течение которого процессор последовательно считывает код операции и исполняет ее. В PIC-контроллерах фирмы Microchip, где уже реализован конвейер, короткая команда выполняется в течение 8 периодов тактовой частоты (2 машинных цикла). За это время последовательно дешифрируется и считывается код операции, исполняется команда, фиксируется результат и одновременно считывается код следующей операции (одноуровневый конвейер). Поэтому в общем потоке команд одна короткая команда реализуется за 4 периода тактовой частоты или за один машинный цикл. В микроконтроллерах AVR тоже используется одноуровневый конвейер при обращении к памяти программ и короткая команда в общем потоке выполняется, как и в PIC-контроллерах, за один машинный цикл. Главное же отличие состоит в том, что этот цикл у AVR составляет всего один период тактовой частоты. Для сравнения, на рис. 3 приведены временные диаграммы при выполнении типовой команды для различных микроконтроллерных платформ.

2. Система команд AVR

Система команд AVR весьма развита и насчитывает до 133 различных инструкций. Почти все команды имеют фиксированную длину в одно слово (16 бит), что позволяет в большинстве случаев объединять в одной команде и код операции, и операнд(ы). Лишь немногие команды имеют размер в 2 слова (32 бит) и относятся к группе команд вызова процедуры CALL, длинных переходов в пределах всего адресного пространства JMP, возврата из подпрограмм RET и команд работы с памятью программ LPM. Различают пять групп команд AVR: условного ветвления, безусловного ветвления, арифметические и логические операции, команды пересылки данных, команды работы с битами. В последних версиях кристаллов AVR семейства "mega" реализована функция аппаратного умножения, что придает новым микроконтроллерам еще больше привлекательности с точки зрения разработчика.

3. Архитектура микроконтроллеров AVR

Файл регистров быстрого доступа, содержит 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения связанных непосредственно с ALU. За один тактовый цикл из файла регистров выбираются два операнда, выполняется операция и результат вновь возвращается в файл регистров. Шесть из 32 регистров могут быть использованы как три 16-разрядных регистра указателя косвенной адресации адресного пространства данных, обеспечивающие эффективное вычисление адресов. Один из этих указателей адреса используется, также, как указатель адреса для функции непрерывного просмотра таблиц. Эти 16-разрядные дополнительные регистры обозначаются X-регистр, Y-регистр и Z-регистр.

ALU поддерживает арифметические и логические операции между регистрами или между константой и регистром. Выполняются в ALU и операции с отдельными регистрами.

На Рис. 5 показана AVR расширенная RISC архитектура микроконтроллеров ATmega603/103.

Рис. 5. Расширенная RISC архитектура микроконтроллеров ATmega603/103

В дополнение к операциям с регистрами, регистровый файл может использоваться и для обычной адресации памяти. Это объясняется тем, что файл регистров располагается по 32 самыми младшими адресами пространства данных, и к ним можно обращаться как к обычным ячейкам памяти. Пространство памяти I/O содержит 64 адреса периферийных функций CPU таких как: регистры управления, таймеры/счетчики, аналого-цифровые преобразователи и другие I/O функции. К памяти I/O можно обращаться непосредственно или как к ячейкам пространства памяти соответствующим адресам регистра файлов $20 - $5F. В микроконтроллерах AVR использованы принципы Гарвардской архитектуры - отдельные память и шины для программ и данных. При работе с памятью программ используется одноуровневый конвейер - в то время, как одна команда выполняется, следующая команда выбирается из памяти программ, Такой прием позволяет выполнять команду в каждом тактовом цикле. Памятью программ является внутрисистемно программируемая Flash память. За малым исключением AVR команды имеют формат одного 16-разрядного слова, в связи с чем каждый адрес памяти программ содержит одну 16-разрядную команду. В процессе обработки прерываний и вызовов подпрограмм адрес возврата счетчика команд (PC) сохраняется в стеке. Стек размещается в SRAM данных и, следовательно размер стека ограничен только общим размером SRAM и уровнем ее использования. Все пользовательские программы в подпрограммах возврата (прежде, чем подпрограммы или прерывания будут выполняться) должны инициализировать указатель стека (SP). 16-разрядный указатель стека, с возможностью чтения/записи располагается в пространстве I/O. AVR архитектура поддерживает пять различных режимов адресации 4000 байт SRAM данных. Гибкий модуль обработки прерываний имеет в пространстве I/O свой управляющий регистр с дополнительным битом разрешения глобального прерывания в регистре статуса. Все прерывания имеют свои векторы прерывания в таблице векторов прерывания, располагаемой в начале памяти программ. Приоритеты прерываний соответствуют положению векторов прерываний - прерывание с наименьшим адресом вектора имеет наивысший приоритет. По разнообразию и количеству реализованных инструкций AVR больше похожи на CISC, чем на RISC процессоры. Например, у PIC-контроллеров система команд насчитывает до 75 различных инструкций, а у MCS51 она составляет 111. В целом, прогрессивная RISC архитектура AVR в сочетании с наличием регистрового файла и расширенной системы команд позволяет в короткие сроки создавать работоспособные программы с эффективным кодом как по компактности реализации, так и по скорости выполнения.

3.1.Регистровый файл быстрого доступа

Следующая отличительная черта архитектуры микроконтроллеров AVR - регистровый файл быстрого доступа, структурная схема которого показана на рис. 4. Каждый из 32-х регистров общего назначения длиной 1 байт непосредственно связан с арифметико-логическим устройством (ALU) процессора. Другими словами, в AVR существует 32 регистра - аккумулятора (сравните, например, с MCS51). Это обстоятельство позволяет в сочетании с конвейерной обработкой выполнять одну операцию в ALU за один машинный цикл. Так, два операнда извлекаются из регистрового файла, выполняется команда и результат записывается обратно в регистровый файл в течение только одного машинного цикла.

Рис. 3. Сравнительная характеристика некоторых микропроцессорных платформ

Шесть из 32-х регистров файла могут использоваться как три 16-разрядных указателя адреса при косвенной адресации данных. Один из этих указателей (Z Pointer) применяется также для доступа к данным, записанным в памяти программ микроконтроллера. Использование трех 16-битных указателей (X, Y и Z Pointers) существенно повышает скорость пересылки данных при работе прикладной программы.

Рис. 4. Регистровый файл

Регистровый файл занимает младшие 32 байта в общем адресном пространстве SRAM AVR. Такое архитектурное решение позволяет получать доступ к быстрой "регистровой" оперативной памяти микроконтроллера двумя путями - непосредственной адресацией в коде команды к любой ячейке и другими способами адресации ячеек SRAM. В технической документации фирмы Atmel это полезное свойство носит название "быстрое контекстное переключение" и является еще одной отличительной особенностью архитектуры AVR, повышающей эффективность работы микроконтроллера и его производительность. Особенно заметно данное преимущество при реализации процедур целочисленной 16-битной арифметики, когда исключаются многократные пересылки между различными ячейками памяти данных при обработке арифметических операндов в ALU.