Архитектура на AVR микроконтролерите – регистри, памет и изпълнение на код

1. Въведение

AVR микроконтролерите са широко използвани в embedded системи, Arduino платформи, индустриални проекти и хоби електроника. Те са популярни заради:

• Ниска консумация на енергия;

• Висока производителност;

• Лесно програмиране;

• Богат набор от периферия.

В тази статия ще разгледаме подробно:

• Вътрешната архитектура;

• Регистровия модел;

• Типовете памет;

• Как се изпълнява програмният код.

2. Обща архитектура на AVR

AVR използва Harvard архитектура, което означава:

• Отделна памет за програмата;

• Отделна памет за данните.

Основни блокове:

• CPU (централен процесор);

• Flash памет (програма);

• SRAM (данни);

• EEPROM;

• I/O регистри;

• Таймери;

• ADC;

• UART / SPI / I2C.

3. CPU ядро

CPU ядрото включва:

• ALU (аритметично-логическо устройство);

• Регистри;

• Program Counter;

• Status Register.

Основни функции:

• Изпълнява инструкции;

• Обработва прекъсвания;

• Управлява паметта.

4. Регистров модел

AVR има 32 универсални регистъра:

R0 до R31

Предимства:

• Всички са директно достъпни;

• Инструкциите работят директно с регистрите;

• Много бързо изпълнение.

Специални регистри:

5. Статус регистър (SREG)

SREG съдържа флагове:

6. Паметна организация

6.1 Flash памет

• Съдържа програмния код;

• Непроменлива при рестарт;

• Изпълнение директно от Flash.

6.2 SRAM

• Променливи;

• Стек;

• Буфери.

6.3 EEPROM

• Постоянни данни;

• Настройки;

• Запазване при спиране на захранването.

7. Адресно пространство

AVR има:

• Program space

• Data space

• I/O space

Flash -> инструкции
SRAM -> променливи
I/O -> периферия

8. Стек (Stack)

• Използва SRAM;

• Управлява се от SP;

• Използва се при:

  • функции;

  • прекъсвания;

  • локални променливи.

9. Изпълнение на код

9.1 Fetch – Decode – Execute

1. CPU взима инструкция от Flash;

2. Декодира инструкцията;

3. Изпълнява операцията.

10. Прекъсвания

AVR поддържа:

• Външни прекъсвания;

• Таймерни;

• ADC;

• UART.

Процес:

1. Запазва контекста;

2. Скача към ISR;

3. Изпълнява функция;

4. Връща се обратно.

11. Тактов сигнал

• Вътрешен RC осцилатор;

• Външен кварц;

• PLL

Честота влияе на:

• Скорост;

• Консумация;

• Тайминги.

12. Инструкционен набор

AVR е RISC архитектура:

• Повечето инструкции = 1 такт;

• Фиксирана дължина;

• Оптимизиран код.

13. Примерен код

Какво се случва:

• Кодът е във Flash

• Променливите са в SRAM

• Регистри управляват PORTB

14. Заключение

AVR архитектурата е:

• Лесна за разбиране;

• Оптимизирана за embedded;

• Перфектна за обучение.

Разбирането на:

• Регистри;

• Памет;

• Изпълнение на код.

дава огромно предимство при оптимизация и дебъг.