Обзор архитектуры процессоров.
Регистровый файл быстрого доступа содержит 32 8-разрядных регистра общего назначения, доступ к которым осуществляется за один машинный цикл. Поэтому за один машинный цикл исполняется одна операция АЛУ. Два операнда выбираются из регистрового файла, выполняется операция, результат ее записывается в регистровый файл - все за один машинный цикл.
Шесть из 32 регистров можно использовать как три 16-разрядных указателя в адресном пространстве данных, что дает возможность использовать высокоэффективную адресную арифметику (16-разрядные регистры X, Y и Z). Один из трех адресных указателей (регистр Z) можно использовать для адресации таблиц в памяти программ.
АЛУ поддерживает арифметические и логические операции c регистрами, с константами и регистрами. Операции над отдельными регистрами также выполняются в АЛУ.
Кроме регистровых операций, для работы с регистровым файлом могут использоваться доступные режимы адресации, поскольку регистровый файл занимает адреса 00h-1Fh в области данных, обращаться к ним можно как к ячейкам памяти.
Пространство ввода/вывода состоит из 64 адресов для периферийных функций процессора, таких как управляющие регистры , таймеры/счетчики и
другие. Доступ к пространству ввода/вывода может осуществляться непосредственно, как к ячейкам памяти расположенным после регистрового файла (20h- 5Fh).
Процессоры AVR построены по гарвардской архитектуре с раздельными областями памяти программ и данных. Доступ к памяти программ осуществляется при помощи одноуровнего буфера. Во время выполнения команды, следующая выбирается из памяти программ. Подобная концепция дает возможность выполнять по одной команде за каждый машинный цикл. Память программ - это внутрисистемная загружаемая флэш-память.
При помощи команд относительных переходов и вызова подпрограмм осуществляется доступ ко всему адресному пространству. Большая часть команд AVR имеет размер 16-разрядов, одно слово. Каждый адрес в памяти программ содержит одну 16- или 32-разрядную команду.
При обработке прерываний и вызове подпрограмм адрес возврата запоминается в стеке. Стек размещается в памяти данных общего назначения, соответственно размер стека ограничен только размером доступной памяти данных и ее использованием в программе. Все программы пользователя должны инициализировать указатель стека (SP) в программе выполняемой после сброса (до того как вызываются подпрограммы и разрешаются прерывания). 8-разрядный указатель стека доступен для чтения/записи в области ввода/вывода.
Доступ к статическому ОЗУ, регистровому файлу и регистрам ввода/вывода осуществляется при помощи пяти доступных режимов адресации поддерживаемых архитектурой AVR.
Все пространство памяти AVR является линейным и непрерывным. Гибкий модуль прерываний имеет собственный управляющий регистр в
пространстве ввода/вывода, и флаг глобального разрешения прерываний в регистре состояния. Каждому прерыванию назначен свой вектор в начальной области памяти программ. Различные прерывания имеют приоритет в соответствии с расположением их векторов. По младшим адресам расположены векторы с большим приоритетом.
Файл регистров общего назначения
Все команды оперирующие регистрами прямо адресуются к любому из регистров за один машинный цикл. Единственное исключение - пять команд оперирующих с константами SBCI, SUBI, CPI, ANDI, ORI и команда LDI, загружающая регистр константой. Эти команды работают только со второй половиной регистрового файла - R16..R31. Команды SBC, SUB, CP, AND и OR, также как и все остальные, применимы ко всему регистровому файлу.
Каждому регистру присвоен адрес в пространстве данных, они отображаются на первые 32 ячейки ОЗУ. Хотя регистровый файл физически размещен вне ОЗУ, подобная организация памяти дает гибкий доступ к регистрам. Регистры X, Y и Z могут использоваться для индексации любого регистра. Кроме обычных функций, регистры R26..R31 имеют дополнительные функции, эти регистры можно использовать как адресные указатели в области памяти данных. Эти регистры обозначаются как X,Y,Z и определены следующим образом:
Регистр X
15 0
7 0
7 0
1Bh (R27)
1Ah (R26)
Регистр Y
15 0
7 0
7 0
1Dh (R29)
1Ch (R28)
Регистр Z
15 0
7 0
7 0
1Fh (R31)
1Eh (R30)
При различных режимах адресации эти регистры могут использоваться как фиксированный адрес, для адресации с автоинкрементом или с автодекрементом.
Арифметико-логическое устройство - АЛУ
АЛУ процессора непосредственно подключено к 32 регистрам общего назначения. За один машинный цикл АЛУ производит операции между регистрами регистрового файла. Команды АЛУ разделены на три основных категории - арифметические, логические и битовые.
Загружаемая память программ.
AT90S2333/4433 содержат 2/4 кБ загружаемой флэш памяти для хранения программ. Поскольку все команды занимают одно 16- или 32-разрядное слово, флэш память организована как 1/2 Kx16. Флэш-память выдерживает не менее 1000 циклов перезаписи. Программный счетчик имеет ширину 10/11 бит и позволяет адресоваться к 1024/2048 словам программной флэш-памяти.
Подробно загрузка флэш памяти будет рассмотрена дальше.
EEPROM память данных
AT90S2333/4433 содержат 128/256 байт электрически стираемой энергонезависимой памяти (EEPROM). EEPROM организована как отдельная область данных, каждый байт которой может быть прочитан и перезаписан. EEPROM выдерживает не менее 100000 циклов записи/стирания. Доступ к энергонезависимой памяти данных рассмотрен ниже и задается регистрами адреса, данных и управления. Дальше будет рассмотрена загрузка данных в EEPROM через SPI интерфейс.
Статическое ОЗУ данных
На рисунке приведенном ниже показана организация памяти данных в AT90S2333/4433.
224 ячейки памяти включают в себя регистровый файл, память ввода/вывода и статическое ОЗУ данных.
Первые 96 адресов используются для регистрового файла и памяти ввода/вывода, следующие 128 - для ОЗУ данных.
При обращении к памяти используются пять различных режимов адресации: прямой, непосредственный со смещением, непосредственный, непосредственный с предварительным декрементом и непосредственный с постинкрементом. Регисты R26..R31 регистрового файла используются как указатели для непосредственной адресации. Прямая адресация имеет доступ ко всей памяти данных. Непосредственная адресация со смещением используется для доступа к 63 ячейкам базовый адрес которых задается содержимым регистров Y или Z.
Для непосредственной адресации с инкрементом и декрементом адреса используются адресные регистры X, Y и Z.
При помощи любого из этих режимов производится доступ ко всем 32 регистрам общего назначения, 64 регистрам ввода/вывода и 128 ячейкам ОЗУ.
Время выполнения команд.
ЦПУ процессора AVR управляется системной частотой генерируемой внешним резонатором. Внутреннее деление частоты генератора не используется. В процессоре организован буфер (pipeline) команд, при выборе команды из памяти программ происходит выполнение предыдущей команды. Подобная концепция позволяет достичь быстродействия 1MIPS на MHz, уникальных показателей стоимости, быстродействия и потребления процессора.
Регистровый файл
Область адресов данных
R0
00h
R1
01h
:
:
R30
1E
R31
1F
Регистры ввода\вывывода
00h
20h
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34
