Внутренняя организация микроконтроллеров AVR
Микроконтроллеры AVR выпускаются фирмой Atmel и предназначены для свободного использования в проектируемой аппаратуре.
Общие характеристики микроконтроллеров AVR следующие:
Напряжение питания – 3-5 В
Количество регистров общего назначения – 32
Наличие внутренних ОЗУ, памяти программ, энергонезависимой памяти
Поддержка интерфейсов USART(RS 232), SPI(I2C)
Архитектура микроконтроллера АТ9052313
/>
Микроконтроллеры AVRявляются 8-разрядными. Это означает, что все действия по выполнению арифметических операций, работы с портами, таймерами, интерфейсами выполняются побайтно.
32регистра общего назначения выполняют функцию аккумулятора. Это означает, что в каждый из этих регистров можно записать и считывать информацию а также то, что результат выполнения арифметических команд можно сохранять в любой из этих регистров.
Арифметика логического устройства предназначена для выполнения операции сложения, вычитания, а также логических операций на аппаратном уровне.
128 байт оперативной памяти, предназначены для хранения данных пока на МК подано питание.
128 EEPROMпредназначены для хранения информации после выключения питания МК.
1 Кб памяти программ это флэш-память, в которой находится программа, в соответствии с которой работает МК, а также размещаются таблицы данных (если они необходимы). Эта информация записывается в память на этап программирования и в отличии от EEPROMв процессе работы контролера не может быть изменена.
Счетчик программ – это счетчик 16-разрядный, который начинает считать после включения питания МК и содержание этого счетчика используется для выбора следующего для исполнения команды из памяти программ. Выбранная команда считывается из память программ и помещается в регистр инструкции, а декодер инструкции преобразует информацию в действие.
15 линий ввода/вывода физически являются ножками МК, объединенные в 2 порта ввода/вывода – порт В и порт D. Порт В является 8-разрядным, порт Dявляется 7-разрядным.
Обращение к линиям ввода/вывода может быть как индивидуальным, так и порту в целом, т.е. каждая из линий порта ввода/вывода может быть настроена как на ввод информации, так и на вывод, а данные выводятся и считываются из порта как по битам, так и по байтам.
8-битный таймер-счетчик предназначен для подсчета импульсов внутреннего тактового генератора, а также импульсов, поступающих на счетный вход Т.
16-разрядный таймер-счетчик предназначен для подсчета тактов, импульсов либо импульсов, поступающих на вход Т1. 8-разрядный таймер-счетчик считает до 256 с коэффициентом предделения от 1 до 1024.
USART– аппаратно реализуемый интерфейс приема/передачи между двумя устройствами в старт/стоповом режиме.
Алгоритм передачи данных и формат пакета передаваемых данных полностью совпадает с интерфейсом RS-232. однако, контролер выдает лишь логическую 1 или 0, а для сопряжения с двухполярным интерфейсом RS-232 необходимо дополнительно использовать соответствующий преобразователь полярности. С помощью этого интерфейса можно передавать информацию со скоростью от нескольких Кбит до 1 Мбит в двух направлениях одновременно.
SPI-модуль в данном МК он предназначен лишь для программирования и является синхронным интерфейсом, в отличии от USART. В более сложных МК он предназначен для синхронной передачи информации между несколькими МК со скоростью до 4 Мбит/с.
Модуль прерываний – это функциональный блок, который обеспечивает прерывания основной программы и переход к выполнению подпрограммы, которая задействуется после соответствующего аппаратного действия.
Аналоговый компаратор предназначен для сравнения напряжений, поданных на 2 соответствующих входа МК. Если напряжение на положительном входе больше, то происходит соответствующее прерывание.
WATCHDOGтаймер – это таймер, отсчитывающий интервал времен, в течении которого МК находится в спящем режиме. По окончании счета МК выходит из спящего режима. Спящий режим часто используется в устройствах, которые работают от аккумуляторов, когда нужно снизить энергопотребление и продлить время работы без подзарядки.
Регистр статуса – это регистр, в котором отображается результат выполнения большинства команд МК. Этот регистр представляет собой совокупность битов флагов, каждый из которых установлен в 1 либо сбрасывается в 0, в результате выполнения соответствующей команды.
Флаги в регистре статуса обновляются автоматически, как только выполняется соответствующая команда, обновляющая эти флаги.
Сравнительный анализ современных микроконтролеров представлен ниже:
/>
/>
Система команд микроконтроллеров серии AVR представлена ниже:
Арифметические конструкции МК AVR
ADD Rd, Rr — суммирование содержимого регистра Rd с содержимым регистра Rr. Результат помещается в Rd.
ADD R16, R17
Если результат больше 256, то флаг переноса – это флаг С в регистре статуса. Регистры Rd и Rr – любые из диапазона 0/>Rd, Rr/>31
ADC Rd, Rr – суммирование с переносом. Содержимое Rd добавляется содержимому Rr и значению флага переноса С.
Пусть R16/>15
R17/>2
ADC R16, R17/>
SUB Rd, Rr – вычитание без переноса, т.е. Rd= Rd – Rr.
SUBI Rd, k – вычитание константы k из содержимого регистра Rd, т.е. Rd= Rd – k.
SBC Rd, Rr – вычитание с переносом, т.е. Rd= Rd – Rr – c.
AND Rd, Rr – логическая «И» содержимого двух регистров Rd и Rr.
R16=8=00001000
R17=00001010
AND R16, R17=00001000
ANDI Rd, k – логическая «И» содержимого регистра Rd и константы k.
OR Rd, Rr – логическая «ИЛИ» содержимого двух регистров.
ORI Rd, k — логическая «ИЛИ» содержимого регистра Rd и константы k.
EOR Rd, Rr – исключающая «ИЛИ».
COM Rd – побитная инверсия Rd.
NEG Rd – изменение знака числа.
SBR Rd, k – установить биты в регистре.
Пример. Установить нулевой и третий биты в регистре R17.
SBR R17,0b00001001
SBR R17,9
SBR R17,$09 (0x09)
Устанавливать биты в регистре можно только для регистров 16 – 31.
CBR Rd, k – очистить биты в регистре.
INC Rd – увеличить на 1 содержимое регистра Rd.--PAGE_BREAK--
DEC Rd – уменьшить на 1 содержимое регистра Rd.
CLR Rd – очистка содержимого регистра Rd.
SER Rd – установить в 1 все биты регистра.
MUL Rd, Rr – умножение без знака.
MULS Rd, Rr – умножение со знаком.
Инструкции ветвления
RJMP k – относительный переход на метку k. Переход осуществляется в пределе 2000 команд от места вызова.
RJMP Res
— — — — — — -
Res. ADD R16, R17
IJMP – косвенный переход на адрес, хранящийся в регистровой паре Z.
В микроконтроллере AVR существуют 3 регистровые пары X, Y, Z. Регистровые пары используются при косвенной адресации и позволяют осуществлять переход в пределах 216.
JMP k – переход на метку k в пределах 4 млн. инструкций.
RCALL k – относительный вызов подпрограмм, т.е. переход на метку k, с которой начинается вызываемая подпрограмма. При этом подпрограмма должна заканчиваться командой RET.
ICALL – косвенный вызов подпрограммы, начальный адрес которой хранится в регистровой паре Z.
CALL k – вызов подпрограммы удаленной на расстояние до 64 000 команд от места вызова.
RETI – возврат из прерывания.
При возникновении прерываний в процессоре прекращается выполнение основной программы микроконтроллера. Адрес следующей команды, которую необходимо выполнить помещается в стек и вызывается подпрограмма обрабатывающая это прерывание. При выполнении этой команды адрес с которого мы начинаем переписывать обратно в счетчик прерываний и мы возвращаемся в ту точку с которой прервались.
CPSE Rd, Rr – сравнить содержимое двух регистров и пропустить следующую команду, если значения в эти регистрах одинаково.
CP Rd, Rr – сравнить содержимое двух регистров.
CPI Rd, k – сравнить содержимое регистра с константой.
BREQ k – переход на метку, если выполнилось равенство.
BRNE k – переход на метку, если значение
BRCS k – флаг переноса установлен, т.е. перейти на метку, если установлен флаг переноса.
BRCC k – перейти на метку, если флаг переноса сброшен в 0.
BRSH k – перейти на метку, если равно или больше.
CP R16 R17
BRSH RCS
---------------
RES -------
BRLO k — перейти на метку, если меньше.
BRMI k – перейти на метку, если установлен флаг отрицательного числа.
BRPL k – перейти на метку, если флаг отрицательного числа сброшен в 0.
BRGE k – перейти на метку, если больше или равно с учетом знака.
BRLT k – перейти на метку, если меньше с учетом знака.
BRHS k – перейти на метку, если флаг внутреннего переноса установлен.
BRHC k – перейти на метку, если флаг внутреннего переноса сброшен в 0.
BRTS k – перейти на метку, если флаг Т установлен.
BRTC k – перейти на метку, если флаг Т сброшен в 0.
BRVS k – перейти на метку, если флаг перевыполнения установлен.
BRVC k – перейти на метку, если флаг перевыполнения сброшен в 0.
BRIE k – перейти на метку, если разрешены прерывания.
BRID k – перейти на метку, если прерывания запрещены.
SBRC Rd, b – пропустить следующую команду, если бит b в регистре Rd сброшен в 0.
/>
SBRS Rd, b – пропустить следующую команду, если бит b в регистре Rd установлен.
SBIC P, b – пропустить следующую команду, если бит b в порту Р сброшен в 0.
SBIS P, b – пропустить следующую команду, если бит b в порту Р установлен.
BRBS S, k – перейти на метку k, если флаг S в регистре статуса установлен.
/>
BRBC S, k – перейти на метку k, если флаг в регистре статуса сброшен в 0.
Команды работы с битами.
LSL Rd – логический сдвиг влево. В результате логического сдвига влево старший бит в сдвигаемом регистре перемещается во флаг переноса С, все биты регистра сдвигаются на 1 бит влево, а в младший бит записывается 0.
LSR Rd — логический сдвиг вправо.
ROL Rd – циклический сдвиг влево.
При циклическом сдвиге влево, содержимое сдвигаемого регистра сдвигается на один бит влево, при этом старший бит переходит во флаг переноса B, а то что было во флаге С до этого записывается в младший бит записываемого регистра.
ROR Rd – циклический сдвиг вправо.
ASR Rd – арифметический сдвиг вправо.
SWAP Rd – перестановка тетрад в регистре.
SBI P, b – установить бит b в порту Р.
CBI P, b – сбросить бит b в порту Р.
BST Rd, b – установить либо сбросить флаг Т в регистре статуса в зависимости от того установлен или сброшен бит в регистре Rd.
BLD Rd, b – загрузить в бит b регистра Rd содержимое флага Т.
SEC – установить в 1 флаг переноса.
CLC – сбросить в 0 флаг переноса.
SEN – установить в 1 флаг отрицательного числа. продолжение
--PAGE_BREAK--
CLN – сбросить в 0 флаг отрицательного числа.
SEZ – установить в 1 флаг 0.
CLZ – сбросить в 0.
SEI – разрешить прерывания.
CLI – запретить прерывания.
SES – установить в 1 флаг числа со знаком.
CLS – сбросить в 0 флаг числа со знаком.
SEV — установить в 1 флаг переполнения.
CLV – сбросить в 0 флаг переполнения.
SET – установить в 1 флаг Т.
CLT – сбросить в 0 флаг Т
SEH – установить в 1 флаг внутреннего переноса.
CLH – очистить флаг внутреннего переноса.
NOP – пустая команда.
SLEEP – переход в режим пониженного энергопотребления.
WDR – сброс сторожевого таймера.
Команды передачи данных
MOV Rd, Rr – копирование содержимого регистра Rr в Rd.
LDI Rd, k – загрузить константу k в регистр Rd. Команда справедлива только для регистров с 16 по 31.
LDS Rd, k – прямая загрузка из оперативной памяти значений хранящихся по адресу k в регистре Rd.
LD Rd, x – загрузка из ОЗУ значений хранящихся по адресу, который предварительно записан в регистровую пару х, значение в регистр Rd
# LDI R26, 0X01
LDI R27, 0X02
LD R17, x
LD Rd, x+ (LD Rd, y+ LD Rd, z+) – косвенная загрузка в регистр Rd значений из ОЗУ, адрес которой записан в регистровой паре х с последующим инкрементом адреса.
LD Rd, -x – загрузка в регистр Rd значений из ОЗУ, адрес которых предварительно записан регистровой паре х с прединкрементом адреса.
STS k, Rr – прямое сохранение содержимого регистра Rr в ячейку ОЗУ, адрес которой указан константой k.
STS 0X69, R17
ST x, Rr (ST Y, Rr ST Y, Rr) – сохранение содержимого регистра Rr в ячейку оперативной памяти, адрес которой предварительно записан в регистровой паре х.
ST x+, Rr (ST Y+, Rr ST Z+, Rr) – сохранение содержимого регистра Rr в ячейку оперативной памяти с адресом, записанным в регистровую пару х и последующим инкрементом адреса.
ST -x, Rr (ST -Y, Rr ST -Z, Rr) — сохранение содержимого регистра Rr в ячейку оперативной памяти с адресом, предварительно записанным в регистровую пару х и преддектрементом адреса.
LDD Rd, Y+q (LDD Rd, Z+q) – загрузка из памяти в регистр Rd, когда адрес хранится в регистровой паре и указывается смещение адреса q.
IN Rd, P – загрузка из порта Р его содержимого в регистр Rd.
OUT P, Rr – вывод в порт Р содержимого регистра Rr.
PUSH Rd – занесение содержимого регистра в стек.
POP Rd – извлечение из стека.
LPM – загрузка значений из памяти программ.
LPM Rd, Z+ — загрузка из памяти программ с постинкрементом.