Структура восьмибитного микроконтроллера

восьмибитный микроконтроллер семейства AVR состоит из процессора гарвардской или фон-неймановской архитектуры, памяти программ, памяти данных, портов ввода/вывода, периферийных устройств и интерфейсных схем.

Основные понятия и сокращения, принятыми в микропроцессорной технике:

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

- JTAG — стандартный интерфейс для программирования МК;

- I/O -линии ввода / вывода;

- POR (Power-On Reset) — начальный сброс МК. Задача — удержать сигнал сброса в активном состоянии пока не стабилизируется питание и кварцевый резонатор;

- BOD (BrownOut Detector) — отслеживает провалы питающего напряжения. В МК обычно с регулируемым порогом (2,7В, 4В);

- WDT (Watch Dog Timer) — сторожевой таймер для предотвращения «зависания» программы микроконтроллера;

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

- UART — асинхронный последовательный приемопередатчик;

- SPI — синхронный трехпроходной последовательный интерфейс;

- I2C — двухпроводной последовательный интерфейс;

- RTC — система реального времени;

- PWM — широтно — импульсный модулятор.

Вычислительный блок

 

Вычислительный блок является, пожалуй, самым отличительным блоком в микроконтроллере. Он определяет концепцию построения и принцип работы с памятью.

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. Центральный процессор работает одновременно как с памятью программ, так и с памятью данных; разрядность шины памяти программ расширена до 16 бит.

 

Рисунок 37.1 - Блок-схема микроконтроллера ATMEGA8535

 

Регистровый файл с быстрым доступом содержит 32 восьмиразрядных рабочих регистров общего назначения с однотактовым циклом доступа. Шесть регистров из них могут использоваться как три шестнадцатиразрядных регистра косвенного адреса для эффективной адресации в пределах памяти данных (X-регистр,Y-регистр и Z-регистр), изображенных на рисунке 37.2.

Рисунок 37.2 - Регистры общего назначения

 

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 два 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.

 

Память программ

В основном все современные микроконтроллеры имеют встроенную 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 100000.

Флэш-память у рассматриваемых МК разделена на две секции: секция программы начальной загрузки и секция прикладной программы. Обе секции имеют раздельные биты защиты от записи и чтения/записи. Это дает возможность самопрограммирования, то есть микроконтроллер способен самостоятельно, без какого-либо внешнего программатора, изменять содержимое ячеек памяти программ. Наименьшие адреса в памяти программ по умолчанию определены как вектора сброса и прерываний.

 

Память данных

Оперативная память данных.

Внутренняя оперативная память SRAM имеется у всех семейств микроконтроллеров. Ее размер варьируется от десятков байт до десятков килобайт. Возможна организация подключения внешней памяти посредством параллельной шины микроконтроллера.

При генерации прерывания и вызове подпрограмм адрес возврата из программного счетчика записывается в стек. Стек эффективно распределен в статическом ОЗУ памяти данных и, следовательно, размер стека ограничен общим размером статического ОЗУ и используемым его объемом. В любой программе сразу после сброса должна быть выполнена инициализация указателя стека (SP) (т.е. перед выполнением процедур обработки прерываний или вызовом подпрограмм). Указатель стека -SP -доступен на чтение и запись в пространстве ввода-вывода. Доступ к статическому ОЗУ данных может быть легко осуществлен через 5 различных режимов адресации архитектуры AVR.