Микроконтроллеры для систем автоматики - часть 3

3. ПРОЦЕССОРНОЕ ЯДРО

3.1. Основные элементы

Каждый производитель микроконтроллеров для серии выпускаемых им изделий

разрабатывает и патентует своё оригинальное процессорное ядро (MCU – Microprocessor
Core Unit). Однако в большинстве из них присутствуют одни и те же элементы:

регистр инструкций,

программный счетчик,

арифметико-логическое устройство,

регистры общего назначения,

регистр состояния

регистры ввода/вывода,

стек.

Р О Г Р А М М Н Ы Й С Ч Е Т Ч И К

Программный счетчик (PC - Program counter) – регистр, предназначенный для

хранения  адреса  ячейки  памяти  программ,  в  которой  находится  выполняемая  в  данный
момент инструкция. Разрядность программного счетчика определяется количеством ячеек
в  памяти  программы.  При  выполнении  команды  содержимое  программного  счетчика
изменяется. В простейшем случае оно увеличивается на единицу. Но некоторые команды
сами  способны  записывать  данные  в  программный  счетчик.  В  этом  случае  новое
содержимое  программного  счетчика  и  определяется  данными,  заложенными  в
выполняемой инструкции.

Например, программный счетчик у микроконтроллеров с ядром AVR имеет

разрядность 16 бит. В общем случае он позволяет адресовать до 64К ячеек памяти.
Микроконтроллер ATmega163 с ядром AVR имеет только 8К ячеек памяти программ,
поэтому в нем используется только 13 младших бит программного счетчика ядра AVR (2

8К)

Е Г И С Т Р И Н С Т Р У К Ц И Й

Регистр инструкций (IR - Instruction register) – регистр, предназначенный для

хранения  считанной  из  памяти  программ  инструкции.  Считанная  из  памяти  программ
инструкция  декодируется  дешифратором  команд  и  исполняется  микропрограммным
автоматом  ядра.  Разрядность  регистра  инструкций  определяется  разрядностью  памяти
программ.

Например, ядро AVR в своей структуре имеет 16-битный регистр инструкций. Эта

разрядность обеспечивает ему работу с 16-битной памятью программ.

Р И Ф М Е Т И К О

Л О Г И Ч Е С К О Е У С Т Р О Й С Т В О

Арифметико-логическое устройство (ALU - Arithmetic Logic Unit) – логическая схема,

непосредственно  осуществляющая  преобразование  одной  или  двух  переменных  в
соответствии  с  инструкцией  занесенной  в  регистр  команд.  Стандартное ALU способно
выполнять  простейшие  арифметические  и  логические  операции  над  одной  или  двумя
переменными.

Типовые арифметические операции ALU:

сложение (addition),

вычитание (subtract),

инкремент (increment),

декремент (decrement).

Типовые логические операции:

инверсия (NOT),

логическое сложение (OR),

логическое умножение (AND),

исключающее ИЛИ (exclusive OR).

Некоторые производители интегрируют на кристалл также встроенный умножитель

двух переменных.

В частности ALU ядра AVR способно выполнить арифметические операции:

сложение, вычитание, инкремент, декремент, а также и логические операции: логическое
сложение, логическое умножение, исключающее ИЛИ и очистка регистра. Оно снабжено
внутренним умножителем, способным выполнять перемножение 8-битных целых и дробных
чисел без знака и со знаком.

Все арифметические и логические операции (за исключением умножения)

выполняются за один такт работы процессорного ядра. Перемножение двух переменных
выполняется за два такта.

Е Г И С Т Р Ы О Б Щ Е Г О Н А З Н А Ч Е Н И Я

Регистры общего назначения предназначены для временного хранения данных в

процессе  вычислений.  Разрядность  регистров  определяет  разрядность  вычислений  и,  в
конечном счете, разрядность самого микроконтроллера. Количество регистров может быть
произвольным.  Обычно  в  этих  регистрах  хранится  информация,  обрабатываемая  в
арифметико-логическом  устройстве  и  полученный  в  нем  результат  вычислений.  На
некоторые из регистров могут быть возложены ещё какие либо дополнительные функции. В
большинстве  архитектур  один  из  регистров  отличается  от  других  большими
возможностями. Он обычно называется аккумулятор или рабочий регистр. В этом регистре
может  храниться  одна  из  переменных,  обрабатываемых  в  арифметико-логическом
устройстве, и туда же помещается результат операции.

Например, ядро AVR имеет 32 регистра общего назначения(GPR - General purpose

registers). Каждому регистру (рис. 3.1) соответствует дополнительно адрес в памяти данных,
отображающий их в первых 32 ячейках пространства данных. Хотя они не используются как
физические ячейки SRAM, такая организация памяти обеспечивает гибкое обращение к
регистрам.

General

purpose

7 registers 0

SRAM

$00

R1 $01

R26

$1A X-register

low

byte

R27

$1B X-register

high

byte

R28

$1C

Y - register low byte

R27

$1D

Y - register high byte

R30

$1E

Z - register low byte

R31

$1F

Z - register high byte

Рис.3.1. Файл регистров общего назначения ядра AVR

Все инструкции, в которых происходит обращение к регистрам, выполняются

процессорным ядром AVR в течении одного тактового цикла.

Самые общие арифметические и логические инструкции между двумя регистрами

или с одним регистром используют для записи результата тоже регистры этого
регистрового файла.

Шесть из 32 регистров ( R26 …. R31), кроме обычной для прочих регистров

функций, выполняют функцию 16-битных указателей адреса при косвенной адресации
памяти данных и памяти программ . Эти три регистра косвенной адресации определяются
как регистры X, Y и Z. При этом в четных регистрах хранятся младшие байты 16-битных
переменных, а в нечетных – старшие ( рис. 3.3).

15 0

Регистр X

7 0 7 0

R27($1B) R26($1A)

15 0

Регистр Y

7 0 7 0

R29($1B) R28($1A)

15 0

Регистр Z

7 0 7 0

R31($1B) R30($1A)

Рис. 3.3 Регистры косвенной адресации архитектуры AVR

Е Г И С Т Р Ы В В О Д А

В Ы В О Д А

Регистры ввода/вывода предназначены для управления функциональными

блоками микроконтроллера, энергонезависимой памятью данных и программ. В различных
операциях регистры могут участвовать целиком или отдельными битами. Отдельный бит
регистра обычно именуется флагом (flag). Обращение к регистрам в различных
архитектурах организуется различным образом. Обычно обращение к ним осуществляется
как к элементам процессорного ядра по присвоенным в архитектуре именам и адресам, в
ряде случаев к ним обращаются с помощью специальных команд ввода/вывода.

Например, в микроконтроллере ATmega163 предусмотрено 64 регистра

ввода/вывода  (Input/output registers).  Все  они  размещены  в  пространстве  ввода/вывода
процессорного  ядра  по  адресам  от $00 по $3F. Для  обращения  к  регистрам  можно
использовать  специальные  инструкции (IN) и  вывода (OUT). При  этом  в  инструкции
необходимо  указывать  адрес  регистра.  Одновременно  регистры  ввода/вывода
представлены  также  в  адресном  пространстве  памяти  данных  (рис. 2.2) и  к  ним  можно
адресоваться  как  к  обычным  ячейкам SRAM с  адресами  от $20 до $5F. Адрес SRAM
получается  простым  добавлением $20 к  непосредственному  адресу  регистра.  В
дальнейшем,  при  описании  регистров,  адрес SRAM приводится  в  круглых  скобках  после
непосредственного  адреса  регистра  ввода/вывода.  Регистры  побитно  адресуются
специальными командами  работы с битами: установки бита в регистре и очистки бита в
регистре.  Состояние  каждого  отдельного  бита  этих  регистров  может  быть  проверено
командами переходов

Каждый регистр микроконтроллера имеет своё оригинальное имя.

Все регистры микроконтроллера ATmega163 представлены в следующей таблице.

Таблица 3.1.

Регистры ввода/вывода микроконтроллера AТmega163

I/O адрес (SRAM

адрес)

Имя

Функция регистра

$3F ($5F)

SREG

Status Register

$3E ($5E)

SPH

Stack Pointer High

$3D ($5D)

SPL

Stack Pointer Low

$3B ($5B)

GIMSK

General Interrupt Mask Register

$3A ($5A)

GIFR

General Interrupt Flag Register

$39 ($59)

TIMSK

Timer/Counter Interrupt Mask Register

$38 ($58)

TIFR

Timer/Counter Interrupt Flag Register

$37 ($57)

SPMCR

SPM Control Register

$36 ($56)

TWCR

2-wire Serial Interface Control Register

$35 ($55)

MCUCR

MCU general Control Register

$34 ($54)

MCUSR

MCU general Status Register

$33 ($53)

TCCR0

Timer/Counter0 Control Register

$32 ($52)

TCNT0

Timer/Counter0 (8-bit)

$31 ($51) OSCCAL

Oscillator Calibration Register

$30 ($50)

SFIOR

Special Function I/O Register

$2F ($4F)

TCCR1A

Timer/Counter1 Control Register A

$2E ($4E)

TCCR1B

Timer/Counter1 Control Register B

$2D ($4D)

TCNT1H

Timer/Counter1 High-byte

$2C ($4C)

TCNT1L

Timer/Counter1 Low-byte

$2B ($4B)

OCR1AH

Timer/Counter1 Output Compare Register A High-byte

$2A ($4A)

OCR1AL

Timer/Counter1 Output Compare Register A Low-byte

$29 ($49)

OCR1BH

Timer/Counter1 Output Compare Register B High-byte

$28 ($48)

OCR1BL

Timer/Counter1 Output Compare Register B Low-byte

$27 ($47)

ICR1H T/C 1 Input Capture Register High-byte

$26 ($46)

ICR1L T/C 1 Input Capture Register Low-byte

$25 ($45)

TCCR2

Timer/Counter2 Control Register

$24 ($44)

TCNT2

Timer/Counter2 (8-bit)

$23 ($43)

OCR2

Timer/Counter2 Output Compare Register

$22 ($42)

ASSR

Asynchronous Mode Status Register

$21 ($41) WDTCR

Watchdog Timer Control Register

$20 ($40)

UBRRHI

UART Baud Rate Register High-byte

$1F ($3F)

EEARH

EEPROM Address Register High-byte

$1E ($3E)

EEARL

EEPROM Address Register Low-byte

$1D ($3D)

EEDR

EEPROM Data Register

$1C ($3C)

EECR

EEPROM Control Register

$1B ($3B)

PORTA

Data Register, Port A

$1A ($3A)

DDRA

Data Direction Register, Port A

$19 ($39)

PINA

Input Pins, Port A

содержание .. 1 2 3 4 ..