Архитектура микроконтроллеров AVR

Гарвардская архитектура и конвейер

Память программ и память данных подключены к ядру AVR разными шинами. Пока одна команда выполняется, следующая уже выбирается из флеш-памяти, — это конвейер на одну ступень. Выполнение простой команды — чтение двух регистров, операция АЛУ и запись результата — укладывается в один такт, поэтому ядро завершает команду каждый такт.

Тактовая частота ядра не делится внутри: на 16 МГц AVR выполняет до 16 миллионов простых команд в секунду. Большинство команд — 16-битные, четыре занимают два слова: JMP, CALL, LDS и STS. Обращение к SRAM занимает 2 такта, переходы и вызовы — 2–4 такта. Число тактов каждой команды — в статье «Система команд AVR».

Рабочие регистры

У ядра 32 восьмибитных рабочих регистра r0–r31, и почти все команды работают с ними напрямую. АЛУ берёт операнды из регистров и туда же пишет результат — память данных для арифметики не нужна. Шесть старших регистров образуют три 16-битных указателя: X (r27:r26), Y (r29:r28) и Z (r31:r30). Ими адресуют память данных — с автоинкрементом, автодекрементом и смещением до 63 байт от Y и Z, а указатель Z ещё и читает константы из флеш-памяти командой LPM.

Регистры отображены на первые 32 адреса памяти данных, хотя физически это не ячейки SRAM. Результат операций АЛУ отражается во флагах регистра состояния SREG: перенос, ноль, знак, переполнение и другие. Схема регистров, флаги SREG и режимы адресации подробно разобраны в статье «Система команд AVR».

Три адресных пространства

Флеш-память программ

У ATmega328P 32 КБ флеш-памяти. Все команды AVR — по 16 или 32 бита, поэтому память организована 16-битными словами: 16K слов с адресами 0x0000–0x3FFF, а счётчик команд PC — 14-битный. В начале памяти — таблица векторов сброса и прерываний, в конце — загрузочная секция, размер которой задают фьюзы BOOTSZ. Только код из загрузочной секции может перезаписывать флеш командой SPM, на этом основаны загрузчики вроде загрузчика Arduino.

Флеш-память выдерживает не меньше 10 000 циклов записи и стирания. Константные таблицы можно размещать в любой её части и читать командой LPM.

Память данных

Память данных ATmega328P — 2304 адреса подряд, от 0x0000 до 0x08FF:

Пять режимов адресации — прямой, косвенный, косвенный со смещением, с предекрементом и с постинкрементом — достают до всего этого пространства. Доступ к SRAM занимает два такта.

EEPROM

EEPROM — отдельное пространство в 1 КБ, которое не входит ни в память программ, ни в память данных. К нему обращаются через регистры ввода-вывода EEAR (адрес), EEDR (данные) и EECR (управление). Запись байта длится около 3,3 мс и выдерживает не меньше 100 000 циклов; на время чтения ядро останавливается на 4 такта, на время запуска записи — на 2. Чтобы случайно не испортить данные, запись требует последовательности: сначала бит EEMPE, затем в течение четырёх тактов — EEPE. При пониженном питании EEPROM портится, поэтому даташит советует держать микроконтроллер в сбросе с помощью детектора пониженного питания (BOD).

Порты и регистры ввода-вывода

Вся периферия AVR — порты, таймеры, USART, SPI, АЦП — управляется регистрами в пространстве ввода-вывода. Каждый порт описывают три регистра: DDRx задаёт направление (1 — выход), PORTx — уровень выхода или включение подтягивающего резистора у входа, PINx — читает уровень на выводах. Запись единицы в бит PINx переключает соответствующий бит PORTx — так вывод инвертируют одной командой.

Регистры портов B, C и D у ATmega328P лежат в первых 32 адресах пространства ввода-вывода, поэтому отдельный бит меняют командами SBI и CBI за два такта без риска затереть соседние биты. Регистры таймеров, АЦП и USART в основном находятся в расширенном пространстве — к ним обращаются командами LDS и STS. Как номера выводов Arduino соответствуют портам и битам, показывает карта выводов Arduino.

Стек

Стек — область в конце SRAM, которая растёт к младшим адресам. Указатель стека SP — пара регистров SPH:SPL в пространстве ввода-вывода; у ATmega328P после сброса он уже равен последнему адресу SRAM (0x08FF). PUSH уменьшает SP на 1, вызов подпрограммы или прерывание кладут в стек адрес возврата — 2 байта при 16-битном счётчике команд и 3 байта у кристаллов с флеш-памятью больше 128 КБ, например ATmega2560. Стек и переменные делят одну и ту же SRAM: глубокая рекурсия или большой локальный массив могут незаметно затереть глобальные данные.

Прерывания

Таблица векторов занимает начало флеш-памяти: у ATmega328P это 26 векторов по два слова — сброс, внешние прерывания INT0 и INT1, прерывания по изменению уровня, сторожевой таймер, таймеры, SPI, USART, АЦП, EEPROM, компаратор, TWI и SPM. В векторе обычно стоит переход к обработчику. Приоритет определяется адресом: чем меньше адрес вектора, тем выше приоритет; самый высокий — у сброса, следом — INT0.

Чтобы прерывание сработало, нужно установить его собственный бит разрешения и общий флаг I в SREG (команда SEI). Когда прерывание принимается:

1. Аппаратно сбрасывается флаг I — вложенные прерывания запрещены, пока программа сама их не разрешит.
2. Не меньше чем за 4 такта счётчик команд сохраняется в стек, затем выполняется команда вектора — переход за 3 такта.
3. Флаг прерывания, по которому оно пришло, обычно сбрасывается аппаратно.
4. Команда RETI за 4 такта возвращает адрес из стека и снова устанавливает флаг I.

Регистр SREG аппаратно не сохраняется — это задача обработчика. После возврата ядро обязательно выполнит одну команду основной программы, прежде чем принять следующее прерывание. Если прерывание пришло, когда оно было запрещено, флаг запоминает событие, и обработчик вызовется после разрешения. Векторы можно перенести в начало загрузочной секции битом IVSEL регистра MCUCR — это нужно загрузчику, который пользуется прерываниями.

Сброс и запуск

ATmega328P сбрасывают четыре источника:

• включение питания — напряжение ниже порога сброса при включении;
• внешний сброс — низкий уровень на выводе RESET дольше минимальной длительности;
• сторожевой таймер — истёк его период в режиме сброса системы;
• детектор пониженного питания — напряжение ниже порога BOD, если детектор включён.

При сбросе выводы сразу переходят в начальное состояние (входы без подтяжки) — даже без тактового сигнала. Когда все источники сброса отпускают, внутренний счётчик ещё удерживает сброс, пока стабилизируется питание и запускается генератор; длительность задержки выбирают фьюзы SUT и CKSEL. Затем выполнение начинается с вектора сброса по адресу 0x0000 или, если запрограммирован фьюз BOOTRST, с начала загрузочной секции.

Тактирование

Источник тактового сигнала выбирают фьюзы CKSEL:

С завода выбран внутренний RC-генератор 8 МГц и запрограммирован фьюз CKDIV8, поэтому новый ATmega328P работает на 1 МГц. Делитель системной частоты можно поменять и из программы регистром CLKPR — от 1 до 256. Значения фьюзов для своего источника удобно подобрать в калькуляторе фьюзов AVR.

Режимы сна

Шесть режимов сна выключают разные части микроконтроллера: Idle, ADC Noise Reduction, Power-down, Power-save, Standby и Extended Standby. Режим выбирают биты SM2–SM0 регистра SMCR, разрешают битом SE, а входят в сон командой SLEEP. Разрешённое прерывание будит микроконтроллер: после 4 тактов и времени запуска генератора выполняется обработчик, а затем — команда после SLEEP. Содержимое регистров и SRAM во сне сохраняется. Кроме сна, ток снижают регистром PRR — он отключает тактирование неиспользуемой периферии.

Классические AVR и новые серии

Всё сказанное относится к классическим ATmega и ATtiny. У XMEGA и у новых серий с ядром AVRxt — tinyAVR 0/1/2, megaAVR 0, AVR Dx и Ex — устройство другое: контроллер прерываний с уровнями приоритета, другие интерфейсы программирования (PDI у XMEGA, UPDI у AVRxt), а у AVRxt флеш-память ещё и видна в общем адресном пространстве данных. Различия ядер и наборов команд сведены в статье «Система команд AVR», а обзор семейств — в разделе «Микроконтроллеры AVR».