Архитектура микропроцессорного ядра АVR-микроконтроллеров

 

Улучшенная RISC архитектура АVR-микроконтроллеров (рис. 3.2) объединяет в себе комплекс решений, направленных на повышение быстродействия микропроцессорного ядра АVR.

Арифметико-логическое устройство (АLU), в котором выполняются все вычислительные операции, имеет доступ к 32-м оперативным регистрам, объединенным в регистровый файл. Выборка содержимого регистров, выполнение операции и запись результата обратно в регистровый файл выполняются за один машинный цикл.

У RISC -микроконтроллеров марки АVR в соответствии с этим принципом практически все команды (исключая те, у которых одним из операндов является 16-разрядный адрес) также упакованы в одну ячейку памяти программ.

Организация памяти АVR выполнена по схеме гарвардского типа, в которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но также и шины доступа к ним.

Рисунок 3. 2 – Архитектура –микроконтроллеров

 

Вся программная память RISC -микроконтроллеров выполнена по технологии FLASH и размещена на кристалле. Она представляет собой последовательность 16-разрядных ячеек и имеет емкость от 512 слов до 256К слов в зависимости от типа кристалла. Во FLASH -память, кроме программы, могут быть записаны постоянные данные, которые не изменяются во время функционирования микропроцессорной системы. Это различные константы, таблицы знакогенераторов, таблицы линеаризации датчиков и т. п.

Достоинством технологии FLASH является высокая степень упаковки, а недостатком то, что она не позволяет стирать отдельные ячейки. Поэтому всегда выполняется полная очистка всей памяти программ. При этом для АVR гарантируется, как минимум, 1000 циклов перезаписи FLASH -памяти.

Кроме того, для хранения данных АVR-микроконтроллеры могут иметь, в зависимости от типа кристалла, внутреннюю (от 0 до 8 Кбайт) и внешнюю (от 0 до 64 Кбайт) оперативную SRАМ -память, а также энергонезависимую внутреннюю ЕЕРRОМ память (от 0 до 4 Кбайт).

Разделение шин доступа к FLASH -памяти и SRАМ-памяти дает возможность иметь шины данных для памяти данных и памяти программ различной разрядности, а также использовать технологию конвейеризации. Конвейеризация заключается в том, что во время исполнения текущей команды программный код следующей уже выбирается из памяти и дешифрируется.

ЕЕРRОМ – блок электрически стираемой памяти АVR – предназначен для хранения энергонезависимых данных, которые могут изменяться непосредственно на объекте. ЕЕРRОМ-память имеет меньшую по сравнению с FLASH, емкость (до 4Кбайт), но при этом допускает возможность побайтной перезаписи ячеек, которая может происходить под управлением внешнего процессора и под управлением микроконтроллера во время его работы по программе.

Синхронный последовательный адаптер SPI (Serial Peripheral Interfase) - может использоваться как для последовательного программирования внутренней памяти, так и в режимах master и s1аvе как самостоятельный быстродействующий синхронный канал связи между несколькими микроконтроллерами.

Последовательный асинхронный адаптер (ПАКТ) может использо­ваться для подключения к микроконтроллеру ЭВМ следующего уровня иерархии.

Сторожевой таймер служит для защиты микроконтроллера от сбоев при работе. Он имеет собственный RС-генератор, работающий на частоте 1МГц.

Порты ввода/вывода имеют число независимых линий "Вход/Выход" от 6 до 86. Каждый разряд любого порта может быть запрограммирован на ввод или вывод информации. Мощные драйверы обеспечивают типовую токовую нагрузочную способность 20 мА на линию порта (втекающий ток) при максимальном значении 40 мА, что позволяет непосредственно подключать к контроллеру светодиоды или транзисторы. Общая токовая нагрузка на все линии одного порта не должна превышать 80 мА.

Таймер/счётчик используется как таймер, с внутренним источником импульсов, или как счётчик, управляемый внешними счётными импульсами.

Аналоговый компаратор сравнивает входные напряжения на положительном и отрицательном входах.

АЦП – 10-разрядный, с устройством выборки-хранения и входным аналоговым мультиплексором на 8-16 каналов.

Регистр общего назначения – все оперирующие регистрами команды в наборе команд прямо адресуются к любому из регистров за один машинный цикл. Исключение составляют 5 команд, оперирующих с константами - команды SВСI, SUВI, СРI, АNDI, ОRI работают только с регистрами R16-RЗ1.

Для адресации памяти программ используется счетчик команд (Ргоgrаm Соunteг – РС). Счетчик имеет разрядность от 9 до 17 бит в зависимости от объема адресуемой памяти.