Программная модель микроконтроллера AVR MEGA128. Механизм работы с регистрами, памятью и портами ввода/вывода.

В микроконтроллере AVR АТMEGA128 реализована гарвардская архитектура, в соответствие с которой адресные пространства памяти программ и данных физически разделены (доступ к этим областям памяти осуществляется по раздельным шинам). Такая организация позволяет ядру процессора одновременно работать с памятью программ и данных, что повышает быстродействие. Карта распределения памяти в микроконтроллере AVR АТMEGA128 приведена на рисунке 1.1. Память программ представляет собой электрически стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство ППЗУ объемом 128 кБт, выполненное по технологии FLASH – памяти, и предназначена для хранения команд, управляющих функционированием микроконтроллера, а также для хранения констант, не меняющих своих значений в ходе выполнения программы. Так, как длина команды составляет 16 бит, то память программ имеет 16-разрядную организацию. Для адресации памяти программ используется 16-разрядный регистр – программный счетчик PС (Program Counter). Программа исполняется последовательно. Для управления ходом выполнения программы существуют команды перехода, изменяющие соответствующим образом значение РС.

Память данных организована по принципу совмещенной архитектуры ввода/вывода и разделена на 3 части: регистровая память, память портов (регистров) ввода/вывода и статическое ОЗУ (SRAM), расположенные в едином адресном пространстве.

 

Рисунок 1.1 – Распределение памяти в микроконтроллере AVR АТMEGA128

 

 

Регистровая память (см. рисунок 1.2) включает 32 8-разрядных регистра общего назначения (R0 - R31), объединенных в регистровый файл. Каждый из регистров общего назначения непосредственно связан с АЛУ. АЛУ поддерживает арифметические и логические операции с регистрами, между регистром и константой или непосредственно с регистром. При исполнении арифметической или логической команды за один такт из регистрового файла выбираются два операнда, выполняется действие, и результат возвращается в регистровый файл. Регистровый файл отображается на младшие 32 адреса 0000h-001Fh памяти данных и к его регистрам можно обращаться как к ячейкам памяти. Шесть 8 - разрядных регистров (R26 - R31) могут использоваться как три 16-разрядных регистра-указателя для косвенной адресации (см. рисунок 1.3).

 

 

Рисунок 1.2 – Иллюстрация отображения регистров общего назначения и портов ввода/вывода на адресное пространство памяти данных

X	Y	Z

Рисунок 1.3 – 16-разрядные регистры Х, Y, Z, использующиеся для косвенной адресации памяти.

 

Пространство ввода/вывода состоит из 64 адресов портов 0000h-003Fh, предназначенных для взаимодействия с внутренними и внешними устройствами по отношению к микроконтроллеру. Порты ввода/вывода отображаются на область памяти данных с адресами 0020h-005Fh и допускают возможность обращения к ним как к ячейкам памяти. При доступе к порту ввода/вывода как к ячейке памяти к адресу порта необходимо добавить 20h. Адрес порта ввода/вывода в пространстве памяти часто указывается в скобках после адреса в пространстве портов ввода/вывода. Ввиду того, что основной функцией микроконтроллера является управление внешними устройствами, в таблице 1.1. приводятся названия и адреса (в пространстве портов ввода/вывода) основных интерфейсных портов с указанием режима работы и функций отдельных регистров.

По адресам памяти 0060h-00FFh расположены 160 дополнительных регистров ввода/вывода.

Непосредственно память данных представляет собой статическое ОЗУ (SRAM) объемом 4 кБт, занимающее диапазон адресов 0100h-10FFh.

 

Таблица 1.1 – Порты ввода/вывода микроконтроллера AVR MEGA128 для подключения внешних устройств

 

Название порта ввода/вывода	Идентификаторы отдельных регистров	Адрес	Режим / функция
PORTA	PINA	19h	IN
DDRA	1Ah	OUT / DIRECTION
PORTA	1Bh	OUT
PORTB	PINB	16h	IN
	DDRB	17h	OUT / DIRECTION
	PORTB	18h	OUT
PORTC	PINC	13h	IN
	DDRC	14h	OUT / DIRECTION
	PORTC	15h	OUT
PORTD	PIND	10h	IN
	DDRD	11h	OUT / DIRECTION
	PORTD	12h	OUT
PORTE	PINE	01h	IN
	DDRE	02h	OUT / DIRECTION
	PORTE	03h	OUT
PORTF	PINF	00h	IN
	DDRF	61h	OUT / DIRECTION
	PORTF	62h	OUT
PORTG	PING	63h	IN
	DDRG	64h	OUT / DIRECTION
	PORTG	65h	OUT

 

Регистр состояния SREG расположен в области ввода/вывода по адресу 3Fh (5Fh) и содержит информацию о текущем состоянии микроконтроллера. Расположение флаговых битов регистра состояния приведено на рисунке 1.4.

 

 

№ бита
3Fh (5Fh)	I	T	H	S	V	N	Z	C

Рисунок 1.4 – Регистр состояния SREG.

Назначение отдельных битов регистра состояния приведено ниже:

– C – флаг переноса, устанавливается в 1 при наличии переноса в арифметических операциях;

– Z – флаг нуля, устанавливается в 1, если результат операции равен 0;

– N – флаг отрицательного результата, устанавливается в 1 при получении отрицательного результата;

– V – флаг переполнения, фиксирует выход результата за пределы допустимого диапазона значений;

– S – флаг знака, S = N xor V;

– H – флаг дополнительного переноса (из младшей тетрады байта в старшую);

– T – флаг для временного хранения бита из регистров общего назначения;

– I – управляющий флаг разрешения прерываний, разрешает (1) или запрещает (0) процессору реагировать на аппаратные прерывания.