Лекция: Структура микроконтроллера АTmega8515

Основой микроконтроллеров (МК) AVR является 8-битное микропроцессорное ядро или центральное процессорное устройство (ЦПУ), построенное на принципах RISС – архитектуры (Reduced Instruction Set Computing – вычисления с помощью ограниченного набора команд).

По числу команд процессоры подразделяют на CISC (Complex Instruction Set Computer) и RISC. Термин CISC обозначает сложную систему команд, RISC – сокращенную. Идея RISC – это тщательный подбор команд, которые можно было бы выполнить за один такт. Таким образом, упрощается аппаратная реализация процессора, сокращается число транзисторов, снижается потребляемая мощность и цена. Очевидно, что в общем случае одной CISC-команде должны соответствовать несколько RISC-команд. Однако обычно выигрыш в быстродействии у RISC перекрывает потери. Так, самая быстрая команда у микроконтроллера серии 8051(выполнен на базе МП КР580ВМ80А) выполняется за 12 тактов. Даже если для каждой CISC – инструкции потребуется выполнить три RISC – инструкции, то в итоге RISC – архитектура будет в 4 раза производительней. В настоящее время грань между RISC и CISC стирается. Например, AVR имеют примерно 130 команд, что соответствует CISC, но большинство из них выполняется за один такт, что является признаком RISC. Поэтому в настоящее время основным признаком RISC принято считать выполнение команд за один такт.

Основой этого блока служит арифметико-логическое устройство (АЛУ). По системному тактовому сигналу из памяти программ в соответствии с содержимым счетчика команд (Program Counter – PC) выбирается очередная команда и выполняется АЛУ(ALU). Во время выбора команды из памяти программ происходит выполнение предыдущей выбранной команды, что и позволяет достичь быстродействия 1 MIPS на 1 МГц.

АЛУ подключено непосредственно ко всем регистрам общего назначения РОН (General Purpose Registers – GPR), объединенных в регистровый файл. За один тактовый цикл ALU выполняет операцию между регистрами этого регистрового файла. Операции ALU подразделяются на три основные категории: арифметические, логические и операции над битами.

Регистров общего назначения всего 32, они имеют байтовый формат, то есть каждый из них состоит из восьми бит. РОН находятся в начале адресного пространства оперативной памяти, но физически не являются ее частью. Поэтому к ним можно обращаться двумя способами (как к регистрам и как к памяти). Такое решение является особенностью AVR и повышает эффективность работы и производительность микроконтроллера. Отличие между регистрами и оперативной памятью состоит в том, что с регистрами можно производить любые операции (арифметические, логические, битовые), а в оперативную память можно лишь записывать данные из регистров.

В микроконтроллерах AVR реализована Гарвардская архитектура, в соответствии с которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но и шины доступа к ним. Каждая из областей памяти данных (оперативная память и EEPROM) также расположена в своем адресном пространстве.

Различаю два типа организации памяти Неймановская и Гарвардская. В 1945г. американский математик Джон фон Нейман сформулировал основные принципы работы современных компьютеров. Им была предложена архитектура, получившая его имя (von Neumann architecture) и предполагающая хранение программ и данных в общей памяти (1946 г.). Сегодня такая архитектура наиболее характерна для микропроцессоров, ориентированных на использование в компьютерах. Примером могут служить микропроцессоры семейства х86.

Архитектура, предполагающая раздельное использование памяти программ и данных, носит название гарвардской (Harvard architecture). Гарвардская архитектура позволяет центральному процессору работать одновременно как с памятью программ, так и с памятью данных, что существенно увеличивает производительность.

Подсистема ввода-вывода МК АTmega8515 обеспечивает:

– программное конфигурирование и выбор портов ввода-вывода,

– выводы могут программироваться как входы и как выходы независимо друг от друга,

– возможность подключения ко всем входам подтягивающих резисторов (R=35–120кОм).

В состав МК АTmega8515 включены следующие периферийные устройства:

– 8- разрядный таймер/счетчик (Timer/Counter) – генератор с ШИМ,

–16- разрядный таймер/счетчик(Timer/Counter) – генератор с ШИМ переменной разрядности,

– сторожевой таймер (Watchdog Timer–WDT),

– универсальный синхронно/асинхронный приемо-передатчик (USART),

– последовательный синхронный интерфейс (SPI).