AVR匯編初探之一《AVR單片機(jī)的CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)》

　　學(xué)單片機(jī)那么久了，感覺(jué)想要深入，還得看匯編語(yǔ)言，至少得了解單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　下面就以ATmega16為例，介紹一下AVR單片機(jī)結(jié)構(gòu)和匯編語(yǔ)言。

　　AVR單片機(jī)的CPU內(nèi)核結(jié)構(gòu)

　　如上兩圖，左圖是虛線框內(nèi)AVR CPU的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，右圖是AVR單片機(jī)內(nèi)核結(jié)構(gòu)的方框圖，可以看出AVR單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線(CPU字長(zhǎng))是8位的，也就說(shuō)它是8位單片機(jī)。

　　AVR采用了Harvard結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序總線，CPU在執(zhí)行一條指令的同時(shí)，就將PC中指定的下一條指令取出，構(gòu)成了一級(jí)流水線運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令，數(shù)據(jù)吞吐量高達(dá)1MIPS/MHz。

　　AVR CPU內(nèi)核由幾個(gè)重要的部分組成，它們分別是：

　　A.算數(shù)邏輯單元ALU(Arithmetic Logic Unit)

　　AVR ALU與32個(gè)通用工作寄存器直接相連。寄存器與寄存器之間、寄存器與立即數(shù)之間的ALU運(yùn)算只需要一個(gè)時(shí)鐘周期。ALU操作分為3類(lèi)：算術(shù)、邏輯和位操作，此外還提供了支持無(wú)/有符號(hào)數(shù)和分?jǐn)?shù)乘法的乘法器，操作結(jié)果的狀態(tài)將影響到狀態(tài)寄存器SREG(Status Register)。

　　B.程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器和指令譯碼器

　　程序計(jì)數(shù)器PC用來(lái)存放下一條需要執(zhí)行指令在程序存儲(chǔ)器(ROM)空間的地址(指向FlashROM空間)，取出的指令存放在指令寄存器中，然后送入指令譯碼器中產(chǎn)生各種控制信號(hào)，控制CPU的運(yùn)行(執(zhí)行指令)。

　　AVR一條指令的長(zhǎng)度大多數(shù)為16位，還有少部分為32位，因此AVR的程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)實(shí)際上是以字(16位)為一個(gè)存儲(chǔ)單元的。

　　ATmega16單片機(jī)的程序計(jì)數(shù)器為13位，正好滿(mǎn)足了對(duì)片內(nèi)8K字(及16K字節(jié))的Flash程序存儲(chǔ)器空間直接尋址的需要。

　　C.通用寄存器General Purpose Registers

　　在AVR中，由命名為R0~R31的32個(gè)8位通用工作寄存器構(gòu)成一個(gè)“通用快速工作寄存器組”，為ALU提供操作數(shù)。它們的在RAM的映射空間地址是$0000~$001F，其中有6個(gè)寄存器($001A-$001F)可以合并為3個(gè)16位間接尋址寄存器指針，分別被稱(chēng)為X寄存器，Y寄存器，和Z寄存器，用于對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM)進(jìn)行間接尋址。

　　D.狀態(tài)寄存器-SREG

　　狀態(tài)寄存器SREG是一個(gè)8位標(biāo)志寄存器，用來(lái)存放指令執(zhí)行后的有關(guān)狀態(tài)和結(jié)果的標(biāo)志，各位狀態(tài)通常是在指令執(zhí)行過(guò)程中自動(dòng)產(chǎn)生的，但也可以由用戶(hù)根據(jù)需要用專(zhuān)用指令加以改變。

　　位7-I：全局中斷使能位

　　當(dāng)I位被置位時(shí)，表示CPU可以響應(yīng)中斷請(qǐng)求，反之，則所有中斷被禁止。I位可以通過(guò)SEI和CLI指令來(lái)置位和清零，在中斷發(fā)生后，I位由硬件清除，并由RETI(中斷返回)指令置位。

　　位6-T：位拷貝存儲(chǔ)

　　位拷貝指令BLD和BST利用T作為目的或源地址。BST把寄存器的某一位拷貝到T，而B(niǎo)LD把T拷貝到寄存器的某一位。

　　位5-H：半進(jìn)位標(biāo)志 半進(jìn)位標(biāo)志H表示算術(shù)操作發(fā)生了半進(jìn)位，此標(biāo)志對(duì)于BCD運(yùn)算非常有用。

　　位4-S：符號(hào)位 S=N⊕V，S為負(fù)數(shù)標(biāo)志N與2的補(bǔ)碼溢出標(biāo)志V的異或

　　位3-V：2的補(bǔ)碼溢出標(biāo)志，支持2的補(bǔ)碼運(yùn)算

　　位2-N：負(fù)數(shù)標(biāo)志 表明算術(shù)或邏輯操作結(jié)果為負(fù)

　　位1-Z：零標(biāo)志 表明算術(shù)或邏輯操作結(jié)果為零

　　位0-C：進(jìn)位標(biāo)志 表明算術(shù)或邏輯操作發(fā)生了進(jìn)位

　　E.堆棧指針寄存器SP(Stack Point)

　　堆棧指針主要用來(lái)保存臨時(shí)數(shù)據(jù)、局部變量和中斷/子程序的返回地址。堆棧指針總是指向堆棧的頂部，AVR的堆棧是向下生長(zhǎng)的，即新的數(shù)據(jù)推入堆棧時(shí)，堆棧指針的數(shù)值將減小。

　　處在I/O地址空間的&3E($005E)和$3D($005D)的兩個(gè)8位寄存器構(gòu)成了AVR單片機(jī)的16位堆棧指針寄存器SP，分別為SPH，SPL。

　　堆棧指針指向數(shù)據(jù)SRAM堆棧區(qū)，必須指向高于0x60的地址空間，所以通常初始化時(shí)將SP的指針設(shè)在SRAM最高處。

　　使用PUSH指令將數(shù)據(jù)推入堆棧時(shí)指針減一;而子程序或中斷返回地址推入堆棧時(shí)指針將減二。

　　使用POP指令將數(shù)據(jù)彈出堆棧時(shí)，堆棧指針加一;而用RET或RETI指令從子程序或中斷返回時(shí)堆棧指針加二。