AVR匯編初探之一《AVR單片機的CPU內部結構》

　　學單片機那么久了，感覺想要深入，還得看匯編語言，至少得了解單片機內部結構。

　　下面就以ATmega16為例，介紹一下AVR單片機結構和匯編語言。

　　AVR單片機的CPU內核結構

　　如上兩圖，左圖是虛線框內AVR CPU的內核結構，右圖是AVR單片機內核結構的方框圖，可以看出AVR單片機的數據總線(CPU字長)是8位的，也就說它是8位單片機。

　　AVR采用了Harvard結構，具有獨立的數據和程序總線，CPU在執行一條指令的同時，就將PC中指定的下一條指令取出，構成了一級流水線運行方式，實現了一個時鐘周期執行一條指令，數據吞吐量高達1MIPS/MHz。

　　AVR CPU內核由幾個重要的部分組成，它們分別是：

　　A.算數邏輯單元ALU(Arithmetic Logic Unit)

　　AVR ALU與32個通用工作寄存器直接相連。寄存器與寄存器之間、寄存器與立即數之間的ALU運算只需要一個時鐘周期。ALU操作分為3類：算術、邏輯和位操作，此外還提供了支持無/有符號數和分數乘法的乘法器，操作結果的狀態將影響到狀態寄存器SREG(Status Register)。

　　B.程序計數器PC、指令寄存器和指令譯碼器

　　程序計數器PC用來存放下一條需要執行指令在程序存儲器(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生各種控制信號，控制CPU的運行(執行指令)。

　　AVR一條指令的長度大多數為16位，還有少部分為32位，因此AVR的程序存儲器結構實際上是以字(16位)為一個存儲單元的。

　　ATmega16單片機的程序計數器為13位，正好滿足了對片內8K字(及16K字節)的Flash程序存儲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8位通用工作寄存器構成一個“通用快速工作寄存器組”，為ALU提供操作數。它們的在RAM的映射空間地址是$0000~$001F，其中有6個寄存器($001A-$001F)可以合并為3個16位間接尋址寄存器指針，分別被稱為X寄存器，Y寄存器，和Z寄存器，用于對數據存儲器(SRAM)進行間接尋址。

　　D.狀態寄存器-SREG

　　狀態寄存器SREG是一個8位標志寄存器，用來存放指令執行后的有關狀態和結果的標志，各位狀態通常是在指令執行過程中自動產生的，但也可以由用戶根據需要用專用指令加以改變。

　　位7-I：全局中斷使能位

　　當I位被置位時，表示CPU可以響應中斷請求，反之，則所有中斷被禁止。I位可以通過SEI和CLI指令來置位和清零，在中斷發生后，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

　　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BLD把T拷貝到寄存器的某一位。

　　位5-H：半進位標志 半進位標志H表示算術操作發生了半進位，此標志對于BCD運算非常有用。

　　位4-S：符號位 S=N⊕V，S為負數標志N與2的補碼溢出標志V的異或

　　位3-V：2的補碼溢出標志，支持2的補碼運算

　　位2-N：負數標志 表明算術或邏輯操作結果為負

　　位1-Z：零標志 表明算術或邏輯操作結果為零

　　位0-C：進位標志 表明算術或邏輯操作發生了進位

　　E.堆棧指針寄存器SP(Stack Point)

　　堆棧指針主要用來保存臨時數據、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的堆棧是向下生長的，即新的數據推入堆棧時，堆棧指針的數值將減小。

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

　　堆棧指針指向數據SRAM堆棧區，必須指向高于0x60的地址空間，所以通常初始化時將SP的指針設在SRAM最高處。

　　使用PUSH指令將數據推入堆棧時指針減一;而子程序或中斷返回地址推入堆棧時指針將減二。

　　使用POP指令將數據彈出堆棧時，堆棧指針加一;而用RET或RETI指令從子程序或中斷返回時堆棧指針加二。