AVR單片機(jī)的CPU內(nèi)核結(jié)構(gòu)及匯編語(yǔ)言

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)

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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：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，但也可以由用戶根據(jù)需要用專用指令加以改變。

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BLD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。