Файл: ATxmega-rus.doc

При необходимости обработки данных из памяти данных, их необходимо вначале поместить в регистровый файл. После выполнения операции над ними, данные перезаписываются обратно в память данных из регистрового файла. Операции АЛУ разделяются на три основные категории: арифметические, логические и битовые функции. После выполнения арифметической или логической операции обновляется содержимое регистра статуса, тем самым, сигнализируя о результате операции.

3.4.1Аппаратное умножающее устройство

Умножающее устройство способно перемножить два 8-битных числа с получением 16-битного результата. Поддерживаются различные типы данных: целочисленные и дробные, со знаком и без:

Умножение беззнаковых целых чисел.
Умножение знаковых целых чисел.
Умножение знакового целого числа на беззнаковое целое число.
Умножение беззнаковых дробных чисел.
Умножение знаковых дробных чисел.
Умножение знакового дробного числа на беззнаковое дробное число.

Операция умножения выполняется два цикла синхронизации ЦПУ.

3.5Программный поток

Сразу после сброса выполнение программы начинается с нулевого адреса. Управление программным потоком выполняется инструкциями условного и безусловного переходов и вызова подпрограммы, которые способны адресоваться напрямую в пределах всего адресного пространства. Большинство инструкций являются 16-битными. По каждому адресу в памяти программ хранится 16- или 32-битная инструкция. Счетчик программы (PC) содержит адрес ячейки памяти, по которому выполняется выборка инструкции. При вызове процедур обработки прерывания и подпрограмм состояние PC запоминается в стеке, как адрес возврата.

При возникновении разрешенного прерывания в счетчик программы загружается вектор этого прерывания, что позволяет перейти к процедуре его обработки. Флаг прерывания сбрасывается автоматически на аппаратном уровне.

Встроенный в МК контроллер прерываний имеет отдельные регистры управления. В частности в его регистре статуса имеет дополнительный бит общего разрешения прерываний. У всех прерываний имеется отдельный вектор. Они следуют за вектором сброса, расположенного по адресу 0 в памяти программ. У каждого прерывания реализована возможность программирования уровня приоритета. Если же для прерываний установлен одинаковый уровень, то приоритет будет определяться адресом вектора прерывания: чем меньше адрес, тем выше приоритет.

3.6Временная диаграмма выполнения инструкций

ЦПУ AVR синхронизируется сигналом CLKCPU. Внутреннее деление частоты этого сигнала не предусмотрено. На рисунке 3.2 демонстрируется параллелизм выборки одной инструкции и исполнения другой. Такой механизм стал возможным, благодаря использованию Гарвардской архитектуры и концепции, обеспечивающей быстродействие доступа к данным в регистровом файле. В конечном счете, такая концепция простой конвейеризации позволяет добиться производительности близкой к 1 MIPS/МГц и, как следствие, получить уникальные соотношения функциональности со стоимостью решения, частотой синхронизации и энергопотреблением.

Рисунок 3.2. Параллельность выборки и выполнения инструкций

На рисунке 3.3 представлена временная диаграмма доступа АЛУ к регистровому файлу. За один цикл синхронизации, который требуется для выполнения операции в АЛУ, выполняется операция над двумя регистрами-операндами, а результат возвращается в регистр-назначение.

Рисунок 3.3. Операция в АЛУ выполняется за один цикл синхронизации

3.7Регистр статуса

В регистре статуса (SREG) хранится информация относительно результата большинства ранее выполненных арифметических или логических инструкций. Данная информация необходима для выполнения операций условия, которые управляют программным потоком. Обратите внимание, что регистр статуса обновляется после выполнения любой операции АЛУ в объеме, указанном в описании набора инструкций. Благодаря этому, во многих случаях исчезает необходимость использования специальных инструкций сравнения, что делает код программы более компактным, а его выполнение более быстрым.

Содержимое регистра статуса автоматически не запоминается при вызове процедур обработки прерывания и не восстанавливается при выходе из них. Данные действия необходимо выполнить программно.

Регистр статуса доступен в пространстве памяти ввода-вывода.

3.8Стек и указатель стека

Стек необходим для запоминания адресов возврата из процедур обработки прерывания и подпрограмм. Его также можно использовать для временного хранения данных. Регистр указателя стека (SP) постоянно указывает на вершину стека. Он реализован в виде двух 8-битных регистров, доступных в пространстве памяти ввода-вывода. Данные помещаются в стек и извлекаются из него посредством инструкций PUSH и POP. Увеличение стека происходит в направлении от старших ячеек памяти к младшим. Таким образом, при помещении данных в стек содержимое регистра SP уменьшается, а при извлечении данных - увеличивается. После сброса, SP автоматически инициализируется значением, которое равно максимальному адресу внутреннего SRAM. При необходимости изменения SP нужно учитывать, что помещаемый в него адрес должен лежать выше 0x2000, а само изменение нужно выполнить перед вызовом каких-либо подпрограмм или разрешением прерываний.

При вызове подпрограмм или при переходе по вектору прерываний адрес возврата автоматически помещается в стек. Адрес возврата может быть представлен двумя или тремя байтами, что зависит от размера памяти микроконтроллера. У МК с памятью программ 128 кбайт и менее адрес возврата двухбайтный, поэтому, указатель стека декрементируется/инкрементируется на два. У тех же микроконтроллеров, которые оснащены памятью программ размером более 128 кбайт, адрес возврата трехбайтный, а декрементирование/инкрементирование SP выполняется на три. Адрес возврата извлекается из стека при выходе из прерывания по инструкции RETI, а из подпрограммы по инструкции RET.

Если инструкцией PUSH в стек помещаются данные, то SP декрементируется на единицу. Аналогичным образом, при извлечении данных из стека инструкцией POP содержимое SP инкрементируется на единицу.

Чтобы предотвратить сбой в выполнении программы при программном обновлении указателя стека, операция записи в SPL приводит к автоматическому отключению прерываний на время выполнения до четырех инструкций или до следующей операции записи в память ввода-вывода.

3.9Регистровый файл

Регистровый файл образован 32 8-битными регистрами общего назначения. Чтобы добиться требуемых быстродействия и гибкости, регистровый файл поддерживает следующие схемы ввода-вывода:

Вывод одного 8-битного операнда и ввод одного 8-битного результата
Вывод двух 8-битных операндов и ввод одного 8-битного результата
Вывод двух 8-битных операндов и ввод одного 16-битного результата
Вывод одного 16-битного операнда и ввод одного 16-битного результата

Рисунок 3.4. Рабочие регистры общего назначения ЦПУ AVR

Большинство инструкций, взаимодействующих с регистровым файлом, имеют прямой доступ ко всем регистрам, причем большинство этих инструкций являются одноцикловыми.

3.9.1Регистры X, Y и Z

Регистры R26..R31, помимо регистров общего назначения, имеют еще одно дополнительное назначение. Данные регистры можно использовать, как 16-битные указатели адреса для адресации памяти данных. Три таких регистра получили название регистров X, Y и Z. Z-регистр можно также использовать в качестве указателя адреса для чтения и/или записи Flash-памяти программ, сигнатурного кода, конфигурационных бит (Fuse-биты) и бит защиты (Lock-биты).

Рисунок 3.5. Регистры X, Y и Z

В регистре с меньшим адресом хранится младший байт адреса. В различных режимах адресации данные регистры адреса могут иметь такие функции, как адресация с фиксированным смещением, автоматическое инкрементирование или декрементирование (подробности см. в описании набора инструкций).

3.10Регистры RAMP и расширенной косвенной адресации

Чтобы адресоваться к памяти программ или памяти данных размером более 64 кбайт, адрес или указатель адреса должен иметь разрядность более 16 бит. Это реализовано путем присоединения одному из регистров X- Y или Z еще одного регистра, в котором хранится старший байт 24-битного адреса или указателя адреса.

Такие регистры имеются только у МК со встроенным интерфейсом внешней шины и/или с объемом памяти программ или памяти данных более 64 кбайт. У таких МК, для адресации в пределах всего пространства памяти данных и памяти программ используются дополнительные биты, организованные в отдельные регистры.

3.10.1Регистры RAMPX, RAMPY и RAMPZ

Регистры RAMPX, RAMPY и RAMPZ являются расширением для регистров X, Y и Z, соответственно, и делают возможной косвенную адресацию в пределах всего пространства памяти за пределами 64 кбайт и до 16 Мбайт.

Рисунок 3.6. Комбинация регистров RAMPX и X, RAMPY и Y, и RAMPZ и Z

При чтении (ELPM) и записи (SPM) ячеек памяти программ за пределами первых 128 кбайт адресного пространства, регистр RAMPZ соединяется с Z-регистром и, в результате, адрес становится 24-битным. Выполнение инструкции LPM не зависит от содержимого RAMPZ.

3.10.2Регистр RAMPD

Данный регистр связан с операндом, что дает возможность прямой адресации в пределах адресного пространства, лежащего выше первых его 64 кбайт. Совместно, RAMPD и операнд, образуют 24-битный адрес.

Рисунок 3.7. Комбинация регистра RAMPD и K

3.10.3Регистр расширенной косвенной адресации EIND

EIND соединяется с Z-регистром, когда требуется косвенный переход или вызов подпрограммы по адресу, лежащему за пределами первых 128 кбайт (64 тыс. слов) памяти программ.

Рисунок 3.8. Комбинация регистров EIND и Z

3.11Доступ к 16-битным регистрам

Шина данных AVR является 8-битной, поэтому, доступ к 16-битным регистрам можно получить только побайтно, путем выполнения двух операций чтения или записи. Вследствие этого, у каждого 16-битного регистра предусмотрен 8-битный регистр для временного хранения старшего байта при каждом чтении или записи. 16-битный регистр соединен с 8-битной шиной и временным регистром посредством 16-битной шины. Этим гарантируется одновременность доступа к младшему и старшему байту 16-битных регистров при их чтении или записи.

При выполнении операции записи, первой необходимо выполнить запись младшего байта 16-битного регистра. Запись младшего байта фактически приводит к его помещению во временный регистр. Во время записи же старшего байта 16-битного регистра, синхронно, по ходу того же цикла синхронизации, выполняется копирование временного регистра в младший байт 16-битного регистра.

Аналогичным образом нужно действовать и при чтении. Вначале считывается младший байт 16-битного регистра и одновременно с этим, в течение того же цикла синхронизации, во временный регистр будет скопировано содержимое старшего байта 16-битного регистра. Операция же чтения старшего байта 16-битного регистра фактически будет выполнена, как чтение из временного регистра.

Данную временную диаграмму доступа могут нарушить активизация прерывания, в процедуре обработки которого будет аналогичным образом осуществляться побайтный доступ к тому же 16-битному регистру. Во избежание этого, во время чтения или записи 16-битных регистров необходимо отключать прерывания.

Чтение и запись временных регистров также можно выполнить непосредственно из программы пользователя.

3.11.1Доступ к 24- и 32-битным регистрам

Доступ для чтения и записи 24- и 32-битных регистров выполняется также как и 16-битных, за исключением количества использующихся временных регистров. Для доступа к 24-битному регистру используется два временных регистра, а к 32-битному - три. Очередность записи и чтения необходимо начинать с младшего байта.

3.12Защита от изменения конфигурации

Регистры, которые отвечают за настройку критичных системных параметров, защищены от несанкционированной модификации. Также предусмотрены защиты от ошибочного выполнения инструкции SPM и считывания с помощью инструкции LPM конфигурационных бит и сигнатурного кода. Данные защиты реализованы на глобальном уровне посредством регистра защиты от изменения конфигурации (CCP). Изменение защищенных регистров ввода-вывода или их отдельных бит, а также выполнение защищенных инструкций возможно только после записи ЦПУ сигнатуры в регистр CCP. Отличия сигнатур будут приведены в описании регистров.

Предусмотрено 2 режима работы: один для защищенных регистров ввода-вывода и один для защищенных инструкций SPM/LPM.

3.12.1Последовательность записи защищенных регистров ввода-вывода

Кодом программы выполняется запись сигнатуры в регистр CCP, что разрешает изменение защищенных регистров ввода-вывода.
В течение 4 последующих циклов инструкций кодом программы необходимо записать требуемые данные в защищенный регистр. У большинства защищенных регистров предусмотрен свой бит разрешения записи/разрешения изменения. В данный бит необходимо записать единицу вместе с записью данных. Возможность защищенного изменения блокируется сразу после выполнения ЦПУ операции записи в регистр ввода-вывода или памяти данных, а также, после выполнения инструкции SPM, LPM или SLEEP.

3.12.2Последовательность выполнения защищенных инструкций SPM/LPM

Кодом программы выполняется запись сигнатуры в регистр CCP, что разрешит выполнение защищенной инструкции SPM/LPM.
В течение 4 последующих циклов код программы получает возможность выполнить соответствующую инструкцию.

Защищенное изменение отключается сразу после выполнения ЦПУ операции записи в память данных или после выполнения инструкции SLEEP.

Сразу после записи ЦПУ корректной сигнатуры прерывания будут игнорироваться в течение промежутка времени, которое выделено для изменения конфигурации. Все запросы прерывания (в т.ч. немаскируемые прерывания), которые возникают в течение защищенного изменения конфигурации, приводят к установке соответствующего флага прерывания и, поэтому, запрос запоминается, как отправленный. По завершении интервала защищенного изменения все отправленные запросы прерываний будут обработаны в соответствии с их уровнем и приоритетом.

Запросы DMA обрабатываются обычным образом и никак не влияют на период разрешения изменений конфигурации. Сигнатура, записанная посредством DMA, игнорируется.

3.13Fuse-биты для блокировки изменений

Некоторые критичные системные параметры можно защитить от каких-либо изменений через регистры управления, путем программирования конфигурационных бит. Если запрограммировать такой конфигурационный бит, то дальнейшее программное изменение регистров будет невозможным, а перепрограммировать конфигурационный бит будет можно только с помощью внешнего программатора.