Режимы адресации программ и данных.

Усовершенствованные RISC микроконтроллеры AVR поддерживают эффек­тивную и мощную систему адресации.

• Прямая регистровая. Адресуется отдельный регистр Rd, адрес регистра ука­зывается в битах 0..4 кода команды, операнд содержится в регистре Rd.

• Косвенная регистровая. Регистр адресуется через указатель Z-регистр (R30).

• Прямая регистровая, два регистра Rd и Rr, - адреса регистров указываются в битах 0..4 (Rd) и 5..9 (Rr) кода команды. Операнды соде­ржатся в регистрах Rd и Rr. Результат помещается в регистр Rd.

• Прямая ввода/вывода. Адрес операнда содержится в битах 0..5 кода команды, адрес регистра в битах 6..10.

• Относительная программная адресация командами RJMP и RCALL. Смещение относительно программного счетчика указывается в битах 0..11 кода опе­рации. Выполнение программы передается по адресу PC+k. Относительный адрес k лежит в диапазоне от +2кБайт до – (2кБайт – 1).

Стек подпрограмм и прерываний. Для обработки прерываний и вызовов подпрограмм исполь­зуется аппаратный стек. Аппаратный стек сохраняет значение программного счетчика – адрес возврата из подпро­грамм и программ обслуживания прерываний.

Команда RCALL и прерывания записывают значение программного счет­чика на 0 уровень стека. Данные, хранящиеся в стеке на уровнях 1 и 2, сдвигаются на один уровень вглубь. При выполнении команды RET или RETI значение программного счетчика выбирается с 0-го уровня стека, данные с уровней 1 и 2 сдвигаются на один уровень вверх.

EEPROM память данных.МК AVR содержат до 4К электрически стираемой энергонезависимой памяти (EEPROM). EEPROM организована как отдельная область данных, каждый байт которой может быть прочитан и перезаписан. EEPROM выдерживает не менее 100000 циклов записи/стирания. Доступ к энергонезависимой памяти данных рассмотрен дальше и задается регистром адреса, регистром данных и управляющим регистром.

Время выполнения команд.ЦПУ процессора AVR управляется системной частотой, генерируемой внешним резонатором. Внутреннее деление частоты генератора не исполь­зуется.

В процессоре организован буфер (pipeline) команд, при выборе команды из памяти программ происходит выполнение предыдущей команды. Подобная концепция позволяет достичь быстродействия 1MIPS на МГц, уни­кальных показателей стоимости, быстродействия и потребления процессо­ра.

Память ввода/вывода.Все устройства ввода/вывода и периферийные устройства МК располагаются в пространстве ввода/вывода. Различные ячейки этого про­странства доступны через команды IN и OUT, пересылающие данные между одним из регистров общего назначения (РОН) и пространством ввода/выво­да. К регистрам $00..$19 можно осуществлять побитовый доступ командами SBI и CBI. Значение отдельного бита этих регистров можно проверить командами SBIC и SBIS. Дополнительную информацию по этому вопросу мож­но найти в описании системы команд.

Регистр статуса ЦПУ (SREG) содержит следующие биты, доступные для записи и чтения:

Бит 7 - I: Общее разрешение прерываний. Для разрешения прерываний этот бит должен быть установлен в единицу. Управление отдельными пре­рываниями производится регистром маски прерываний - GIMSK/TIMSK. Если флаг сброшен (0), независимо от состояния GIMSK/TIMSK, прерывания не разрешены. Бит I очищается аппаратно после входа в прерывание и вос­станавливается командой RETI, для разрешения обработки следующих пре­рываний.

Бит 6 - T: Хранение копируемого бита. Команды копирования битов BLD (Bit LoaD) и BST (Bit STore) используют этот бит как источник и прием­ник обрабатываемого бита. Бит из регистра регистрового файла может быть скопирован в T командой BST, бит T может быть скопирован в бит регистрового файла командой BLD.

Бит 5 - H: Флаг половинного переноса. Этот флаг индицирует перенос из младшей половины байта при некоторых арифметических операциях. Более подробно об этом можно прочитать в описании системы команд.

Бит 4 - S: бит знака, S = N XOR V. Бит S всегда равен исключающему ИЛИ между флагами N (отрицательный результат) и V (переполнение допол­нения до двух). Более подробно об этом можно прочитать в описании сис­темы команд.

Бит 3 - V: Флаг переполнения дополнения до двух. Этот флаг поддержи­вает арифметику с дополнением до двух. Более подробно об этом можно прочитать в описании системы команд.

Бит 2 - N: Флаг отрицательного результата. Этот флаг указывает на отри­цательный результат выполнения различных арифметических и логических операций. Более подробно об этом можно прочитать в описании системы команд.

Бит 1 - Z: Флаг нулевого результата. Этот флаг индицирует нулевой ре­зультат различных арифметических и логических операций. Более подробно об этом можно прочитать в описании системы команд.

Бит 0 - C: Флаг переноса. Этот флаг индицирует перенос в арифметичес­ких и логических операциях. Более подробно об этом можно прочитать в описании системы команд.

Регистр управления ЦПУ (MCUCR) содержит биты общего управления МК. Ниже приводится назначение битов данного регистра.

Бит 5 – Sleep Enable – Разрешение режима Sleep. Этот бит должен быть установлен в 1, чтобы при выполнении команды SLEEP процессор переходил в режим пониженного энергопотребления (Sleep). Для использования режи­ма пониженного энергопотребления этот бит рекомендуется устанавливать в 1 до исполнения команды SLEEP.

Бит 4 – Sleep Mode – Режим Sleep. Этот бит выбирает один из доступ­ных режимов пониженного энергопотребления. Если бит сброшен (0), то в ка­честве режима Sleep выбирается холостой режим (Idle mode). Если бит установлен, выбирается экономичный режим (Power down). Особенности каждого из режимов будут рассмотрены ниже.

Биты 3,2 – зарезервированы и читаются как 0.

Биты 1,0 – ISC01, ISC00 – биты управления срабатыванием прерывания 0. Внешнее прерывание активируется выводом INT0, если установлен флаг I регистра состояния SREG и установлена соответствующая маска в регистре GIMSK. Срабатывание по уровню и фронтам задается следующим образом:

ISC01	ISC00	Описание
0	0	Запрос прерывания генерируется по низкому уровню на входе
0	1	Зарезервировано
1	0	Запрос на прерывание по спадающему фронту на входе
1	1	Запрос на прерывание по нарастающему фронту на входе

Примечание: При изменении битов ISC01 и ISC00 прерывания по входу INT0 должны быть запрещены сбросом бита разрешения прерывания в регис­тре GIMSK. Иначе прерывание может произойти при изменении значения би­тов.

Аппаратный сброс. В МК AVR предусмотрены три источника сброса:

- сброс по включению питания (процессор сбрасывается при подаче питания на выводы VCC и GND);

- внешний сброс (процессор сбрасывается при подаче низкого уровня на вывод RESET на время более двух периодов тактовой частоты);

- сброс от сторожевого таймера (процессор сбрасывается по оконча­нии времени сторожевого таймера, если разрешена его работа).

Во время сброса все регистры ввода/вывода устанавливаются в на­чальные значения, программа начинает выполняться с адреса $000, по этому адресу должна быть записана команда RJMP – относительный переход на программу обработки сброса. Если в программе не разрешаются преры­вания и векторы прерываний не используются, в первых адресах памяти может быть записана программа.

Контроллер прерываний предназначен для аппаратного обеспечения запуска логики обслуживания прерываний.

Младшие адреса памяти программ отведены под векторы прерываний, список векторов прерываний приведен в табл. 11.3. Этот список также оп­ределяет и приоритет различных прерываний. Чем младше адрес, тем выше приоритет прерывания. Наивысший приоритет имеет сброс, за ним INT0 и т.д.

Таблица 11.3

Номер вектора	Адрес	Источник	Описание прерывания
1	$000	RESET	Вывод сброса и сброс от сторо­жевого таймера
2	$001	INT0	Внешнее прерывание 0
4	$002	TIMER0,OVF0	Переполнение таймера/счетчика 0
5	$003	ANA_COMP	Аналоговый компаратор

Чаще всего используется следующая установка векторов прерываний в программе:

Адрес Метка Код Комментарий

$000 rjmp RESET ; обработка сброса

$001 rjmp EXT_INT0 ; обработка IRQ0

$002 rjmp TIM0_OVF ; обработка переполнения таймера 0

$003 rjmp ANA_COMP ; обслуживание аналогового компаратора

;

$004 MAIN: <instr> xxx ; начало основной программы

Таймеры/счетчики. ВMKAVRпредусмотрены 8-разрядные и 16-разрядные таймеры/счетчики общего назна­чения. Любой из них можно использовать как таймер с внутрен­ним источником импульсов или как счетчик, управляемый внешними счетны­ми импульсами.

Таймер/счетчик может получать импульсы тактовой час­тоты CK, импульсы с предварительного делителя (CK/8, CK/64, CK/256 или CK/1024), импульсы с внешнего вывода или быть остановлен соответ­ствующими установками регистра TCCRх. Флаг переполнения таймера нахо­дится в регистре TIFR. Биты управления таймером расположены в регистре TCCRх. Разрешение и запрещение прерываний от таймера управляются реги­стром TIMSK.

При работе таймера/счетчика от внешнего сигнала, внешний сигнал синхронизируется с тактовым генератором ЦПУ. Для правильной обработки внешнего сигнала, минимальное время между соседними импульсами должно превышать период тактовой частоты процессора. Сигнал внешнего источни­ка обрабатывается по спадающему фронту тактовой частоты процессора.

Сторожевой таймер(WDT) работает от отдельного встроенного генератора, работающего на частоте 1 МГц. Управляя предварительным делителем сто­рожевого таймера, можно задавать интервал сброса таймера от 16 до 2048 периодов. Частота встроенного RC генератора зависит от напряжения пи­тания процессора.

Команда WDR сбрасывает сторожевой таймер. Для работы сторожевого таймера можно выбрать одно из 8-ми значений частоты, что позволяет в широких пределах изменять время между исполнением команды WDR и сбро­сом процессора. При отработке периода работы сторожевого таймера, если не поступила команда WDR, МК сбрасывается, выполнение программы продолжается с вектора сброса.

Энергонезависимое ОЗУ (EEPROM) предназначено для хранения данных при отключенном питании МК. Для доступа к EEPROM служат три регистра:

регистр адреса EEPROM EEAR – в этот регистр перед обращением к EEPROM записывается адрес ячейки памяти, к которой производится обращение;

регистр данных EEPROM EEDR – в этом регистре перед записью должны быть размещены записываемые данные, а после операции чтения в нем будут расположены считанные из EEPROM данные;

регистр управления EEPROM – в этом регистре расположены биты разрешения записи или чтения EEPROM, которые должны устанавливаться в 1 при выполнении соответствующей операции.

Порты ввода/вывода – это 8-разрядные двунаправленные порты. Для обслуживания каждого порта отведено три регистра: регистр данных PORTх, регистр направления данных DDRx и регистр адреса выводов порта PINx. Регистры адреса выводов портов предназначены только для чтения, в то время как регистры данных и регистры направления данных – для чтения/записи. То есть PINх не является регистром, по этому адресу осуществляется доступ к физическим значениям каждого из выводов соответствующего порта. При чтении PORTх читаются данные из регистра-защелки, при чтении PINх читаются логичес­кие значения, присутствующие на выводах порта.

Все выводы портов имеют отдельно выбираемые нагрузки. Выводы порта могут пропускать ток до 20 мА и непосредственно управлять, например, светодиодными индикаторами или маломощными реле. Каждый порт имеет помимо основных еще одну или несколько альтернативных функций, обязательно указываемых в техническом описании на соответствующий МК.

Периферийные модули. К ним относятся в частности аналоговый компаратор и АЦП. Спецификация программирования данных модулей приводится в техническом описании на соответствующий МК. Так как она может существенно отличаться у разных МК, здесь мы ее рассматривать не будем.

Ниже приводится система команд MK AVR.

Мнемон. Операнды Описание Действие Флаги Цикл

АРИФМЕТИЧЕСКИЕ И ЛОГИЧЕСКИЕ КОМАНДЫ

ADD Rd, Rr Сложить два регистра Rd ← Rd + Rr Z,C,N,V,H 1

ADC Rd, Rr Сложить с переносом Rd ← Rd + Rr + C Z,C,N,V,H 1

SUB Rd, Rr Вычесть два регистра Rd ← Rd - Rr Z,C,N,V,H 1

SUBI Rd, K Вычесть константу Rd ← Rd - K Z,C,N,V,H 1

SBC Rd, Rr Вычесть с переносом Rd ← Rd - Rr - C Z,C,N,V,H 1

SBCI Rd, K Вычесть с переносом Rd ← Rd - K - C Z,C,N,V,H 1

AND Rd, Rr Логическое И Rd ← Rd AND Rr Z,N,V 1

ANDI Rd, K Логическое И Rd ← Rd AND K Z,N,V 1

OR Rd, Rr Логическое ИЛИ Rd ← Rd OR Rr Z,N,V 1

ORI Rd, K Логическое ИЛИ Rd ← Rd OR K Z,N,V 1

EOR Rd, Rr Исключающее ИЛИ Rd ← Rd XOR Rr Z,N,V 1

COM Rd Дополнение до 1 Rd ← $FF - Rd Z,C,N,V 1

NEG Rd Дополнение до 2 Rd ← $00 - Rd Z,C,N,V,H 1

SBR Rd, K Установка бит(-ов) в регистре Rd ← Rd OR K Z,N,V 1

CBR Rd, K Сброс бит(-ов) в регистре Rd ← Rd AND (FFh - K) Z,N,V 1

INC Rd Увеличить на 1 Rd ← Rd + 1 Z,N,V 1

DEC Rd Уменьшить на 1 Rd ← Rd - 1 Z,N,V 1

TST Rd Проверить на 0 или минус Rd ← Rd AND Rd Z,N,V 1

CLR Rd Очистить регистр Rd ← Rd XOR Rd Z,N,V 1

SER Rd Установить регистр Rd ← $FF Не меняет 1

КОМАНДЫ ВЕТВЛЕНИЯ

RJMP k Относительный переход PC ← PC+k+1 Не меняет 2

RCALL k Относительный вызов подпрограммы PC ← PC+k+1 Не меняет 3

RET Выход из подпрограммы PC ← STACK Не меняет 4

RETI Выход из прерывания PC ← STACK I 4

CPSE Rd, Rr Сравнить, пропуск, если равно if(Rd=Rr) PC ←PC+2 или 3 Не меняет 1/2

CP Rd, Rr Сравнить Rd - Rr Z,N,V,C,H 1

CPC Rd, Rr Сравнить с переносом Rd - Rr - C Z,N,V,C,H 1

CPI Rd, K Сравнить с константой Rd - K Z,N,V,C,H 1

SBRC Rr, b Пропуск, если бит в регистре сброшен if(Rr(b)=0) PC←PC+2 или 3 Не меняет 1/2

SBRS Rr, b Пропуск, если бит в регистре установлен if(Rr(b)=1) PC←PC+2 или 3 Не меняет 1/2

SBIC P, b Пропуск, если бит в рег. ввода/выв. сброшен if(P(b)=0) PC ←PC+2 или 3 Не меняет 1/2

SBIS P, b Пропуск, если бит в рег. ввода/выв. установлен if(P(b)=1) PC ←PC+2 или 3 Не меняет 1/2

BRBS s, k Переход, если установлен флаг s if(SREG(s)=1) PC ←PC+k+1 Не меняет 1/2

BRBC s, k Переход, если сброшен флаг s if(SREG(s)=0) PC ←PC+k+1 Не меняет 1/2

BREQ k Переход, если равно if(Z=1) PC ← PC+k+1 Не меняет 1/2

BRNE k Переход, если неравно if(Z=0) PC ← PC+k+1 Не меняет 1/2

BRCS k Переход, если установлен перенос if(C=1) PC ← PC+k+1 Не меняет 1/2

BRCC k Переход, если сброшен перенос if(C=0) PC ← PC+k+1 Не меняет 1/2

BRSH k Переход, если равно или больше if(C=0) PC ← PC+k+1 Не меняет 1/2

BRLO k Переход, если меньше if(C=1) PC ← PC+k+1 Не меняет 1/2

BRMI k Переход, если минус if(N=1) PC ← PC+k+1 Не меняет 1/2

BRPL k Переход, если плюс if(N=0) PC ← PC+k+1 Не меняет 1/2

BRGE k Переход, если больше или равно, со знаком if(N XOR V=0) PC←PC+k+1 Не меняет 1/2

BRLT k Переход, если меньше нуля, со знаком if(N XOR V=1) PC←PC+k+1 Не меняет 1/2

BRHS k Переход, если установлен флаг H if(H=1) PC ← PC+k+1 Не меняет 1/2

BRHC k Переход, если сброшен флаг H if(H=0) PC ← PC+k+1 Не меняет 1/2

BRTS k Переход, если установлен флаг T if(H=1) PC ← PC+k+1 Не меняет 1/2

BRTC k Переход, если сброшен флаг T if(H=0) PC ← PC+k+1 Не меняет 1/2

BRVS k Переход, если установлен флаг V (переполнение) if(H=1) PC ← PC+k+1 Не меняет 1/2

BRVC k Переход, если сброшен флаг V if(H=0) PC ← PC+k+1 Не меняет 1/2

BRIE k Переход, если разрешены прерывания if(I=1) PC ← PC+k+1 Не меняет 1/2

BRID k Переход, если запрещены прерывания if(I=1) PC ← PC+k+1 Не меняет 1/2

КОМАНДЫ ПЕРЕСЫЛКИ

LD Rd,Z Загрузить регистр непосредственно Rd ← (Z) Не меняет 2

ST Z,Rr Записать регистр непосредственно (Z) ← Rr Не меняет 2

MOV Rd, Rr Пересылка между регистрами Rd ← Rr Не меняет 1

LDI Rd, K Загрузить константу Rd ← K Не меняет 1

IN Rd, P Ввод из порта Rd ← P Не меняет 1

OUT P, Rr Вывод в порт P ← Rr Не меняет 1

КОМАНДЫ РАБОТЫ С БИТАМИ

SBI P,b Установить бит в регистре ввода/вывода I/O(P,b) ← 1 Не меняет 2

CBI P,b Сбросить бит в регистре ввода/вывода I/O(P,b) ← 0 Не меняет 2

LSL Rd Логический сдвиг влево Rd(n+1) ←Rd(n), Rd(0) ←0 Z,C,N,V 1

LSR Rd Логический сдвиг вправо Rd(n) ←Rd(n+1), Rd(7) ←0 Z,C,N,V 1

ROL Rd Сдвиг влево через C Rd(0) ←C, Z,C,N,V 1

Rd(n+1) ←Rd(n), C ←Rd(7)

ROR Rd Сдвиг вправо через C Rd(7) ← C, Z,C,N,V 1

Rd(n) ← Rd(n+1), C ← Rd(0)

ASR Rd Арифметический сдвиг вправо Rd(n) ← Rd(n+1), n=0..6 Z,C,N,V 1

SWAP Rd Обмен нибблов Rd(3-0) ← Rd(7-4), Не меняет 1

Rd(7-4) ← Rd(3-0)

BSET s Установить флаг SREG(s) ← 1 SREG(s) 1

BCLR s Сбросить флаг SREG(s) ← 0 SREG(s) 1

BST Rr,b Запомнить бит в T T ← Rr(b) T 1

BLD Rd, b Прочитать бит из T Rd(b) ← T Не меняет 1

SEC Установить перенос C ← 1 C 1

CLC Сбросить перенос C ← 0 C 1

SEN Установить флаг N N ← 1 N 1

CLN Сбросить флаг N N ← 0 N 1

SEZ Установить флаг Z Z ← 1 Z 1

CLZ Сбросить флаг Z Z ← 0 Z 1

SEI Разрешить прерывания I ← 1 I 1

CLI Запретить прерывания I ← 0 I 1

SES Установить флаг S S ← 1 S 1

CLS Сбросить флаг S S ← 0 S 1

SEV Установить флаг V V ← 1 V 1

CLV Сбросить флаг V V ← 0 V 1

SET Установить флаг T T ← 1 T 1

CLT Сбросить флаг T T ← 0 T 1

SEH Установить флаг H H ← 1 H 1

CLH Сбросить флаг H H ← 0 H 1

NOP Нет операции Не меняет 1

SLEEP Останов Не меняет 3

WDR Сброс сторожевого таймера Не меняет 1

Более подробную информацию по MK AVR можно узнать в [13, 14] или на сайтах www.atmel.com и www.argussoft.ru.