MicForSA (Ответы к Экзамену по Микропроцессорным Системам (микроконтроллеры микрокопроцессоры)), страница 2

Регистр инструкций: регистр, предназначенный для хранения считанной из памяти программ инструкции. Считанная из памяти программ инструкция декодируется дешифратором команд и исполняется микропрограммным автоматом ядра. Разрядность регистра инструкций определяется разрядностью памяти программ.

Арифметико-логическое устройство: логическая схема, непосредственно осуществляющая преобразование одной или двух переменных в соответствии с инструкцией занесенной в регистр команд. Стандартное АЛУ способно выполнять простейшие арифметические или логические операции над одной или двумя переменными (сложение, вычитание, инкремент, декремент, NOT, AND, OR, exclusive OR). Некоторые производители интегрируют на кристалл также встроенный умножитель двух переменных.

Регистры общего значения: Регистры общего значения предназначены для временного хранения данных в процессе вычислений. Разрядность регистров определяет разрядность вычислений и разрядность самого МК. Количество регистров может быть произвольным. Обычно в этих регистрах хранится информация, обрабатываемая АЛУ и полученный в нем результат вычислений. На некоторые из регистров могут быть возложены дополнительные функции. В большинстве архитектур один из регистров отличается от других большими возможностями. Он обычно называется аккумулятор или рабочий регистр. В этом регистре может храниться одна из переменных, обрабатываемых в АЛУ, и туда же помещается результат операции.

Регистры ввода/вывода: предназначены для управления функциональными блоками МК, энергозависимой памятью данных и программ. В различных операциях регистры могут участвовать целиком или отдельными битами. Отдельный бит регистра именуется флагом. Обращение к регистрам в различных архитектурах организуется различным образом. Обычно обращение к ним осуществляется как к элементам процессорного ядра по присвоенным в архитектуре именам и адресам, в ряде случаев к ним обращаются с помощью специальных команд ввода/вывода.

Регистр состояния: предназначен для хранения отдельных признаков результата, полученного при выполнении различных арифметических и логических операций в АЛУ. Регистр обычно рассматривается состоящим из отдельных бит (флагов), каждый из которых несет в себе определенную информацию о каком либо одном признаке результата. Типовыми флагами регистра состояния являются:

- флаг переноса: устанавливается при возникновении переноса из старшего разряда результата.

- флаг переполнения: устанавливается при переполнении разрядной сетки.

- флаг отрицательного результата: устанавливается, когда результат является отрицательным числом.

- флаг нулевого результата: устанавливается, когда результат операции равен нулю.

- флаг полупереноса: устанавливается при возникновении переноса из младшей тетрады 8-битного числа в старшую (из третьего разряда в четвертый).

Стек: память данных, организованная по принципу: последний зашел - первый вышел. Такая память предназначается, обычно, для оперативного сохранения содержимого отдельных регистров при переходах к подпрограммам. Одним из таких регистров является программный счетчик. Извлечение из стека содержимого регистров производится в порядке, обратном порядку записи. Запись в стек и извлечение из стека не требует знания адреса ячеек памяти, в которые записываются данные. Стек может быть организован либо в специально созданных в ядре ячейках памяти, либо в области SRAM. В последнем случае в ядре предусматривается специальный регистр – указатель стека. Указатель стека хранит адрес последней записанной ячейки памяти в области стека. Количество ячеек памяти, которые используются в стеке для хранения данных, именуется глубиной стека. Глубина стека в различных архитектурах ядра может быть различна: от 2-х ячеек до размера SRAM.

классификация команд

Множество инструкций микроконтроллера образует систему команд. Система команд, как правило, не меняется для всех микроконтроллеров одного семейства. В полном списке инструкций при описании системы обычно выделяются отдельные группы, родственных по применению инструкций, например, арифметические и логические команды, команды пересылки и др. Это деление довольно условно и полностью определяется политикой разработчика.

При описании системы команд приводится полная информация о каждой инструкции: способах адресации, использовании флагов регистра состояния, времени исполнения.

В качестве примера рассмотрим систему команд микроконтроллера А Ттеда 163

Система команд микроконтроллера содержит 130 команд, условно разделенных на четыре группы:

команды пересылки данных (data transfer instructions), 0 арифметические и логические команды (arithmetic and logic instructions), ° команды работы с битами (bit and bit-test instructions), ° команды ветвления (branch instructions).

При описании системы команд использованы следующие обозначения:

Rd - регистр-приемник результата (0 < d < 31),

Rd* - регистр-приемник результата с номером более 16 (16 < d < 31),

Rr-регистр-источник (0 < г < 31),

Rdl: регистры R24, R26, R28, R30 (для инструкций ADIW и SBIW),

Р- адрес регистра ввода/вывода, Р*- адрес побитно адресуемого регистра ввода/вывода ($00-$1F)

К - символьная или численная константа (8 бит)

к - адресная константа

b - номер бита в регистре (3 бита)

0 s - номер бита в регистре статуса (3 бита)

0 X, Y, Z - регистры косвенной адресации (X=R27:R26, Y=R29:R28; Z=R31 :R30 Команды пересылки

Команды пересылки осуществляют перемещение данных между ячейками памяти и регистрами процессорного ядра. Один из операндов, участвующих в инструкции, является источником данных, второй - приемником. При пересылке из источника в приемник копия данных всегда остается в источнике. Таким образом, все команды пересылки практически осуществляют копирование данных.

Одним из операндов в любой команде пересылки обычно является регистр общего назначения процессорного ядра. Вторым может быть любой регистр или ячейка памяти.

Инструкции, как правило, не влияют на флаги в регистре состояния процессорного ядра.

В системе команд микроконтроллеров AVR предусмотрено 34 инструкции, осуществляющие пересылку данных. В инструкциях используются все, за исключением битовых, способы адресации данных; одним из операндов в любой инструкции является регистр общего назначения. Инструкция Idi (toad immediate), использующая непосредственную адресацию, может быть использована только в старшей половине файла регистров общего назначения (R16....R31), остальные команды работают с любым из регистров файла. Инструкцию spm (store program memory), осуществляющую запись когда в память программ, можно использовать только в Boot Program Section памяти программ;

Время выполнения инструкций, работающих с регистрами, равно 1 такту. Инструкции, обращающиеся к ячейкам памяти данных, выполняются за 2 такта, а 'вращающиеся к ячейкам памяти программ - за 3 такта.

Арифметические и логические команды

В группу арифметических команд входит команды выполняющие сложение, вычитание, декремент и инкремент данных, логическое умножение логическое сложение, операцию ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, инверсию переменной. Обычно к этои группе относят также инструкции сравнения данных. В микроконтроллере Aтmegа 163реализованы также функции арифметического умножения целых чисел и дробных чисел, без знака и со знако3м

Все инструкции этой группы, как правило, приводят к изменению состояния флагов регистра состояния в соответствии с резулыа1ами, выполняемой операции.

В микроконтроллерах с архитектурой AVR предусмотрено довольно много (31) инструкций, выполняющих арифметические и логические преобразования данных. Инструкции используют исключительно прямую регистровую или непосредственную адресацию данных. Операнды хранятся в регистрах общего назначения, в один из них (регистр-приемник) всегда направляется и результат вычислений.

В результате выполнения инструкций изменяются флаги регистра SREG (Status Register), а флаг переноса С (Сапу), кроме того, непосредственно участвует в выполнении ряда операций.

Арифметические команды сложения и вычитания выполняют сложение и вычитание одно- и двухбайтных операндов. Команды adc (add with сапу two registers) и sbc (subtract with carry two registers) используют при вычислениях флаг переноса С.

Инструкции логического умножения (and) и логического сложения (or) , ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (вот) преобразуют только однобайтные данные.

Инструкция дополнения до единицы com (one's complement), фактически выполняет операцию инверсии, а инструкция дополнения до двух neg (two's complement) - меняет знак числа

Инструкции установки (set) позволяют установить как отдельные, так и все биты выбранного регистра в единичное состояние, а команды очистки (dear) - в нулевое.

Инструкции инкремента регистра inc (increment) и декремента регистра dec (decrement) используют прямую адресацию одного выбранного регистра.

Тест на нуль или минус tst (test for zero or minus) фактически не меняет содержимого регистра, но устанавливает соответствующие флаги при равенстве операнда нулю или при его отрицательном значении.

Команды сравнения (compare) также не меняют содержиМ°го РегистР°в' а оценивают разность операндов и устанавливают соответствующие Флаги в регистре состояния.

Шесть инструкций умножения (multiply выполняют умножение |-1ель|Х и Дробных операндов с учетом и без учета знака. 16-битный результат /1^ножения всегда описывается в регистры общего назначения RO:R1.

Большинство арифметических и логических команд выполня!0^ за°Дин такт-Исключение составляют только команды с непосредственной адресац^.' Ра2?таюи^ ° двухбайтными словами: adiw (add immediate to word) и sbiw (subtract im^196 m vvo/")- и команды умножения, выполняющиеся за два такта.

Битовые команды

Битовые команды (Вit And Bit-Test Instructions) позволяют обращаться непосредственно к отдельным битам регистров процессорного ядра и выполнять с выбранными битами простейшие операции пересылки, установки и сброса. Операндами команд могут быть как биты регистров общего назначения, так и биты регистров ввода/вывода. Битовые команды могут влиять на отдельные флаги регистра признаков.

Битовые команды микроконтроллером семейства AVR работают с отдельными битами регистров общего назначения и регистров ввоода/вывода Биты регистров ввода/вывода могут быть установлены или сброшены. Биты регистров общего назначения могут быть сдвинуты в соседние ячейки, как влево (в сторону старших разрядов), так и вправо (в сторону младших разрядов). В операциях сдвига, кроме разрядов регистров, может участвовать и бит переноса. Специальные команды предусмотрены дли установки и сброса отдельных флагов регистра состояния.

Команда swap меняет местами тетрады (полубайты) регистров общего назначения.

10. Микроконтроллер Atmega и его внешние подключения.

Контроллером в технике регулирования считается управляющее устройство, осуществляющее регулирующие и контролирующие функции в системе. Как правило это вычилительная машина. С развитием технологий различные компоненты этой машины, такие как процессорное ядро, различные виды памяти, АЦП, таймеры и др. становились миниатюрнее и стало возможным включать их в одну интегральную микросхему или их малый набор. Микроконтроллер – контр., реализованный на одном кристалле.

AVR микроконтроллеры фирмы Atmel имеют улучшенную RISС архитектуру.

Микроконтроллер состоит из трех элементов: процессорного ядра, памяти и набора функциональных блоков различного назначения, связанных системными шинами.

Процессорное ядро является основой микроконтроллера. Оно выполняет все арифметические операции, управляет работой всех остальных элементов системы.

В памяти хранится программа работы микроконтроллера, исходные данные и все промежуточные результаты вычислений.

Функциональные блоки обеспечивают связь микроконтроллера с внешним миром. Для процессорного ядра любой функ. блок представляется в виде одного или нескольких регистров. Каждый регистр имеет свой оригинальный адрес.

Внешние подключения условно можно разделить на выводы питания и информационные выводы. Информационные выводы включают в себя 4 порта ввода-вывода, выводы подключения кварцевого резонатора, вывод сброса. Контакты портов ввода-вывода могут быть использованы в качестве параллельных портов либо другими функциональными блоками, контакты которых объединены с контактами портов. Все выводы портов имеют индивидуальные подтягивающие резисторы. Для подключения этих резисторов с регистре SFIOR предусмотрен бит PUD.

Для повышения стабильности используется внешний тактовый генератор. Схема подключении приведена на рисунке.