AVR单片机的CPU内核结构及汇编语言

学单片机那么久了，感觉想要深入，还得看汇编语言，至少得了解单片机内部结构。

下面就以ATmega16为例，介绍一下AVR单片机结构和汇编语言。

AVR单片机的CPU内核结构

 

 

如上两图，左图是虚线框内AVR CPU的内核结构，右图是AVR单片机内核结构的方框图，可以看出AVR单片机的数据总线（CPU字长）是8位的，也就说它是8位单片机。

AVR采用了Harvard结构，具有独立的数据和程序总线，CPU在执行一条指令的同时，就将PC中指定的下一条指令取出，构成了一级流水线运行方式，实现了一个时钟周期执行一条指令，数据吞吐量高达1MIPS/MHz。

AVR CPU内核由几个重要的部分组成，它们分别是：

A.算数逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）

AVR ALU与32个通用工作寄存器直接相连。寄存器与寄存器之间、寄存器与立即数之间的ALU运算只需要一个时钟周期。ALU操作分为3类：算术、逻辑和位操作，此外还提供了支持无/有符号数和分数乘法的乘法器，操作结果的状态将影响到状态寄存器SREG（Status Register）。

B.程序计数器PC、指令寄存器和指令译码器

程序计数器PC用来存放下一条需要执行指令在程序存储器（ROM）空间的地址（指向FlashROM空间），取出的指令存放在指令寄存器中，然后送入指令译码器中产生各种控制信号，控制CPU的运行（执行指令）。

AVR一条指令的长度大多数为16位，还有少部分为32位，因此AVR的程序存储器结构实际上是以字（16位）为一个存储单元的。

ATmega16单片机的程序计数器为13位，正好满足了对片内8K字（及16K字节）的Flash程序存储器空间直接寻址的需要。

C.通用寄存器General Purpose Registers

在AVR中，由命名为R0~R31的32个8位通用工作寄存器构成一个“通用快速工作寄存器组”，为ALU提供操作数。它们的在RAM的映射空间地址是$0000~$001F，其中有6个寄存器（$001A-$001F）可以合并为3个16位间接寻址寄存器指针，分别被称为X寄存器，Y寄存器，和Z寄存器，用于对数据存储器（SRAM）进行间接寻址。

D.状态寄存器-SREG

状态寄存器SREG是一个8位标志寄存器，用来存放指令执行后的有关状态和结果的标志，各位状态通常是在指令执行过程中自动产生的，但也可以由用户根据需要用专用指令加以改变。

位7-I：全局中断使能位

当I位被置位时，表示CPU可以响应中断请求，反之，则所有中断被禁止。I位可以通过SEI和CLI指令来置位和清零，在中断发生后，I位由硬件清除，并由RETI（中断返回）指令置位。

位6-T：位拷贝存储

位拷贝指令BLD和BST利用T作为目的或源地址。BST把寄存器的某一位拷贝到T，而BLD把T拷贝到寄存器的某一位。

位5-H：半进位标志半进位标志H表示算术操作发生了半进位，此标志对于BCD运算非常有用。

位4-S：符号位S=N⊕V，S为负数标志N与2的补码溢出标志V的异或

位3-V：2的补码溢出标志，支持2的补码运算

位2-N：负数标志 表明算术或逻辑操作结果为负

位1-Z：零标志 表明算术或逻辑操作结果为零

位0-C：进位标志 表明算术或逻辑操作发生了进位

E.堆栈指针寄存器SP（Stack Point）

堆栈指针主要用来保存临时数据、局部变量和中断/子程序的返回地址。堆栈指针总是指向堆栈的顶部，AVR的堆栈是向下生长的，即新的数据推入堆栈时，堆栈指针的数值将减小。

处在I/O地址空间的&3E（$005E）和$3D（$005D）的两个8位寄存器构成了AVR单片机的16位堆栈指针寄存器SP，分别为SPH，SPL。

堆栈指针指向数据SRAM堆栈区，必须指向高于0x60的地址空间，所以通常初始化时将SP的指针设在SRAM最高处。

使用PUSH指令将数据推入堆栈时指针减一；而子程序或中断返回地址推入堆栈时指针将减二。

使用POP指令将数据弹出堆栈时，堆栈指针加一；而用RET或RETI指令从子程序或中断返回时堆栈指针加二。