AVR汇编（二）：AVR架构介绍

ATmega328P介绍

ATmega328P是Atmel公司（现Microchip公司）推出的一个基于AVR架构的高性能低功耗单片机，拥有32KB的Flash、1KB的EEPROM以及2KB的SRAM等资源，具体如下表：

如下图所示，ATmega328P的AVR核心通过数据总线与各个外设相连，另外也可以发现AVR采用的是哈佛架构，Flash和SRAM相互独立，通过不同的总线与AVR核心相连。

AVR内存空间

AVR内核包含两块内存空间：数据空间（data memory）和程序空间（program memory），另外，ATmega328P还包含额外用于数据存储的EEPROM空间（EEPROM memory）。

Program Memory

ATmega328P的程序指令存储在片上的32KB Flash中，由于AVR指令都是16位或32位的，因此Flash是以16位（1个字）为单元组织的，即16Kx16bit，地址空间为0x0000~0x3FFF。

ATmega328P的程序空间分为两个部分：Application和Bootloader。Bootloader存放在高地址处，大小可以通过fuse相关位进行配置，有256/512/1024/2048字4种选择。

可以通过 LPM 指令访问整个程序空间。

Data Memory

ATmega328P的数据空间大小为2303字节，由4个部分组成：

• 寄存器堆：包含32个通用寄存器。
  • 通过 MOV / MOVW 指令访问，地址为0x00~0x1F。
• I/O空间：包含64个I/O寄存器。
  • 通过 IN / OUT 指令访问时，I/O空间独立编址到0x00~0x3F；
  • 通过 LD / LDS / LDD / ST / STS / STD 访问时，地址为I/O地址+0x20；
  • I/O地址为0x00~0x1F的寄存器支持位寻址，可以通过 SBI / CBI / SBIS / SBIC 指令访问。
• 扩展I/O空间：包含160个扩展I/O寄存器。
  • 只能通过 LD / LDS / LDD / ST / STS / STD 指令访问。
• SRAM空间：2KB，地址从0x0100开始。

数据空间支持5种寻址方式：

• 直接寻址（direct）；
• 间接寻址（indirect）；
• 带偏移的间接寻址（indirect with displacement）；
• 带前自减的间接寻址（indirect with pre-decrement）；
• 带后自增的间接寻址（indirect with post-increment）。

对SRAM的访问需要耗费2个CPU周期。

EEPROM Memory

ATmega328P拥有1KB的EEPROM空间，能够对其进行单字节的读写操作，需要通过 EEARH 、 EEARL 、 EEDR 、 EECR 寄存器进行访问。

AVR内核

如下图所示，AVR内核采用哈佛架构，程序空间和数据空间相互独立。指令以单级流水线方式执行，执行一条指令的同时预取出下一条指令。

AVR内核由ALU（算术逻辑单元）、 SREG （状态寄存器）、通用寄存器堆、 SP （最栈指针）、 PC （程序计数器）构成。

ALU能够以单周期的时间对32个通用寄存器进行算术、逻辑、位操作，一些实现中还支持乘法运算。

通用寄存器堆支持以下4种操作：

• 1个8位操作数，1个8位结果；
• 2个8位操作数，1个8位结果；
• 2个8位操作数，1个16位结果；
• 1个16位操作数，1个16位结果。

其中，只有 r16 至 r31 支持立即数寻址，r26 至 r31 可以两两组合为索引寄存器 X 、 Y 、 Z ，供间接寻址时使用。

SREG （状态寄存器）包含8个标志位：

SP （堆栈指针）位于I/O空间，用于存储局部变量、中断和子程序的返回地址。堆栈从地址高处往低处增长， SP 指向下一个可用的位置（即空减栈）。

PC （程序计数器）指向下一条执行指令的地址。ATmega328P的 PC 为14位宽度，由于Flash存储单元是16位宽，所以可以寻址2^14=16K个字（即32KB）。上电时， PC 的值为0x0000。

参考资料

1. ATmega328P Datasheet
2. Programming and Interfacing ATMEL's AVRs