本節(jié)從總體上討論ATmega88 AVR 內(nèi)核的結(jié)構(gòu)。CPU 的主要任務(wù)是保證程序的正確執(zhí)行。因此它必須能夠訪問存儲器、執(zhí)行運(yùn)算、控制外設(shè)以及處理中斷。
結(jié)構(gòu)綜述Figure 3. AVR 結(jié)構(gòu)的方框圖
為了獲得最高的性能以及并行性， AVR 采用了Harvard 結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲器里的指令通過一級流水線運(yùn)行。CPU 在執(zhí)行一條指令的同時讀取下一條指令( 在本文稱為預(yù)取)。這個概念實(shí)現(xiàn)了指令的單時鐘周期運(yùn)行。程序存儲器是可以在線編程的FLASH。
快速訪問寄存器文件包括32 個8 位通用工作寄存器，訪問時間為一個時鐘周期。從而實(shí)現(xiàn)了單時鐘周期的ALU 操作。在典型的ALU 操作中，兩個位于寄存器文件中的操作數(shù)同時被訪問，然后執(zhí)行運(yùn)算，結(jié)果再被送回到寄存器文件。整個過程僅需一個時鐘周期。
寄存器文件里有6 個寄存器可以用作3 個 16位的間接尋址寄存器指針以尋址數(shù)據(jù)空間，實(shí)現(xiàn)高效的地址運(yùn)算。其中一個指針還可以作為程序存儲器查詢表的地址指針。這些附加的功能寄存器即為16 位的X、Y、Z 寄存器。
ALU支持寄存器之間以及寄存器和常數(shù)之間的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。ALU也可以執(zhí)行單寄存器操作。運(yùn)算完成之后狀態(tài)寄存器的內(nèi)容得到更新以反映操作結(jié)果。
程序流程通過有/ 無條件的跳轉(zhuǎn)指令和調(diào)用指令來控制，從而直接尋址整個地址空間。大多數(shù)指令長度為16 位，亦即每個程序存儲器地址都包含一條16 位或32 位的指令。
程序存儲器空間分為兩個區(qū)：引導(dǎo)程序區(qū)(Boot 區(qū)) 和應(yīng)用程序區(qū)。這兩個區(qū)都有專門的鎖定位以實(shí)現(xiàn)讀和讀/ 寫保護(hù)。用于寫應(yīng)用程序區(qū)的SPM 指令必須位于引導(dǎo)程序區(qū)。
在中斷和調(diào)用子程序時返回地址的程序計(jì)數(shù)器(PC) 保存于堆棧之中。堆棧位于通用數(shù)據(jù)SRAM，因此其深度僅受限于SRAM 的大小。在復(fù)位例程里用戶首先要初始化堆棧指針SP。這個指針位于I/O 空間，可以進(jìn)行讀寫訪問。數(shù)據(jù)SRAM 可以通過5 種不同的尋址模
式進(jìn)行訪問。
AVR 存儲器空間為線性的平面結(jié)構(gòu)。
AVR具有一個靈活的中斷模塊。控制寄存器位于I/O空間。狀態(tài)寄存器里有全局中斷使能位。每個中斷在中斷向量表里都有獨(dú)立的中斷向量。各個中斷的優(yōu)先級與其在中斷向量表的位置有關(guān)，中斷向量地址越低，優(yōu)先級越高。
I/O I/O 存儲器 64 個可以直接尋址的地址，作為 CPU 外設(shè)的控制寄存器、SPI，以及其他 I/O 功能。映射到數(shù)據(jù) 0x20 - 0x5F。此外，ATmega88 還有位于SRAM地址0x60 - 0xFF的擴(kuò)展I/O空間，這些地址只能使用ST/STS/STD 和 LD/LDS/LDD 指令來訪問。
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