Однокристальные RISC- контроллеры AVR

Однокристальные AVR-микроконтроллеры – высокопроизводительные RISC- контроллеры общего назначения. Созданы группой разработчиков фирмы Atmel Corp. (Норвегия); инициалы разработчиков сформировали марку AVR. Широкая номенклатура AVR позволяет пользователю выбрать микроконтроллер с минимальной аппаратной избыточностью, следовательно, наименьшей стоимости. В данное время в серийном производстве находятся три семейства AVR – Tiny, Classic и Mega. МК Tiny – наиболее дешевые и простые, Mega – наиболее мощные, Classic занимают промежуточное место. Сейчас выпуск линии Classic прекращен, наиболее совершенные МК линии "классик" после небольшой модификации переведены в линию Mega.

Гарвардский процессор реализует полное логическое и физическое разделение не только адресных пространств, но и информационных шин для обращения к памяти программ и к памяти данных, причем способы адресации и доступа к этим массивам памяти также разные. Подобное построение уже более близко к структуре цифровых сигнальных процессоров и обеспечивает повышение производительности. Процессор работает одновременно как с памятью программ, так и с памятью данных; разрядность шины памяти программ – 16 бит. В МК AVR используется технология конвейеризации, вследствие чего цикл "выборка – выполнение" команды существенно сокращен. Так, у МК семейства MCS-51 короткая команда выполняется за 12 тактов генератора (1 машинный цикл), за который процессор последовательно считывает код операции и выполняет ее. В PIC-контроллерах фирмы Microchip, где реализован конвейер, короткая команда выполняется на протяжении 8 периодов тактовой частоты (2 машинных цикла). За это время последовательно дешифруется и считывается код операции, выполняется команда, фиксируется результат и одновременно считывается код следующей операции (одноуровневый конвейер). В общем потоке команд одна короткая команда реализуется за 4 периода тактовой частоты (за один машинный цикл). В МК AVR тоже используется одноуровневый конвейер и короткие команды в общем потоке выполняется, как и в PIC-контроллерах, за один машинный цикл. Отличие заключается в том, что цикл в МК AVR составляет всего один период тактовой частоты.

В целом, прогрессивная RISC-архитектура AVR в соединении с наличием регистрового файла и расширенной системы команд позволяет создавать компактные программы с высокой скоростью выполнения. AVR – лучшие по соотношению "производительность – энергопотребление – цена".

Рис. Архитектура микроконтроллера AT90S8535

Регистровый файл SRAM занимает младшие 32 байта в общем адресном пространстве ОМК (рис.). Шесть из 32-х регистров файла могут использоваться как три 16-разрядных указателя адреса при косвенной адресации данных. Один из этих указателей (Z Pointer) применяется также для доступа к данным, записанным в памяти программ микроконтроллера. Использование трех 16-битных указателей (X, Y и Z Pointers) существенно повышает скорость пересылки данных при работе прикладных программ.

Рис. – Регистровый файл

Память программ. Все AVR- МК имеют Flash-память программ, которая может быть загружена как с помощью обычного программатора в параллельном формате, так и с помощью SPI- интерфейса, в том числе непосредственно на плате. Число циклов перезаписи – не менее 1000. Некоторые версии МК Mega имеют возможность самопрограммирования, т.е. микроконтроллер способен самостоятельно, без внешнего программатора, изменять содержимое ячеек памяти программ. Это дает возможность записать во внешнюю энергонезависимую память несколько рабочих версий программы, а потом при необходимости или по реакции на логические условия перегружать рабочие программы в тот же микроконтроллер AVR без извлечения его из печатной платы. Для этого весь массив памяти программ делится на две неравные по объему области: блок загрузчика (программа, которая управляет перезаписью Flash-памяти программ) и блок для размещения рабочих программ. Программа- загрузчик создается разработчиком и должна быть запрограммирована внешним программатором.

Память данных. Все AVR- МК имеют энергонезависимую память данных с электрическим стиранием EEPROM. Этот тип памяти используется для хранения промежуточных данных, констант, таблиц перекодировок, калибровочных коэффициентов и т.п. Данные в EEPROM могут быть загружены как через SPI- интерфейс, так и с помощью обычного программатора. Число циклов перезаписи – не меньше 100 000. Два программируемых бита защиты информации позволяют защитить память программ и энергонезависимую память данных EEPROM от несанкционированного считывания.

Внутренняя оперативная память SRAM есть во всех AVR семейств Classic и Mega и в новом кристалле семейства Tiny – ATtiny26/L. Для некоторых МК возможно подключение внешней памяти данных объемом до 64 Кбайт.

Число независимых линий портов ввода/ вывода – от 3 до 53. Каждый разряд порта может быть запрограммирован на ввод или вывод информации. Мощные выходные драйверы обеспечивают токовую нагрузочную возможность 20 мА по линии порта при максимальном значении 40 мА. Общая токовая нагрузка на все линии одного порта не должна превышать 80 мА (для V_dd = 5 В).