Способы адресации памяти данных
Микроконтроллеры поддерживают 8 способов адресации для доступа к различным областям памяти данных (РОН, РВВ,ОЗУ).
Вообще говоря, в действительности способов адресации всего два: прямая адресация и косвенная. Однако каждый способ адресации имеет несколько разновидностей в зависимости от того, к какой области памяти производится обращение (при прямой адресации) или какие дополнительные действия выполняются над индексным регистром (при косвенной адресации).
Прямая адресация
При прямой адресации адреса операндов содержатся непосредственно в слове команды. В соответствии со структурой памяти данных существуют следующие разновидности прямой адресации: прямая адресация одного РОН, прямая адресация двух РОН, прямая адресация РВВ, прямая адресация ОЗУ.
Косвенная адресация
При использовании команд косвенной адресации с постинкрементом после обращения по адресу, который находится в индексном регистре, содержимое индексного регистра увеличивается на 1.
Адресация ОЗУ
Микроконтроллеры семейства поддерживают 6 команд (по 2 для каждого индексного регистра) косвенной адресации с постинкрементом: LDRd, X+/Y+/Z+ (пересылка байта из ОЗУ в РОН) и STX+/Y+/Z+, Rd (пересылка байта из РОН в ОЗУ). Адрес регистра общего назначения содержится в разрядах 8... 4 слова команды.
Энергонезависимая память данных (EEPROM)
Все микроконтроллеры семейства Mega имеют в своем составе энергонезависимую память (EEPROM-память). Объем этой памяти 512 байт. EEPROM-память расположена в своем адресном пространстве и так же, как и ОЗУ, организована линейно. Для работы с EEPROM-памятью используются три регистра ввода/вывода: регистр адреса, регистр данных и регистр управления.
Регистр адреса
Регистр адреса EEPROM-памяти EEAR (EEPROMAddressRegister) физически размещается в двух РВВ EEARH:EEARL, расположенных по адресам $1F (S3F) и $1Е ($ЗЕ) соответственно. В этот регистр загружается адрес ячейки, к которой будет производиться обращение. Регистр адреса доступен как для записи, так и для чтения. При этом в регистре EEARH задействуются только младшие разряды (количество задействованных разрядов зависит от объема EEPROM-памяти). Незадействованные разряды регистра EEARH доступны только для чтения и содержат «О».
Регистр данных
Регистр данных EEPROM-памяти EEDR (EEPROMDataRegister) расположен по адресу $1D ($3D). При записи в этот регистр загружаются данные которые должны быть загружены в EEPROM. При чтении помещаются данные считанные из EEPROM.
Регистр управления
Регистр управления EEPROM-памяти EECR (EEPROMcontrolRegister) расположен по адресу $1С ($3C). Этот регистр используется для управления доступом к EEPROM-памяти
Прерывания
Общие сведения
Прерывание прекращает нормальный ход программы для выполнения приоритетной задачи, определяемой внутренним или внешним событие» микроконтроллера. При возникновении прерывания микроконтроллер сохраняет в стеке содержимое счетчика команд PC и загружает в него адрес соответствующего вектора прерывания. По этому адресу, как правило, находится команда безусловного перехода к подпрограмме обработки прерывания. Последней командой подпрограммы обработки прерывания должна быть команда RETI, которая обеспечивает возврат в основную программу и восстановление предварительно сохраненного счетчика команд.
Поскольку источниками прерываний, в частности, являются различные периферийные устройства микроконтроллеров, количество прерываний зависит от конкретной модели.
Таблица векторов прерываний
Как и все микроконтроллеры AVR, микроконтроллеры семейства Mega имеют многоуровневую систему приоритетных прерываний. Младшие адреса памяти программ начиная с адреса $0001 отведены под таблицу векторов прерывания. Каждому прерыванию соответствует адрес в этой таблице, который загружается в счетчик команд при возникновении прерывания. Положение вектора в таблице также определяет и приоритет соответствующего прерывания: чем меньше адрес, тем выше приоритет прерывания. Размер вектора прерывания зависит от объема памяти программ микроконтроллера и составляет 1 байт. Соответственно для перехода к подпрограммам обработки прерываний используются команды RJMP.
Таблица может располагаться не только и начале памяти программ, а также и в начале области загрузчика. Причем перемещение таблицы может быть осуществлено непосредственно в ходе выполнения программы.
Управление размещением таблицы прерываний осуществляется двумя младшими разрядами регистров GICR: IVSEL (1-й разряд) и IVSE (0-й разряд). Состояние флага IVSEL определяет положение таблицы в памяти программ. Если флаг сброшен в «О», таблица векторов прерываний располагается в начале памяти программ, если флаг установлен в «1» — в начале области загрузчика. Конкретное значение начального адреса области загрузчика зависит от установок конфигурационных ячеек BOOTSZ1 и BOOTSZO. Разряд IVСЕ предназначен для разрешения изменения флага IVSEL.
Для изменения положения таблицы векторов прерываний необходимо установить разряд IVСЕ в «1» и затем в течение следующих четырех машинных циклов занести требуемое значение в разряд IVSEL. При этом разряд IVCE сбрасывается в «О». В противном случае разряд IVСЕ будет сброшен аппаратно по истечении четырех машинных циклов, запрещая дальнейшее изменение флага IVSEL.
На время выполнения описанной последовательности прерывания автоматически запрещаются и разрешаются только после сброса флага IVCE. Состояние флага I регистра SREG при этом не меняется. Если прерывания в работе микроконтроллера не предусматриваются, то на месте таблицы векторов прерываний может быть размещена часть основной программы
Счетчик команд и выполнение программы
Счетчик команд
Счетчик команд представляет собой регистр, в котором содержится адрес следующей исполняемой команды. Напрямую из программы он недоступен. Размер счетчика команд зависит от объема имеющейся памяти программ и составляет 12 разрядов.
При нормальном выполнении программы содержимое счетчика команд автоматически увеличивается на 1 или на 2 (в зависимости от выполняемой команды) в каждом машинном цикле. Этот порядок нарушается при выполнении команд перехода, вызова и возврата из подпрограмм, а также при возникновении прерываний.
После включения питания, а также после сброса микроконтроллера в счетчик программ автоматически загружается стартовый адрес $0000 или начальный адрес сектора загрузчика. Как правило, по этому адресу располагается команда безусловного перехода к инициализационной части программы.
При возникновении прерывания в счетчик команд загружается адрес соответствующего вектора прерывания. Если прерывания используются в программе, по адресам векторов прерываний должны размещаться команды перехода к подпрограммам обработки прерываний.
Как и во всех микроконтроллерах AVR, в микроконтроллерах семейства Mega используется конвейерная обработка команд.
Абсолютный вызов подпрограммы — команда CALL
При выполнении команды после сохранения в стеке текущего значения счетчика команд в последний загружается число, являющееся операндом команды. С помощью этой команды можно осуществлять вызов в пределах всего адресного пространства имеющихся на сегодняшний день микроконтроллеров AVR.
Команда абсолютного вызова подпрограмм выполняется за 4 машинных цикла.
Косвенный вызов подпрограммы — команда ICALL
Команда ICALL сначала сохраняет в стеке значение счетчика команд. Затем в счетчик команд загружается содержимое индексного регистра. Максимально возможная величина перехода составляет 64К слов (128 Кбайт), поэтому данная команда также не имеет ограничений по области действия.
Как и команда RCALL, команда косвенного вызова подпрограмм выполняется за 3 машинных цикла.
Команды возврата из подпрограмм
В конце каждой подпрограммы обязательно должна находиться команда возврата из нее. В системе команд микроконтроллеров семейства имеется две таких команды. Для возврата из обычной подпрограммы, вызываемой командой RCALL, используется команда RET. Для возврата из подпрограммы обработки прерывания используется команда RETI.
Обе команды восстанавливают из стека содержимое счетчика команд, сохраненное там перед переходом к подпрограмме. Команда возврата из подпрограммы RETI дополнительно устанавливает в «1» флаг общего разрешения прерываний I регистра SREG, сбрасываемый аппаратно при возникновении прерывания.
На выполнение каждой из команд возврата из подпрограммы требуется 4 машинных цикла.
Стек
Во всех микроконтроллерах семейства стек реализован программно. Он размещается в памяти данных, и его глубина определяется только размером свободной области памяти программ. В качестве указателя стека во всех моделях используется пара регистров ввода/вывода SPH:SPL, расположенных по адресам $ЗЕ ($5Е) и $3D ($5D) соответственно. Так как после подачи напряжения питания (или после сброса) в регистрах содержится нулевое значение, в самом начале программы указатель стека необходимо проинициализировать, записав в него значение верхнего адреса памяти данных.
При вызове подпрограмм адрес команды, расположенной за командой вызова, сохраняется в стеке. Значение указателя стека при этом уменьшается на 2, т. к. для хранения счетчика команд требуется 2 байта. При возврате из подпрограммы этот адрес извлекается из стека и загружается в счетчик команд. Значение указателя стека соответственно увеличивается на 2. То же происходит и во время прерывания. При генерации прерывания адрес следующей команды сохраняется в стеке, а при возврате из подпрограммы обработки прерывания он восстанавливается из стека.