Architektur

Der AVR hat einen internen 8-Bit Daten-Bus, durch den Daten zwischen der arithmetisch-logischen Einheit (ALU), dem Status Register (SREG), dem Befehlszähler (PC), dem Random-Access-Memory (SRAM), und den Peripherieschnittstellen bewegt werden können. Das Programm, eine Reihe an Befehlen, die in der ALU ausgeführt werden, resultiert aus einer Adresse im Flash-Speicher, spezifiziert vom Befehlszähler. Der ALU hat 32 8-bit Mehrzweckregister, welche als Operanden genutzt werden, wenn Befehle ausgeführt werden.

Block diagram of ATmega128

Der AVR hat eine zweistufige Befehls-Pipeline. Während ein Befehl ausgeführt wird, wird der nächste aus dem Programmspeicher geholt. Darum sind beim Ausführen einer „Jump-Instruction“ zwei Takte notwendig, um die Bedingungen des Jumps zu erfüllen. Neue Befehle werden immer von der nächsten Speicheradresse geholt. Dadurch ist es notwendig die vorherigen Befehle zu löschen und neue zu laden, wenn man zu einer neuen Adresse springt, da der Ort an dem der Befehl geholt wurde nun nicht mehr stimmt.

Mehrzweckregister R0-R31 sind wie Buffer, um mit Speicher- und Peripheriedaten zu arbeiten und sie zu speichern. Sie vereinfachen die Architektur des Prozessors, weil sie schnellen Zugang der ALU erlauben und der Datenbus nicht immer benutzt werden muss um Operanden aus dem Speicher zu lesen. Mehrzweckregister werden für alle datenbezogenen arithmetischen und logischen Abläufe benutzt.

Wenn man in Assembler programmiert, ist es möglich die benötigten Daten im Mehrzweckregister zu speichern. Programmiert man in C und muss eine Variable im Mehrzweckregister speichern, wird die Variable zusätzlich als „Register“ definiert. Zum Beispiel:

register char x;

Der Befehlssatz der meisten AVRs besteht aus 90-133 verschiedenen Befehlen. Der ATmega128 hat 133 Befehle. Befehle haben entweder ein, zwei, oder keine Operanden. Die meisten Befehle benötigen nur einen Takt zur Ausführung, komplexere Befehle können jedoch bis zu fünf Taktzyklen benötigen. Für den XMega, den Nachfolger des AVR, wurden viele Befehle modifiziert, damit weniger Taktzyklen genutzt werden. Die meisten Befehle im AVR werden benutzt für Jumps, um Daten zu bewegen und zu vergleichen und um arithmetische Berechnungen auszuführen. Ein Status-Register wird genutzt um Berechnungen und Vergleiche auszuführen. Es speichert den Output-Status der ALU - ob das Ergebnis negativ, positiv, null, den maximal erlaubten Wert (8 Bits) überschreitet, oder einen Bit in die nächste Operation transferieren muss, usw. (Es gibt noch ein paar kompliziertere Fälle).

ldi  r1, 5       ; Lädt die Konstante 5 in das Mehrzweckregister r1
lds  r2, $100    ; Lädt das Byte aus dem Speicher in das Register r2
add  r2, r1      ; Fügt den Wert von r1 zu r2 hinzu
sts  $100, r2    ; Schreibt den Wert von r2 zurück in den Speicher

Ein Stapelspeicher (stack) ist eine Datenstruktur, bei der der letzte in den Speicher geschriebene Wert, als erstes ausgelesen wird. Die Stacks im AVR können genutzt werden, wenn man mit Subroutinen, Interrupts und temporären Daten arbeitet. Bevor eine Subroutine oder ein Interrupt ausgeführt wird, speichert der Stack die Adresse im Befehlszähler, bei welcher das Programm unterbrochen wurde. Wenn die Subroutine oder der Interrupt ausgeführt wurde, wird die Adresse wieder aus dem Stack gelesen, und das Programm fährt von der Adresse vor der Unterbrechung wieder fort. Das Speichern temporärer Daten im Stack wird normalerweise dann genutzt, wenn man mit kleineren Stücken Code arbeitet, welche keinen reservierten Speicher während ihrer Ausführung benötigen. Einfache Assembler Programme werden normalerweise so geschrieben, dass es nicht notwendig ist, den Stack zu nutzen, aber wenn das Programm viele Variablen und Funktionen enthählt, verwendet der Compiler den Stack automatisch.

Der Stack der MegaAVR-Serie ist physikalisch im Random-Access-Memory zu finden. Einige Modelle der tinyAVR-Serie besitzen jedoch keinen Random-Access-Memory sodass der Stack hier durch eine kleine, separate und begrenzte Speichereinheit realisiert. Normalerweise gibt es keinen Compiler für Modelle ohne Random-Access-Memory.

Um in einer hochleveligen Sprache zu programmieren (Pascal, C, C++), ist es nicht notwendig, sich mit der inneren Arbeitsweise eine Mikrocontrollers zu beschäftigen, da der Compiler in diesem Fall Mehrzweckregister und Befehle selbst auswählen kann. Es kann jedoch nur von Vorteil sein, zu wissen was in einem Mikrocontroller abläuft. Es ist notwendig die Befehle des Mikrocontrollers genau zu kennen, wenn man zeitkritische Applikationen entwickelt, bei denen die Operationen in einer begrenzten Anzahl an Taktzyklen beendet sein müssen.