AVR架构框图

关键概念

  1. 哈佛架构：
    • 哈佛架构是一种将 指令（程序代码） 和 数据 存储在独立的存储空间中的计算机体系结构。这种架构允许同时访问指令和数据，从而提高处理性能。
  2. 数据总线（8位）：
    • 图中显示了一个8位的数据总线。这意味着微控制器一次可以处理8位的数据。

除了哈佛架构外，另一个常见的计算机架构是 冯·诺依曼架构（Von Neumann Architecture）。以下是这两种架构的对比表格：

特性 哈佛架构 冯·诺依曼架构
内存结构 指令存储和数据存储分开 指令和数据存储在同一个内存空间
总线 有独立的数据总线和指令总线 共享一个单一的总线用于数据和指令
并行性 可以同时读取指令和数据，提高效率 指令和数据需排队处理，可能会影响性能
复杂度 设计较复杂，需要更多的硬件资源 设计相对简单，硬件需求较少
成本 硬件资源多，成本通常较高 硬件简单，成本较低
数据吞吐量 数据和指令可以同时传输，吞吐量高 数据和指令通过同一总线传输，可能导致瓶颈
缓存 通常有指令缓存和数据缓存 通常只有一个通用缓存
典型应用 应用于需要高性能的嵌入式系统 适用于一般计算任务和传统计算机架构
例子 AVR、DSPs、ARM Cortex-M 系列 传统PC、微处理器（如x86架构）

总结

  • 哈佛架构：指令和数据分离，能够并行处理，提高性能，但设计复杂，成本较高。常用于嵌入式系统和数字信号处理等需要高效数据处理的领域。
  • 冯·诺依曼架构：指令和数据共享同一存储器和总线，设计简单，成本低，但可能存在性能瓶颈。广泛用于传统计算机和普通处理器。

主要组件解释

  1. Flash程序存储器：
    • 这是用于存储程序代码的非易失性存储器。即使断电，Flash存储器中的数据也不会丢失。
  2. 程序计数器（Program Counter）：
    • 程序计数器是一个特殊的寄存器，用于保存下一条将被执行的指令的地址。它用于按顺序从Flash存储器中获取程序指令。
  3. 指令寄存器和解码器：
    • 指令寄存器暂时存储从Flash存储器中获取的指令。
    • 指令解码器解释这条指令，并决定微控制器应采取的操作。
  4. 通用寄存器（32 x 8）：
    • AVR架构中有一组 32个通用寄存器，每个寄存器都是8位宽，用于在计算过程中临时保存数据。
    • 这些寄存器使数据操作和算术运算更高效。
  5. 算术逻辑单元（ALU）：
    • ALU负责执行算术运算（如加减法）和逻辑运算（如AND、OR、NOT）。运算结果会存储回通用寄存器。
  6. 数据SRAM（静态RAM）：
    • SRAM用于临时数据存储。与Flash存储器不同，SRAM在断电时会丢失数据。
  7. EEPROM：
    • EEPROM是一种非易失性存储器，即使断电也能保存数据。通常用于存储需要在电源关闭后保留的少量数据（例如配置设置）。
  8. I/O模块和线路：
    • 图中展示了多个I/O模块和I/O线路。这些是微控制器与外部设备（如传感器、LED、通信模块等）进行交互的接口。
  9. 中断单元（Interrupt Unit）：
    • 中断单元是嵌入式系统中的一个重要功能，允许微控制器在响应外部或内部事件（如计时器达到特定值）时暂停当前任务，去执行其他任务。
  10. SPI单元（串行外围接口）：
    • SPI是一种通信协议，用于在短距离内连接微控制器与外围设备（如传感器或存储卡）。它是一种同步串行通信方式。
  11. 看门狗计时器（Watchdog Timer）：
    • 这是一种安全功能，如果检测到软件无响应或进入死循环时，看门狗计时器会重置微控制器。
  12. 模拟比较器（Analog Comparator）：
    • 这个模块比较两个模拟输入电压，并生成一个数字信号来指示哪个电压较高。通常用于阈值检测等应用。

控制流与寻址方式

直接寻址和间接寻址：

  • 在 直接寻址 中，指令会直接指定数据的内存地址。
  • 在 间接寻址 中，寄存器保存了数据的地址，从而提供了更灵活的内存访问方式。

1. 直接寻址

  • 定义：在直接寻址中，指令会直接提供数据所在的内存地址。
  • 类比：就好像你在书的目录里找到了一个页面的确切页码，然后你直接翻到那个页码去获取内容。
  • 例子：假设一条指令是 LOAD A, 1000，它的意思是从内存地址 1000 读取数据，然后放入寄存器 A。这里的 1000 是明确指定的内存地址，所以称为直接寻址。

2. 间接寻址

  • 定义：在间接寻址中，指令中提供的是一个寄存器或内存单元的地址，这个地址再指向真正的数据位置。
  • 类比：就好像你在书的目录里找到了一段描述，而这段描述指引你去另一个地方去拿到书的页码，最后你再根据这个页码去找内容。
  • 例子：假设一条指令是 LOAD A, (R1)，其中 R1 是一个寄存器，寄存器 R1 里保存的是 1000 这个地址。所以这条指令的意思是从寄存器 R1 里取出地址 1000，然后再去这个地址获取数据，最后放入寄存器 A。这里的地址是“间接”获取的，所以称为间接寻址。

对比总结

  • 直接寻址：指令直接告诉你数据在哪个内存地址。
    • 优点：简单、快速。
    • 缺点：灵活性较差，因为地址是固定的。
  • 间接寻址：指令通过一个中间地址来找到数据的实际位置。
    • 优点：灵活，可以动态改变数据位置。
    • 缺点：稍微复杂，需要额外的一步来获取最终地址。