Inhalte der Vorlesung Mikrocomputertechnik - Elektrotechnik

Inhalte der Vorlesung Mikrocomputertechnik
Prof. Dr. R. Arnold
ausgegeben am 12.4.2007
3 Mikrocontroller der AVR-Serie von Atmel
In diesem Abschnitt wird speziell auf die noch recht junge und inzwischen weit verbreitete AVR-Controllerfamilie
von der Firma Atmel eingegangen. An diesem Controller soll exemplarisch die Benutzung und die Programmierung
von Mikrocontrollern geübt werden. In manchen Fällen werden Bezüge zu anderen Controllerfamilien
hergestellt. Konkrete Angaben, die Controllerdetails beschreiben beziehen sich, wenn
nichts anderes gesagt wird, auf den Controller ATtiny2313 der AVR-Familie. Er ist klein genug, um den
Überblick der zu behalten und großgenug, um die erforderlichen Resourcen zur Verfügung zu stellen. In
den folgenden Abschnitten beziehe ich mich mehrfach auf das Datenblatt (datasheet) und den Befehlssatz
(instruction set) des Controllers. Beides wird von der Firma Atmel im Internet kostenfrei zur Verfügung
gestellt und kann unter folgenden Adressen heruntergeladen werden:
1. Datenblatt des ATtiny2313 AVR Mikrocontrollers:
2. Befehlssatz der AVR Controllerfamilie:
3.1 Überblick über Rechenwerk und Befehlssatz
3.1.1 Das Rechenwerk des Controllers
Der Controller besitzt eine Harvard Struktur, hat also getrennte Daten- und Programmspeicher. Der
Controllerkern besitzt (s.a. Datenblatt Seite 9 bis 13)
1. 3 controllerinterne Register mit genau festgelegten Funktionen, nämlich das Statusregister SREG
(8-Bit), den Programmcounter PC (16-Bit) und den Stackpointer SP (16-Bit),
2. 32 GPR-Register zur freien Verwendung (GPR, general purpose register). Einige dieser 32 GPR-
Register haben genau de…nierte Sonderfunktionen und
3. ein Rechenwerk (ALU, arithmetic logic unit) mit einer zweistu…gen Pipeline.

3.1.2 Der Befehlssatz des Controllers
Es handelt sich um eine optimierten RISC-Befehlssatz (s.a. Datenblatt Seite 217 bis 218 und die
Dokumentation des AVR-Befehlssatzes) mit folgenden Eigenschaften:
1. strenge Trennung zwischen Rechenbefehlen (arithmetic and logic instruction) und Ein-
Ausgagebefehlen (data transfer instruction). Gerechnet kann grundsätzlich nur in den CPUinternen
32 Bit Registern. Externe Speicherinhalte müssen zuerst durch Ladebefehle (load instruction)
in die Register transferiert werden, um diese zu bearbeiten. Nachder Bearbeitung
kann das Ergebnis wieder durch Speicherbefehle (store instruction) von den Registern in die
externen Speicher zurückgeschrieben werden.
2. vielfältige Sprungbefehle (branch instruction)
3. Befehle für den bitweisen Zugri¤ und zum Testen einzelner Bits (bit and bit-test
instruction)
4. Befehle zur Steuerung der CPU (MPU control instruction)
3.1.3 Programmspeicher des Controllers
Wie wir schon wissen, besitzen die Controller der AVR-Serie getrennte Programm- und Datenspeicher
(Harvard Architektur). Da das Programm während des Programmablaufs nicht geändert wird, ist der
Programmspeicher als ROM-Speicher zu betrachten, der einmal programmiert wird und dann die programmierten
Befehle abarbeitet. Zudem ist es vorteilhaft, wenn das einmal eingeschriebene Programm
beim Ausfall der Betriebsspannung erhalten bleibt (nicht ‡üchtiger Speicher) Deshalb ist der Programmspeicher
als EEProm (elektrisch programmierbares EProm) aufgebaut, der, einmal programmiert, die

Daten nahezu unbegrenzte Zeit hält. Da sich während des Programmablaufs wie ein ROM-Speicher verhält,
gibt es keine Möglichkeit und damit auch keine Maschinenbefehle, um per Programm, Daten in
den Programmspeicher zu schreiben. Allerdings kann jede einzelne Speicherstelle (16-Bit Zugri¤) des
Programmspeichers durch den Assemblerbefehl LPM (Load Program Memory) ausgelesen werden, so
dass konstante Zahlenwerte und Zeichenketten im Programmspeicher abgelegt werden können.
AVR-Controller werden mit den unterschiedlichste Programmspeichertiefe geliefert. Der Controller, der
im Praktikum verwendet wird (ATtiny2313) hat eine Programmspeichertiefe von 1024 (wird oft auch als
1kBit bezeichnet) und eine Speicherbreite von 16 Bit. Die niedrigste Adresse und damit der Startpunkt
eines jeden Programms beim Einschalten und nach einem Reset ist 0x00 (0 dezimal)und die größte
Adresse ist 0x3FF (1023 dezimal). Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau des Programmspeichers:
3.1.4 Der erweiterte Datenspeicher
Unter den Begri¤ des Datenspeichers werden 3 verschiedene Speicherbereiche, nämlich die Register (Bestandteil
der CPU), der I/O-Bereich und der SRAM-Bereich (Datenspeicher im engeren Sinne), zusammengefaßt
und durchgängig, beginnend mit 0x00 bis 0xDF adressiert. Obwohl die Register physikalisch
der CPU zugeordnet sind, werden sie in die durchgängige Adressierung des erweiterten Datenspeichers mit
einbezogen, was gewisse Vorteile für den Anwerden bringt aber zunächst etwas undurchsichtig erscheint.
Die Register haben nach dieser Adressierungsweise die Adressen von 0x00 bis 0x1F (32 Speicherplätze)
im erweiterten Datenspeicherbereich. Danach sind im Adressbereich 0x20 bis 0x5F (64 Speicherplätze)
die I/O spezi…schen Register und dann, nämlich im Adressbereich 0x60 bis 0xDF (128 Speicherplätze),
der eigentliche interne SRAM-Datenspeicher angeordnet. Situationen wie hier, dass Speicherbereiche
zusammenhängend erscheinen, aber physikalisch nicht zusammenhängend aufgebaut sind, …ndet man bei
Prozessoren und Controllern nicht selten; man bezeichnet dies auch als Memory mapping. Man kann
das sehr gut mit dem Telefonnetz einer Firma vergleichen. Die einzelnen Telefonnummern erscheinen
für jemand, der die von außen anruft, geordnet, obwohl benachbarte Telefonnummern nicht unbedingt
benachbarten Zimmern zugeordet sein müssen. Zwischen der Reihenfolge der Telefonnummer (Nummer
der Speicherstelle) und der physikalischen Lage des Zimmers (der Speicherstelle selbst) muss kein
Zusammanhang bestehen. Durch dieses Beispiel wird verständlich, dass CPU-Register durchaus in den
Adressbereich des Datenspeichers einbezogen werden können, physikalisch dagegen ganz wo anders, nämlich
in der CPU, liegen. Für den Programmierer ist es aber duchaus von Vorteil, wenn alle verfügbaren

Speicher und damit auch die CPU-Register in einer einheitlichen konsistenten Weise adressierbar sind.
In der folgenden Abbildung ist der gesamte erweiterte Datenspeicherbereich mit seinem Adressraum
dargestellt.
Die Adressierung des gesamten Datenspeichers ist linear von 0x00 bis 0xDF. Alle Speicher- und Ladebefehle
(ST-, LD- Befehle) benutzen diese durchgängige Adressierung des Datenspeichers. Die I/O Befehle
IN und OUT dagegen benutzen die in derAbbildung angegebene zusätzliche Adressierung des I/O-
Speicherbereichs, die von 0x00 bis 0x3F läuft. Auf den Adressbereich 0x00 bis 0x1F des I/O Speichers
kann durch die bit-adressierbaren Befehle SBI, CBI, SBIS und SBIC zugegri¤en werden.
3.2 Funktion der einzelnen Register
In diesem Abschnitt sehen wir uns die einzelnen Register genauer an. Dies ist wichtig, um die Funktion der
Register und damit des gesamten Controllers besser zu verstehen. Das Verständnis der Registerfunktionen
ist zur Programmierung unbedingte Voraussetzung. Zunächst eine gra…sche Übersicht der Register.

Wie man sieht sind die Register nicht gleichwertig. Eine Reihe von Befehlen, darunter praktisch alle
unmittelbar (immediate) adressierten, darf nur zusammen mit den Registern r15 bis r31 verwendet werden.
Dies liegt daran, dass für das unmittelbare Argument bereits 8 Bit benötigt werden und deshalb
für die Adressierung des Registers ein Bit gespart wird. Die mit X-, Y-, und Z- bezeichneten Register
werden auch als Indexregister bezeichnet. Sie werden vor allem von den Lade- und Speicherbefehlen
zur indirekten Adressierung benutzt. So nutzt z.B. der LPM Befehl das Z-Register, um das Datum im
Programmspeicher zu adressieren, um es in das Register r0 zu laden; so kommt der LPM-Befehl ganz
ohne Argumente aus.
3.2.1 Das Program-Counter Register (PC-Register)
Die Befehle eines Controllers werden sequentiell (d.h. einer nach dem anderen, fortlaufend, nacheinander)
abgearbeitet. Die Maschine mußdeshalb zu jedem Zeitpunkt wissen, welcher Befehl als nächster
abgearbeitet werden soll. Diese Information steht im PC-Register. Das PC-Register enthält eine Adresse,
die auf den nächsten Maschinenbefehl zeigt, der verarbeitet werden soll.

Haben wir ein einfaches Programm, das keinerlei Verzweigungen enthält, so enthält das PC-Register
die physikalisch nächste Adresse des Programmspeichers, d.h. das PC-Register zeigt auf den nächsten
Speicherplatz des Programmspeichers.
Enthält das Programm Verzweigungen in Form von Sprungbefehlen, Unterprogrammaufrufen oder Interruptverzweigungen,
so zeigt das PC-Register auf die nächste abzuarbeitende Speicherposition, die nicht
mit der physikalisch nächsten Speicherzelle des Programmspeichers übereinstimmen muss. Liegt eine
Programmverzweigung vor, so lassen sich zwei Arten von Verzweigungen unterscheiden.
1. bedingte oder unbedingte Sprungbefehle, die die Abarbeitung des Programms in jedem Fall (unbedingt)
oder abhängig von einer Bedingung (bedingt) verzweigen. In diesem Fall zeigt das PC-Register
auf den nächsten Befehl nach der Verzweigung, d.h. nach dem Sprung. Das Programm läuft dann
einfach nach der Verzweigung weiter.
2. Unterprogrammaufrufe (subroutine calls) oder Programmunterbrechungen (interrupt calls) unterbrechen
den momentanen Programmablauf, indem sie das Programm vorübergehend in einen anderen
Speicherbereich verzweigen, dort ein anderes Programm abarbeiten, um dann wieder in den
ursprünglichen Speicherbereich zurückzukehren. Um sicherzustellen, dass das PC-Register nach
der Rückkehr aus der verzweigten Routine die Adresse des nächsten Befehl des ursprünglichen
Programms enthält, muss diese Adresse vorübergehend gespeichert werden.

Durch die Zwischenspeicherung der Rücksprungadresse ist sichergestellt, dass das Programm die korrekte
Rücksprungadresse wieder…ndet. Als Rücksprungregister wird i.d.R. kein separates Register
verwendet, sondern die Rücksprungadresse wird in einem reservierten Bereich des Arbeitsspeichers
abgelegt. Diesen sogenannten STACK-Speicher werden wir noch besprechen. Der STACK-Speicher
hat die angenehme Eigenschaft, dass nicht nur eine Rücksprungadresse zwischengespeichert werden
kann, sondern, je nach Größe, beliebig viele. Dies ist wichtig, um innerhalb eines Unterprogramms
weitere verschachtelte Unterprogramme aufrufen zu können.
Durch das eben dargestellte Verfahren ist zwar sichergestellt, dass die korrekte Rücksprungadresse wiedergefunden
wird aber es ist noch nicht sichergestellt, dass das Programm nach dem Rücksprung korrekt
abgearbeitet wird. Dies soll an einem folgenden Assembler-Programmbeispiel klar gemacht werden.
abc:
ldi r4, 0x03 ; Lade 3 in Register 4
call abc ; verzweige nach abc
andi r4, 0xff ; UND-Verknuepfung: r4 = r4 AND 0xff
ldi r4, 0x07 ; innerhalb der Subroutine wird das Register r4 benutzt!!!
ret ; Ruecksprung
Das vorstehende Programm wird ohne Probleme nach dem Subroutine Call die korrekte Rücksprungadresse
…nden. Aber trotzdem wird es nicht das erwartete Ergebnis liefern, denn wir erwarten nach dem
andi-Befehl r4 = 0x03 aber tatsächlich ist r4 = 0x07. Das liegt daran, dass das Register r4 innerhalb der
Subroutine verändert wurde.
Bei Subroutine Calls und besonders bei Interrupt Calls mußvermieden werden, dass Registervariablen
nicht unbeabsichtigt verändert werden. Dies geschieht i.d.R. dadurch, dass die entsprechenden Register
während des Subroutine Calls zwischengespeichert und vor dem Rücksprung wieder restauriert werden.
Während der Controller bei Calls das PC-Register automatisch verwaltet, müssen die Register praktisch
immer vom Assembler-Programmierer selbst verwaltet werden, was oft zu unerwarteten Fehlern führt.
Neben den eben besprochenen Registern ist die Zwischenspeicherung (Rettung!) des Statusregistern von
entscheidender Bedeutung.

3.2.2 Das Statusregister (SREG)
Wozu ein Statusregister? Oft ist es notwendig, zwischen den einzelnen Maschinenbefehlen Information
auszutauschen, indem ein oder einige wenige Bit an den nächsten Befehl übergeben werden. Hierzu dient
das Statusregister. Es ist gewissermaßen eine private Zwischenablage der CPU für wichtige Informationen
von bereits abgearbeiteten Befehlen an noch bzuarbeitende Befehle. Ein Beispiel soll dies verdeutlichen.
Beispiel: Ein Programm soll verzweigt werden, wenn das Ergebnis des vorhergehenden Maschinenbefehls
gleich Null war.
Diese bedingte Verzweigung ist nur möglich, wenn dem nächsten Maschinenbefehl mitgeteilt wird, ob das
Ergebnis des vorherigen Befehls Null oder nicht Null war. Der Vorgängerbefehl muss also die Möglichkeit
haben, dem nachfolgenden Befehl mitzuteilen, ob sein Ergebnis Null war oder nicht. Hierzu bedarf es
einer Zwischenspeicherung von Information. In diesem Fall genügt bereits ein einziges Bit, das sogenannte
Z-Flag. Dieses Z-Flag benötigt einen geeigneten Speicherplatz. Zusammen mit anderen Flags wird es im
Statusregister gespeichert, so dass nachfolgende Befehle darauf zugreifen können.
Wie das Beispiel zeigt, enthält das Statusregister kleinste Informationsmengen, die an nachfolgende
Maschinenbefehle weitergegeben werden können. Es bedarf keiner weiteren Erläuterung, dass jede Verfälschung
des Statusregisters - z.B. innerhalb einer Subroutine - zu einem fehlerhaften Programmablauf
führt. Deshalb muss sichergestellt werden, dass das Statusregister nicht unbeabsichtigt verändert wird.
Im folgenden ist das AVR-Statusregister dargestellt.
Die genaue Bedeutung der einzelnen Status Bit wird in dieser Vorlesung bei Bedarf besprochen. Die
genaue Bedeutung kann im Datenblatt des Prozessors, Seite 11, nachgelesen werden. In der Befehlsliste
(Instruction Set) der AVR-Serie kann für jeden einzelnen Befehl nachgelesen werden wie dieser die einzelnen
Statusbits verändert und damit nachfolgende Befehle beein‡ussen kann.
3.2.3 Das Stackpointer-Register (SP - Register)
Wie wir weiter oben gesehen haben, gibt es beim Ablauf eines Programms organisationsbedingt eine ganze
Menge zwischenzuspeichern. Diese Zwischenspeicherung hat oft nichts mit der Funktion des Programmes
zu tun, sondern nur damit den korrekten Programmablauf zu gewährleisten. Der STACK-Speicher übernimmt
in der Regel vor allem diese Aufgabe. Im STACK werden Rücksprungadressen, Registerinhalte,
das Statusregister usw. bei Bedarf vorübergehend abgelegt und zu einem späteren Zeitpunkt wieder

zurückgespeichert. Daneben übernimmt der STACK auch die Aufgabe, Variablen- oder Adressenwerte
beim Aufruf von Unterprogrammen zu übergeben.
Wie ist ein STACK-Speicher organisiert? Das Wort STACK kommt aus dem englischen und bedeutet
soviel wie Stapel oder Haufen und genauso ist ein STACK-Speicher organisiert. Will man z.B. das 11.
Blatt eines Stapels von Blättern lesen, so müssen die oberen 10 Blätter erst einmal entfernt werden. Auf
der anderen Seite können beliebig viele neue Blätter auf den Stapel gelegt werden. Die Tatsache, dass
das zuletzt hingelegte Blatt zuerst wieder weggenommen werden muss, um an die darunterliegenden zu
kommen, gab dem STACK-Speicher auch den Namen Last-in First-out (LiFo-Speicher). Bei Prozessoren
und Controllern werden die Speicher i.d.R. nicht von unten nach oben, sondern von oben nach unten
befüllt. Das ist etwa so, als würde der Papierstapel an der Decke hängen und ein neues Blatt wie von
einem Magneten an der Stapelober‡äche festgehalten.
Welche Aufgabe hat nun der STACK-Pointer? Der STACK-Pointer (Zeiger) verwaltet den STACK-
Speicher, indem er immer auf das Datum zeigt, das beim nächsten STACK-Speicherzugri¤ zur Verfügung
gestellt wird. Werden neue Daten auf dem STACK abgelegt, so „wächst” der STACK nach unten und
vergrößert sich, werden Daten entnommen, so wird der STACK kleiner. Die maximale Anzahl von Daten
ist durch die Länge des STACK-Pointers begrenzt. Der ATtiny2313 hat einen 8-Bit STACK-Pointer. Die
Lage des STACK-Pointers in SRAM-Speicherbereich wird noch erläutert.
Der STACK-Poiner muss in einem Programm festgelegt werden, bevor eine Subroutine oder ein Interrupt
ausgeführt wird. Es gibt nur wenige Befehle, die den STACK-Pointer unmittelbar bein‡ussen, diese sind:
PUSH, POP, RET, RETI, CALL, RCALL, ICALL. Man kann ein Programm mit sehr großem
Erfolg zum Absturz bringen, wenn man unkontrolliert oder mutwillig den STACK-Pointer verändert.