1.2.1 ATmega128單片機的內核

ATmega128單片機的內核由算術邏輯單元ALU、狀態寄存器SREG、通用寄存器、堆棧、RAM頁碼選擇寄存器RAMPZ、中斷和復位處理模塊等構成。

1. 算術邏輯單元ALU

算術邏輯單元（ALU）是ATmega128單片機內核中執行各種算術和邏輯運算操作的部件，其基本操作包括加、減、乘、除四則運算（算術運算），與、或、非、異或等邏輯操作（邏輯預算），以及移位、比較和傳送等操作。ALU與32個通用工作寄存器直接相連，ATmega128單片機的寄存器與寄存器之間、寄存器與立即數之間的ALU運算只需要一個時鐘周期。ALU的操作分為3類：算術、邏輯和位操作。此外，ALU還能支持有符號數和分數乘法。

2. 狀態寄存器SREG

ATmega128單片機的狀態寄存器包含了最近執行的算術指令的相關結果信息，用戶可以根據這些信息來實現條件操作，狀態寄存器內部結構如表1.1所示。

表1.1 ATmega1 28單片機狀態寄存器SREG的內部結構

●I：全局中斷使能位。當I被置位時，使能全局中斷，單獨的中斷使能由其他獨立的控制寄存器控制；如果I被清零，則不論單獨中斷標志置位與否，都不會產生中斷。任意一個中斷發生后，I將被清零。而執行RETI（中斷服務程序退出）指令后，I恢復置位，以使能中斷。I也可以通過SEI（置位全局中斷使能位）和CLI（清除全局中斷使能位）指令來置位和清零。

●T：位復制存儲位。位復制指令BLD和BST利用T作為目的地址或源地址，BST指令把寄存器的的某一位復制到T，而BLD把T復制到寄存器的某一位。

● H：半進位標志位。H被置位時，表示算術操作發生了半進位，此標志對于BCD運算非常有用。

● S：負數標志位，用于存放N與2的補碼和溢出標志V的異或結果。

● V：補碼溢出標志位，支持二進制補碼運算。

● N：負數標志位，表明算術或邏輯操作結果為負。

● Z：零標志位，表明算術或邏輯操作結果為零。

● C：進位標志位，表明算術或邏輯操作發生了進位。

3. 通用寄存器

ATmega128單片機有32個通用寄存器，其針對ATmega128單片機的指令集進行了優化，支持以下的輸入/輸出方案。

● 輸入為一個8位操作數，輸出一個8位結果。

● 輸入為兩個8位操作數，輸出一個8位結果。

● 輸入為兩個8位操作數，輸出一個16位結果。

● 輸入為一個16位操作數，輸出一個16位結果。

圖1.3所示為ATmega128單片機的通用寄存器結構示意圖。每個通用寄存器都有一個對應的地址，將它們直接映射到用戶數據空間的頭32個地址。X、Y、Z寄存器可以設置為指向任意寄存器的指針。

圖1.3 ATmega128單片機的通用寄存器結構示意圖

通用寄存器R26～R3 1除了用作通用寄存器外，還可以作為數據間接尋址用的地址指針X、Y、Z，如圖1.4所示。在不同的尋址模式中，這些地址寄存器可以實現固定偏移量、自動加1和自動減1功能。

圖1.4 X、Y、Z寄存器

4. 堆棧

ATmega128單片機的堆棧主要用來保存臨時數據、局部變量、子程序和中斷子程序的返回地址，堆棧指針總是指向堆棧的頂部。

ATmega128單片機的堆棧指針指向位于SRAM的函數或中斷堆棧，在調用子程序和使能中斷之前必須先初始化堆棧，并且堆棧指針必須指向高于0x60的地址空間。

● 當使用PUSH指令將數據推入堆棧時，堆棧指針減1。

● 當子程序或中斷返回地址被推入堆棧時，堆棧指針將減2。

● 使用POP指令將數據彈出堆棧時，堆棧指針加1。

● 使用RET或RETI指令從子程序或中斷返回時，堆棧指針加2。

ATmega128單片機的堆棧指針實質上是I/O空間中的兩個8位寄存器，如表1.2所示。

表1.2 ATmega1 28單片機的堆棧指針寄存器

5. 頁面選擇寄存器RAMPZ

ATmega128單片機支持不超過64KB的數據存儲器空間，頁面選擇寄存器RAMPZ用于選擇ATmega128單片機訪問的是哪一個數據存儲器空間，其內部結構如表1.3所示。

表1.3 ATmega1 28單片機的頁面選擇寄存器RAMPZ內部結構

● BIT7～BIT1：保留位。

● RAMPZ0：RAM頁面擴展選擇指針，當RAMPZ0 =0時，ELPM/SPM指令用于訪問ATmega128寄存器的低64KB地址空間0x0000～0x7FFF；當RAMPZ0 =1時，ELPM/SPM指令用于訪問ATmega128寄存器的高64KB地址空間0x7FFF～0xFFFF。

6. 中斷和復位處理模塊

ATmega128單片機的中斷事件都在程序空間對應獨立的中斷向量，所有的中斷模塊都有自己的使能位。當使能位被置位，并且狀態寄存器的全局中斷使能位I也被置位時，可以產生中斷事件。根據程序計數器PC的不同，在引導鎖定位BLB02或BLB12被編程的情況下，中斷可能被自動禁止，這個特性提高了軟件的安全性。

ATmega128單片機的程序存儲區的最低地址默認為復位向量和中斷向量，向量列表列出了不同中斷的優先級，向量所在的地址越低，優先級越高。RESET具有最高的優先級，第2個為INT0（外部中斷請求0）。通過置位通用中斷控制寄存器（GICR）的IVSEL，中斷向量可以移至引導Flash的起始處，編程熔絲位BOOTRST也可以將復位向量移至引導Flash的起始處。

在任一中斷發生時，全局中斷使能位I被清零，從而禁止了所有其他的中斷，用戶軟件可以在中斷程序里置位I來實現中斷嵌套。此時，所有的中斷都可以中斷當前的中斷服務程序，在執行RETI指令后，I自動置位。

ATmega128單片機有兩種類型的中斷。第1種由中斷事件觸發并置位中斷標志位。對于這些中斷，程序計數器跳轉到實際的中斷向量，以執行中斷處理程序，同時硬件將清除相應的中斷標志。中斷標志位也可以通過對其寫“1”的方式來清除。當中斷發生后，如果相應的中斷使能位為“0”，則中斷標志位置位，并一直保持到中斷執行，或者被軟件清除。類似的，如果全局中斷標志被清零，則所有已發生的中斷都不會被執行，直到I被置位。然后掛起的各個中斷按中斷優先級依次執行。

對于第2種類型的中斷，只要中斷條件滿足，就會一直觸發。這些中斷不需要中斷標志位，若中斷條件在中斷使能之前就消失了，中斷不會被觸發。

ATmega128單片機在退出中斷后，總是回到主程序后并至少執行一條指令，才可以去執行其他被掛起的中斷。

【例1.1】 利用CLI指令來防止中斷發生，以避免在對E2 PROM進行寫操作時，對E2 PROM內容的破壞。

            char cSREG；
            cSREG=SREG；             //保存SREG內容
            CLI（）；                   //關閉中斷
            EECR | =（1 ＜＜EEMWE）；    //啟動E2 PROM寫操作
            EECR | =（1 ＜＜EEWE）；
            SREG=cSREG；             //恢復SREG內容，同時打開了內部中斷位

ATmega128單片機的中斷響應操作最少為4個時鐘周期。在4個時鐘周期后，程序跳轉到實際的中斷處理例程。在這4個時鐘期期間，PC將自動入棧。在通常情況下，中斷向量為一個跳轉指令，此跳轉需要3個時鐘周期。如果中斷在一個多時鐘周期指令執行期間發生，則在此多周期指令執行完畢后，ATmega128單片機才會執行中斷程序。若中斷發生時ATmega128單片機處于休眠模式，中斷響應時間還需增加4個時鐘周期。此外，還要考慮到不同的休眠模式所需要的啟動時間。

ATmega128單片機的中斷返回操作也需要4個時鐘周期，在此期間PC（兩個字節）將被彈出棧，堆棧指針加2，狀態寄存器SREG的I位被置位。