为了得到最大程度的性能以及并行性， AVR 采用了Harvard 结构，具有独立的数据和程序总线。程序存储器的指令通过一级流水线运行。CPU 在执行一条指令的同时读取下一条指令( 在本文称为预取)。这个概念实现了指令的单时钟周期运行。程序存储器为可以在线编程的FLASH。
快速访问寄存器文件包括32 个8 位通用工作寄存器，访问时间为一个时钟周期。从而可以实现单时钟周期的ALU 操作。在典型的ALU 操作过程中，两个位于寄存器文件的操作数同时被访问，然后执行相应的运算，结果再送回寄存器文件。整个过程仅需要一个时钟周期。
寄存器文件里有6 个寄存器可以用作3 个16 位的间接寻址寄存器指针以寻址数据空间，实现高效的地址运算。其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。这些附加的功能寄存器即为16 位的X、Y、Z 寄存器。
ALU支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。ALU也可以执行单寄存器操作。运算完成之后状态寄存器的内容将更新以反映操作结果。
程序流程通过有/ 无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而直接寻址整个地址空间。大多数指令长度为16 位，亦即每个程序存储器地址都包含一条16 位或32 位的指令。
程序存储器空间分为两个区：引导程序区和应用程序区。这两个区都有专门的锁定位以实现读和读/ 写保护。写应用程序区的SPM 指令必须位于引导程序区。
在中断和调用子程序时返回地址的程序计数器(PC) 保存于堆栈之中。堆栈位于通用数据SRAM，故此嵌套深度仅受限于SRAM 的大小。在复位例程里用户首先要初始化堆栈指针SP。这个指针位于I/O 空间，可以进行读写访问。数据SRAM 可以通过5 种不同的寻址模式进行访问。
AVR 存储器为线性的平面结构。
AVR 具有一个灵活的中断模块。控制寄存器位于I/O 空间。状态寄存器里有全局中断使能位。每个中断在中断向量表里都有独立的中断向量。各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关，中断向量地址越低，优先级越高。
I/O 存储器空间包含64 个可以直接寻址的地址，作为CPU 外设的控制寄存器、SPI，以及其他I/O 功能。映射到数据空间即为寄存器文件之后的地址0x20 - 0x
3.3 ALU －算术逻辑单元
AVR ALU 与32 个通用工作寄存器直接相连。寄存器与寄存器之间、寄存器与立即数之间的ALU 运算只需要一个时钟周期。ALU 操作分为3 类：算术、逻辑和位操作。此外还提供了支持无/ 有符号数和分数乘法的乘法器。具体请参见 “ 指令集” 。
3.4 状态寄存器
状态寄存器包含了最近执行的算术指令的结果信息。这些信息可以用来改变程序流程以实现条件操作。如指令集所述，所有ALU 运算都将影响状态寄存器的内容。这样，在许多情况下就不需要专门的比较指令了，从而使系统运行更快速，代码效率更高。
在进入中断服务程序时状态寄存器不会自动保存；中断返回时也不会自动恢复。这些工作需要软件来处理。
AVR 中断寄存器 SREG 定义如下：
• Bit 7 – I: 全局中断使能
置位时使能全局中断。单独的中断使能由其他独立的控制寄存器控制。如果I 清零，则不论单独中断标志置位与否，都不会产生中断。任意一个中断发生后I 清零，而执行RETI
指令后置位以使能中断。I 也可以通过SEI 和CLI 指令来置位和清零。
• Bit 6 – T: 位拷贝存储
位拷贝指令BLD 和BST 利用T 作为目的或源地址。BST 把寄存器的某一位拷贝到T，而BLD 把T 拷贝到寄存器的某一位。
• Bit 5 – H: 半进位标志
半进位标志H 表示算术操作发生了半进位。此标志对于BCD 运算非常有用。详见 “ 指令集” 的说明。
• Bit 4 – S: 符号位, S = N ⊕ V
S 为负数标志N 与2 的补码溢出标志V 的异或。详见“ 指令集” 的说明。
• Bit 3 – V: 2 的补码溢出标志
支持2 的补码运算。详见“ 指令集” 的说明。
• Bit 2 – N: 负数标志
表明算术或逻辑操作结果为负。详见“ 指令集” 的说明。
• Bit 1 – Z: 零标志
表明算术或逻辑操作结果为零。详见“ 指令集” 的说明。
• Bit 0 – C: 进位标志
表明算术或逻辑操作发生了进位。详见 “ 指令集” 的说明。
4.5 通用寄存器文件
寄存器文件针对AVR 增强型 RISC 指令集做了优化。为了获得需要的性能和灵活性，寄
存器文件支持以下的输入/ 输出方案：
• 输出一个 8 位操作数，输入一个 8 位结果
• 输出两个 8 位位操作数，输入一个 8 位结果
• 输出两个 8 位位操作数，输入一个 16 位结果
• 输出一个 16 位位操作数，输入一个 16 位结果
Figure 4-1 为CPU 32 个通用工作寄存器的结构。
Figure 4-2 AVR CPU 通用工作寄存器
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