[AVR_4] ATmega128의 내부구조

 

세상에는 눈에는 보이지만 보이지 않는것이 더 많다..(?)
(이게 갑자기 왠 헛소리?)
이제부터의 부분은 이해하기가 까다롭고 힘듭니다..
(..제가..힘들었기 때문에...-_-)
암튼 서론은 이제 집어치우고 본론으로..!!
 이제부터는 ATmega의 내부구조에 대해서 정리하겠습니다.

 

 

 

[ATMEGA128의 내부구조]

일단 CPU부터 시작해보겠습니다..
아 그전에 위에 보이는 그림의 굵은 선은 앞장에서 말한 말한  버스입니다.
이 버스를 흔히 도로가에 다니는 시내버스, 동네버스~ 그런버스라고 가정해봅시다.
왜냐면 버스는 무언가를 이동시키기는 통로이기 때문입니다.!

 바로 시내버스는 많은 사람들을~
 저기 그림의 버스는 여러 데이터들을!!

암튼 앞으로 사용할 ATMEGA128은 명령어버스와 데이터버스로 두개의 버스로 분리된 (이게바로! 하버드구조) 구조입니다. 
그럼 이곳은 누가 사용하느냐? 아래의 표를 참조해주세요.
(굳이 여기서 폰이노만과 하버드구조를 비교하진 않겠습니다)
 

아래의 그림을 보시면 어디서 많이 본 이름들이 보입니다.
바로 위에서 내부구조라고 올려놓은 그림에서 중앙왼쪽부분만 따로 떼어놓은것이라고 볼수있습니다.

이 그림이 바로 CPU CORE부분입니다. 아트메가를 더 잘 이해하기 위해서는 분명히 이해하고 넘어가야할 부분이며 처음에는 그냥 이게 무슨 그림이지 이렇게 생각하며 넘어갈게 될겁니다. 하지만 후에 어느정도 공부를 하고 다시 보면 아 이 화살표가 왜 여기서 이렇게 가는지, 왜 이 구조도를 이렇게 그렸는지 어느정도는 이해할수있을 겁니다! 일단 이부분은 고성능 ALU가 32개의 일반목적레지스터를 단일싸이클로 처리 한다고만 하겠습니다.

 아래의 그림은 위의 CPU CORE부분과 동일한 부분을 첫번째 내부구조그림에서 필요한것만 잘라서 떼어낸 그림입니다.

1) 플래시 프로그램 메모리 

프로그램 메모리는 8비트로 구성되어있지만 기본적으로 한 개의 번지가 16비트 단위로 구성되어 16비트 마이크로프로세서인 것처럼 동작을 합니다. (8bit = 1byte / 16bit = 2byte)
아트메가의 플래시 메모리는 명령어(모든 AVR의 명령어는 16비트 또는 32비트 길이로 구성 )를 저장하는 역할을 하며 (후에 AVR STUDIO로 코딩하게되어 프로그램을 주입하게 되면 이곳에 저장됩니다.)

64Kbyte X16bit(2byte) = 128Kbyte
플래시로 되어 있는 내부 프로그램 메모리는 부트 프로그램 섹션(boot program section)과 응용 프로그램 섹션(application program section)의 두 가지 영역으로 나누어져 있습니다.

예를 들면 컴퓨터를 켰을때 ROM에 저장된 프로그램들이 실행되어 윈도우 부팅전까지 COMS셋업을 해주는것 처럼 그런 부분이 아트메가에선 부트섹션이며 컴퓨터에서 설치된 윈도우나 한글97과 같은 프로그램은 아트메가에서 사용자가 컴파일러로 작성한  프로그램으로  응용 프로그램 섹션에 저장됩니다.

 내부 프로그램 메모리는 특정의 메모리 잠금 비트(memory lock bit)를 사용하여 쓰기와 쓰기/읽기의 금지를 할 수 있습니다. 이는 내가 수고해서 만든 코드들을 다른 사람들이 훔칠수 없게 잠금장치를 거는것입니다. - 여기에 관해 역해킹을 알아봤는데 어셈로 저장된 Flash memory의 정보를 읽어올순 있지만..이를 다시 C코드화 하는건 경우의 수가 너무 많아서 불가능하다고 결론을 내렸습니다. 

 

2)ALU (산술-논리 연산장치) 

AVR의 ALU는 32개의 일반 목적의 동작 레지스터(general purpose working register)와 직접적으로 연계되어 동작합니다.

즉 ALU는 두뇌의 산술처리하는 부분에 해당되며 32개의 목적레지스터는 두뇌의 순간기억장치에 해당합니다. 이 두개가 서로 연계되어 더하기 빼기 등을 하며 동작하는 것입니다. 결국 컴퓨터는 0101...을 빠르게 연산하는 기계니깐요..
ALU는 레지스터 간 또는 레지스터와 상수 간의 산술 또는 논리 연산을 단일 클럭 사이클에 수행 연산된 결과에 대한 ALU의 상태를 상태 레지스터로 갱신됩니다. (3번 상태레지스터참고) AVR에서는 강력한 하드웨어 곱셈기를 가지고 있어서 부호있는 정수/부호없는 정수의 곱셈 연산과 소수점 형식의 곱셈 연산을 빠르게 수행할수있습니다.

 

3)상태 레지스터 (Status register)

가장 최근에 실행된 산술 연산의 명령어 처리 결과 에 대한 상태를 나타내 주는 레지스터입니다.
조건부 처리 명령에 의해 프로그램의 흐름을 변경하는데 사용될 수 있습니다.
(조건부 명령이란 FOR,WHILE,SWITCH.. 등을 말하는겁니다)
상태 레지스터는 인터럽트를 처리하는 과정에서 자동으로 저장되거나 복구되지 않으므로, 반드시 소프트웨어에서 이러한 동작을 처리하여 주어야 합니다. (즉 플립플롭처럼 유지되는거죠)

     

 I(7) : interrupt enable    1= 전체 interrupt enable, 0 = 전체 인터럽트 disable

(주로 코딩을 하시면 SREG레지스트중 i비트를 가장 많이 다루시게 될겁니다.)
 T(6) : 비트 복사 저장,  T bit를 통하여 bit 전송

(UART통신시 사용하면 편합니다)
 H(5): half carry flag  :   0000 1000 + 0000 1000  half carry 발생
 S(4):  sign bit :  V 배타적 OR  N (XOR을 의미합니다)
 V(3): overflow bit  :   1000 0000 + 1000 0000  overflow bit set

(오버플로는 음수+음수 = 양수 일때 발생합니다)
 N(2): negative bit :  연산결과가 음수임
 Z(1): zero bit : 연산결과가 0임을 나타냄
 C(0): carry bit : 연산결과 자리 수 올림(더하기), 혹은 빌림(빼기) 

위의 상태레지스터는 i비트빼고 잘 사용하진 않지만 후에 코딩이 길어지거나 프로그램의 조건문이 너무 길어지거나 애매할때 조금만 고민해보시면 사용이 편하다는걸 아시게될겁니다.

 

4) 범용레지스터 (위의 ALU와 함께 쓰이는 부분)

AVR의 고성능 RISC 명령을 수행하는데 최적화 되어 있는 레지스터
(SRAM의 일정한 한부분이 이루고있다. 일종의 특공대로 구성된 RAM으로 봐도 무방합니다)
1 바이트 크기(8bit)로 32개의 범용 레지스터로 구성

(R0~R25까지 데이터저장 또는 연산에쓰이며 R26부터는 2개씩 쌍으로 묶어서 16bit(2Byte)레지스터로 사용합니다. 또한 R26부터 총6개의 레지스터인데 각 한쌍씩 X,Y,Z레지스터라고 따로 부르고 있으며 X,Y는 데이터 메모리 지정, Z는 flash memory을 읽어올때 사용합니다.) 
연산의 대상이 누산기가 아닌 이들 32개의 범용 레지스터들을 사용하여 연산을 할 수 있어서 연산의 속도가 빠릅니다.
또한 레지스터간의 연산은 보통 1 사이클의 명령으로 이루어집니다.

 

5) 스택포인터(SP)

 

 마이크로컨트롤러 응용에서 서브루틴이나 인터럽트 발생시에 복귀되는 주소를 임시로 기억하기 위해서 사용되거나 일반 프로그램에서 지역 변수 또는 임시 데이터를 저장하는 용도로 사용되는 LIFO(Last In First Out) 구조의 메모리를 스택이라하며,

LIFO는 말그대로 마지막에 저장된 데이터가 맨 처음 불러져 나온다는 의미입니다.

[][][][][] 의 모양과 같이 한쪽이 막힌 동전지갑과 같은 동작이라고 생각하시면 이해가 빠릅니다.
스택 포인터는 항상 데이터의 상단(top of stack)을 가리키는 16비트 레지스터로서 SP라고 표시되는데, 이는 데이터 저장이 가능한 스택의 번지를 의미하는것입니다.

예를들어, C언어의 코딩중 스택의 의미를 극단적으로 표현해보겠습니다.

{  
  (1)번째 동전을 지갑에 넣어라;
    {    
      (2)번째 동전을 지갑에 넣어라;
      두번째동전을 빼라;   
    }
  첫번째동전을 빼라;  
 }

위의 명령은 설명을 위해 억지 예를 든것 뿐입니다.
프로그램의 실행은 바깥괄호부터 시작하지만 실제처리는 맨 안쪽 괄호부터 끝이납니다.
바로 스택을 이용하기때문입니다. 넣은순서대로 처리가 끝나는것이 아니라, 마지막에 넣은것이 먼저끝이되는 LIFI구조가 바로 스택입니다.

스택의 동작 : 푸싱(동전을넣는것), 팝핑(동전을빼는것) 동작으로 구분됩니다.
스택은 SRAM 영역내에 존재, SP 레지스터의 초기값은 적어도 0x60 번지 이상의 값으로 설정
(메모리구조는 다음에 한꺼번에 설명하겠습니다)