Arhitektuur

AVR-il on sisemine 8-bitine andmesiin, mille kaudu liiguvad andmed arvutusüksuse (ALU), olekuregistri (SREG), programmiloenduri (PC), muutmälu (SRAM) ja perifeeria vahel. ALU-s täitmisele minev programm ehk instruktsioonide jada tuleb välkmälu aadressilt, mille määrab programmiloendur. ALU juurde kuuluvad 32 üldkasutatavat 8-bitist registrit, mida kasutatakse paljude instruktsioonide täitmisel operandidena.

AVR-i käsukonveier on kaheastmeline. Samal ajal kui üht instruktsiooni täidetakse, laetakse järgmine instruktsioon programmimälust ootele. See on ka põhjus, miks siirdekäskude täitmine võtab 2 takti siirdetingimuse täitumisel. Kuna uus instruktsioon laetakse käsukonveierisse alati järgmiselt mäluaadressilt, siis siiretel muule programmiaadressile tuleb eelnevalt laetud instruktsioon minema visata ja uus laadida, sest see oli vanast ehk siis valest kohast laetud.

Üldkasutatavad registrid R0-R31 on justkui vahepuhvrid mälu ja perifeeria andmete hoidmiseks ning nendega toimetamiseks. Üldkasutatavad registrid lihtsustavad protsessori arhitektuuri, kuna ALU jaoks on need kiirelt kättesaadavad ja igal arvutusel ei pea operandide mälust lugemiseks kasutama andmesiini. Üldkasutatavaid registreid kasutatakse kõikide andmetega seotud aritmeetiliste ja loogiliste operatsioonide tegemiseks.

Assemblerkeeles programmeerides võib kiiret töötlust vajavaid andmeid üldkasutatavates registrites hoida. Kui programmeeritakse C-keeles ja on kindel soov muutuja hoidmiseks üldkasutatavat registrit kasutada, defineeritakse muutuja täiendavalt “register” tüüpi. Näiteks:

register char x;

Enamiku AVR-ide käsustik koosneb 90-133 erinevast instruktsioonist. ATmega128-l on 133 instruktsiooni. Instruktsioonid on kas ühe, kahe või üldse ilma operandideta. Enamik instruktsioone täidab mikrokontrolleri protsessor ühe takti jooksul, kuid keerukamad kulutavad kuni 5 takti. AVR-i järeltulija xmega puhul on mitmeid instruktsioone täiendatud nii, et need kulutavad vähem takte. Suurem osa AVR-i instruktsioonidest on siireteks, andmete liigutamiseks, võrdlusteks ja loogilisteks ning aritmeetilisteks teheteks. Tehete ja võrdluste puhul on kasutusel olekuregister, kus märgitakse vastavate bittidena ära juhud, kui tehte tulemus ALU-s oli: negatiivne või positiivne, null, ületas maksimaalse võimaliku väärtuse (8-bitti), vajas biti ülekandmist järgmisesse tehtesse, ja veel paaril keerukamal juhul.

ldi  r1, 5       ; Konstandi 5 laadimine üldkasutatavasse registrisse r1
lds  r2, $100    ; Baidi laadimine muutmälust registrisse r2
add  r2, r1      ; Registrile r2 registri r1 väärtuse liitmine
sts  $100, r2    ; Registri r2 väärtuse kirjutamine tagasi muutmällu

Pinumälu (inglise keeles stack) on andmete ülesehitus, kus viimasena mällu kirjutatud andmed loetakse välja esimesena. AVR-is saab pinumälu kasutada alamfunktsioonide, katkestuste ja ajutiste andmete juures. Alamfunktsioonide ja katkestuste täitmisel lisatakse eelnevalt pinumällu programmiloenduri aadress, mille pealt programm katkes. Kui alamfunktsioon või katkestus on töö lõpetanud, loetakse pinumälust aadress, kust programmi tööd jätkata. Ajutisi andmeid lisatakse pinumällu tavaliselt lühemate programmilõikude juures, mis ei vaja mälu reserveerimist kogu programmi ajaks. Lihtsamad assemblerkeele programmid on kirjutatud üldjuhul nii, et pinumälu kasutama ei pea, kuid selle võtavad kasutusele kompilaatorid, kui programmis on palju muutujaid ning funktsioone.

MegaAVR seeria mikrokontrolleritel on pinumälu füüsiline asukoht muutmälus, kuid mõnel tinyAVR seerial muutmälu üldse puudub ja pinumälu tarbeks on spetsiaalne üsna piiratud mahuga mälu. Sellistele, ilma muutmäluta mikrokontrolleritele kompilaatoreid üldjuhul pole.

Kõrgtaseme keeles (Pascal, C, C++) programmeerides ei pea otseselt mikrokontrolleri siseeluga kursis olema, sest kompilaator valib ise vastavalt vajadusele üldkasutavaid registreid ja instruktsioone, kuid see teadmine tuleb kasuks. Mikrokontrolleri instruktsioone on oluline tunda ajakriitilistes rakendustes, kus protseduurid peavad toimuma loetud protsessori taktide jooksul.