Большинство современных микроконтроллеров имеют Гарвардскую архитектуру и содержат 3 вида памяти:
- память программ FLASH;
- оперативная память (ОЗУ) SRAM (Static RAM);
- энергонезависимая память данных EEPROM.
Адресные пространства указанных видов памяти, как правило, разделены. Способы адресации и доступа к этим областям памяти также различны. Такая структура позволяет центральному процессору работать одновременно как с памятью программ, так и с памятью данных, что существенно увеличивает производительность. Каждая из областей памяти данных (SRAM и EEPROM) также расположена в своем адресном пространстве.
Память программ
Память программ представляет собой электрически стираемое ППЗУ (FLASH) и может поддерживать команды с разрядностью больше 8 бит. В некоторых микроконтроллерах память программ разделена на 2 секции:
- секцию загрузчика (Boot Program);
- секцию прикладных программ (Application Program).
Память программ чаще всего является электрически перепрограммируемой, количество циклов перезаписи превышает 10 тысяч.
Большинство микроконтроллеров поддерживают внутрисхемное программирование, т. е. загрузку программы в микроконтроллер можно осуществлять после монтажа на плату посредством специального разъема программирования.
Для адресации памяти программ используется счетчик команд (Program Counter – PC).
В памяти программ также находится вектор сброса - в момент подачи питания микроконтроллер начинает выполнение программы с этого адреса, и здесь размещается команда перехода к началу исполняемой программы. Кроме того, память программ содержит таблицу векторов прерываний. При возникновении прерывания после сохранения в стеке текущего значения счетчика команд происходит выполнение команды, расположенной по адресу соответствующего вектора. Поэтому по данным адресам располагаются команды перехода к подпрограммам обработки прерываний.
Положение вектора сброса и таблицы векторов прерываний может быть перенесено из секции прикладных программ в секцию загрузчика.
В некоторых случаях память программ может использоваться не только для хранения кода программы, но и для хранения различных констант.
Оперативная память
Оперативная память, как правило, содержит 3 области:
- регистры общего назначения;
- служебные регистры;
- память для хранения данных.
Регистры общего назначения (РОН) находятся в непосредственной близости к АЛУ. Однако в микроконтроллерах некоторых фирм (в частности, PIC фирмы Microchip) имеется только один рабочий регистр, играющий роль одного из операндов в командах.
Применение набора регистров общего назначения в сочетании с конвейерной обработкой позволяет АЛУ выполнять одну операцию (извлечение операндов из набора регистров, выполнение команды и запись результата обратно в регистр) за один такт.
Служебные регистры имеют свои имя, адрес и назначение. Они предназначены для конфигурации и обслуживания периферийных узлов микроконтроллера. Краткая характеристика служебных регистров должна быть приведена в руководстве по использованию микроконтроллера (Data Sheet).
Среди служебных регистров есть, как правило, один регистр, используемый наиболее часто в процессе выполнения программ. Это регистр состояния. Он содержит набор флагов, показывающих текущее состояние микроконтроллера. Большинство флагов автоматически устанавливаются в «1» или сбрасываются в «0» при наступлении определенных событий (в соответствии с результатом выполнения команд). Все биты этого регистра доступны как для чтения, так и для записи. Эта информация анализируется при выполнении условных переходов. При возникновении прерываний содержимое регистра состояния необходимо сохранять программно (чаще всего это является "заботой" компилятора).
Остальная часть оперативной памяти предназначена для хранения пользовательских данных.
Энергонезависимая память данных
Энергонезависимая память данных (EEPROM) организована таким образом, что содержимое каждого байта отдельно может быть считано или записано. Количество циклов перезаписи энергонезависимой памяти превышает 100 тысяч. Энергонезависимая память предназначена для хранения настроек и конфигурации программы, то есть тех данных, которые должны сохраняться при пропадании питания.
Чтение и запись данных в EEPROM, как правило, осуществляется посредством использования соответствующих регистров из области служебных регистров SRAM. Как правило, это:
- регистр адреса при обращении к EEPROM;
- регистр данных, считанных/записанных в EEPROM;
- регистр управления чтением-записью EEPROM.