1.2.1 ATmega128单片机的内核
ATmega128单片机的内核由算术逻辑单元ALU、状态寄存器SREG、通用寄存器、堆栈、RAM页码选择寄存器RAMPZ、中断和复位处理模块等构成。
1. 算术逻辑单元ALU
算术逻辑单元（ALU）是ATmega128单片机内核中执行各种算术和逻辑运算操作的部件，其基本操作包括加、减、乘、除四则运算（算术运算），与、或、非、异或等逻辑操作（逻辑预算），以及移位、比较和传送等操作。ALU与32个通用工作寄存器直接相连，ATmega128单片机的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的操作分为3类：算术、逻辑和位操作。此外，ALU还能支持有符号数和分数乘法。
2. 状态寄存器SREG
ATmega128单片机的状态寄存器包含了最近执行的算术指令的相关结果信息，用户可以根据这些信息来实现条件操作，状态寄存器内部结构如表1.1所示。
表1.1 ATmega1 28单片机状态寄存器SREG的内部结构
注意
在进入中断服务程序时，状态寄存器不会自动保存；在中断返回时，也不会自动恢复，这些工作需要中断服务子程序的用户代码来处理。
●I：全局中断使能位。当I被置位时，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被清零，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将被清零。而执行RETI（中断服务程序退出）指令后，I恢复置位，以使能中断。I也可以通过SEI（置位全局中断使能位）和CLI（清除全局中断使能位）指令来置位和清零。
●T：位复制存储位。位复制指令BLD和BST利用T作为目的地址或源地址，BST指令把寄存器的的某一位复制到T，而BLD把T复制到寄存器的某一位。
● H：半进位标志位。H被置位时，表示算术操作发生了半进位，此标志对于BCD运算非常有用。
● S：负数标志位，用于存放N与2的补码和溢出标志V的异或结果。
● V：补码溢出标志位，支持二进制补码运算。
● N：负数标志位，表明算术或逻辑操作结果为负。
● Z：零标志位，表明算术或逻辑操作结果为零。
● C：进位标志位，表明算术或逻辑操作发生了进位。
3. 通用寄存器
ATmega128单片机有32个通用寄存器，其针对ATmega128单片机的指令集进行了优化，支持以下的输入/输出方案。
● 输入为一个8位操作数，输出一个8位结果。
● 输入为两个8位操作数，输出一个8位结果。
● 输入为两个8位操作数，输出一个16位结果。
● 输入为一个16位操作数，输出一个16位结果。
图1.3所示为ATmega128单片机的通用寄存器结构示意图。每个通用寄存器都有一个对应的地址，将它们直接映射到用户数据空间的头32个地址。X、Y、Z寄存器可以设置为指向任意寄存器的指针。
图1.3 ATmega128单片机的通用寄存器结构示意图
通用寄存器R26～R3 1除了用作通用寄存器外，还可以作为数据间接寻址用的地址指针X、Y、Z，如图1.4所示。在不同的寻址模式中，这些地址寄存器可以实现固定偏移量、自动加1和自动减1功能。
图1.4 X、Y、Z寄存器
4. 堆栈
ATmega128单片机的堆栈主要用来保存临时数据、局部变量、子程序和中断子程序的返回地址，堆栈指针总是指向堆栈的顶部。
注意
ATmega128单片机的堆栈是向下生长的，即当有新数据被推入堆栈时，堆栈指针的数值将减小。
ATmega128单片机的堆栈指针指向位于SRAM的函数或中断堆栈，在调用子程序和使能中断之前必须先初始化堆栈，并且堆栈指针必须指向高于0x60的地址空间。
● 当使用PUSH指令将数据推入堆栈时，堆栈指针减1。
● 当子程序或中断返回地址被推入堆栈时，堆栈指针将减2。
● 使用POP指令将数据弹出堆栈时，堆栈指针加1。
● 使用RET或RETI指令从子程序或中断返回时，堆栈指针加2。
ATmega128单片机的堆栈指针实质上是I/O空间中的两个8位寄存器，如表1.2所示。
表1.2 ATmega1 28单片机的堆栈指针寄存器
5. 页面选择寄存器RAMPZ
ATmega128单片机支持不超过64KB的数据存储器空间，页面选择寄存器RAMPZ用于选择ATmega128单片机访问的是哪一个数据存储器空间，其内部结构如表1.3所示。
表1.3 ATmega1 28单片机的页面选择寄存器RAMPZ内部结构
● BIT7～BIT1：保留位。
● RAMPZ0：RAM页面扩展选择指针，当RAMPZ0 =0时，ELPM/SPM指令用于访问ATmega128寄存器的低64KB地址空间0x0000～0x7FFF；当RAMPZ0 =1时，ELPM/SPM指令用于访问ATmega128寄存器的高64KB地址空间0x7FFF～0xFFFF。
说明
LPM指令不受RAMPZ位设置的影响。
6. 中断和复位处理模块
ATmega128单片机的中断事件都在程序空间对应独立的中断向量，所有的中断模块都有自己的使能位。当使能位被置位，并且状态寄存器的全局中断使能位I也被置位时，可以产生中断事件。根据程序计数器PC的不同，在引导锁定位BLB02或BLB12被编程的情况下，中断可能被自动禁止，这个特性提高了软件的安全性。
ATmega128单片机的程序存储区的最低地址默认为复位向量和中断向量，向量列表列出了不同中断的优先级，向量所在的地址越低，优先级越高。RESET具有最高的优先级，第2个为INT0（外部中断请求0）。通过置位通用中断控制寄存器（GICR）的IVSEL，中断向量可以移至引导Flash的起始处，编程熔丝位BOOTRST也可以将复位向量移至引导Flash的起始处。
在任一中断发生时，全局中断使能位I被清零，从而禁止了所有其他的中断，用户软件可以在中断程序里置位I来实现中断嵌套。此时，所有的中断都可以中断当前的中断服务程序，在执行RETI指令后，I自动置位。
ATmega128单片机有两种类型的中断。第1种由中断事件触发并置位中断标志位。对于这些中断，程序计数器跳转到实际的中断向量，以执行中断处理程序，同时硬件将清除相应的中断标志。中断标志位也可以通过对其写“1”的方式来清除。当中断发生后，如果相应的中断使能位为“0”，则中断标志位置位，并一直保持到中断执行，或者被软件清除。类似的，如果全局中断标志被清零，则所有已发生的中断都不会被执行，直到I被置位。然后挂起的各个中断按中断优先级依次执行。
对于第2种类型的中断，只要中断条件满足，就会一直触发。这些中断不需要中断标志位，若中断条件在中断使能之前就消失了，中断不会被触发。
ATmega128单片机在退出中断后，总是回到主程序后并至少执行一条指令，才可以去执行其他被挂起的中断。
注意
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，这些工作必须由用户通过软件来完成；当使用CLI指令来禁止中断时，中断禁止立即生效，没有中断可以在执行CLI指令后发生，即使它是在执CLI指令的同时发生的。
【例1.1】 利用CLI指令来防止中断发生，以避免在对E2 PROM进行写操作时，对E2 PROM内容的破坏。
char cSREG；
cSREG=SREG； //保存SREG内容
CLI（）； //关闭中断
EECR | =（1 ＜＜EEMWE）； //启动E2 PROM写操作
EECR | =（1 ＜＜EEWE）；
SREG=cSREG； //恢复SREG内容，同时打开了内部中断位
注意
当使用SEI指令使能中断时，在执行任何中断之前一定会先执行完SEI指令之后的那一条指令。
ATmega128单片机的中断响应操作最少为4个时钟周期。在4个时钟周期后，程序跳转到实际的中断处理例程。在这4个时钟期期间，PC将自动入栈。在通常情况下，中断向量为一个跳转指令，此跳转需要3个时钟周期。如果中断在一个多时钟周期指令执行期间发生，则在此多周期指令执行完毕后，ATmega128单片机才会执行中断程序。若中断发生时ATmega128单片机处于休眠模式，中断响应时间还需增加4个时钟周期。此外，还要考虑到不同的休眠模式所需要的启动时间。
ATmega128单片机的中断返回操作也需要4个时钟周期，在此期间PC（两个字节）将被弹出栈，堆栈指针加2，状态寄存器SREG的I位被置位。