Microprocesorul este o componentă principală a unui sistem de calcul care are rolul de a executa instrucțiunile unui program. Instrucțiunile ce pot fi rulate de către un procesor sunt de mai multe tipuri:

• Aritmetice/Logice
• De control
• De transfer de date

Procesoarele pentru sisteme încorporate (embedded) se găsesc în număr foarte mare în jurul nostru (electrocasnice, dispozitive portabile, automobile etc.).

O caracteristică foarte importantă a unui procesor este numărul de biți folosiți pentru a reprezenta un număr întreg (lungimea unui cuvânt sau lățimea procesorului). Aceasta influențează câți biți pot fi citiți/scriși într-o singură operație de citire/scriere și, în general, câtă memorie poate fi adresată direct. Cele mai întâlnite arhitecturi din ziua de azi sunt pe 32 și pe 64 de biți, dar există și procesoare pe 4, 8, 12, 16 sau 24 de biți.

După organizarea memoriei de date/instrucțiuni avem următoarele arhitecturi:

Arhitectura Von Neumann	Arhitectura Harvard
Componente: o unitate de procesare, o memorie pentru instrucțiuni și date și unități de intrare/ieșire.	Componente: o unitate de procesare, o memorie de date, o memorie de program și unități de intrare/ieșire.
Are o singură magistrală de adrese și o singură magistrală de date, pe care vor circula și date și instrucțiuni.	Are două magistrale de date și de adrese: una pentru instrucțiuni și una pentru date.
Având o singură magistrală de date și instrucțiuni, acestea au aceeași dimensiune.	Magistralele de instrucțiuni și date pot avea dimensiuni diferite.
Fiindcă instrucțiunile și datele se află în aceeași memorie, codul se poate auto-modifica.	Memoria de program poate fi facută non-volatila (odată scris un program acesta nu mai trebuie reîncărcat la fiecare pornire).

Un procesor este format din patru componente principale:

• Unitatea aritmetică/logică (UAL): execută operațiile aritmetice și logice.
• Registre: cea mai mică unitate de stocare ce face parte dintr-un procesor, în general de dimensiunea unui cuvânt. Registrele care pot fi folosite pentru majoritatea operațiilor se numesc registre de uz general (e.g. AX, BX, CX, DX pe arhitectura x86). Totuși unele registre au un scop particular. Dintre acestea cele mai importante sunt Program Counter (PC), Instruction Register (IR), Stack Pointer (SP) și Flags Register (registru ce indică statusul curent al procesorului).
• Porturi de intrare/ieșire (I/O): linii prin intermediul cărora procesorul se interfațează cu periferice (inclusiv cu memoria). Prin intermediul acestora el poate transmite sau recepționa date.
• Unitatea de control (UC): decodifică instrucțiunea curentă și pe baza acesteia și a stării interne, generează semnale de control pentru toate resursele procesorului (e.g. registrele de intrare/ieșire și operația aritmetică necesare unei instrucțiuni) și coordonează activarea acestor resurse.

Un microcontroller este un chip care conține un microprocesor, memorie de date, memorie de program și dispozitive periferice. Accentul în design se pune pe consum redus de energie și costuri mici de producție. De aceea, în general, rulează la frecvente reduse (zeci, sute de MHz). De asemenea pot fi specializate pe o anumită funcționalitate.

Majoritatea microcontrollerelor sunt formate din:

• Unitatea centrală de procesare
• RAM (memorie volatilă) și/sau Flash/EEPROM (memorie non-volatila)
• Porturi de intrare/ieșire
• Timere
• Interfețe seriale și paralele

ATTiny20 este un microcontroller produs de firma Microchip. El este construit pe arhitectura AVR și are următoarele caracteristici:

• Arhitectura RISC
• 112 de instrucțiuni – majoritatea executate într-un singur ciclu de ceas
• 16 registre generale de 8 biți
• 2048 de octeți de memorie programabilă Flash
• 128 de octeți de memorie SRAM
• 12 pini de intrare/ieșire programabili
• Frecvența de operare de până la 12 MHz
• Tensiune de alimentare 1.8V - 5V

Orice microprocesor are definit un Instruction Set Architecture (ISA):

• O interfață între hardware și software. Așa cum în OOP rolul unei interfețe este de a oferi o imagine de ansamblu, fără a oferi detalii de implementare, așa și aici ISA definește operațiile, accesul la memorie, modurile de stocare suportate de hardware, fără a da detalii de implementare.
• Definește setul de instrucțiuni recunoscute de către procesor. Orice altă instrucțiune are efecte nedeterminate asupra procesorului.
• Definește tipurile de date care pot fi recunoscute de procesor.
• Definește contextul în care o instrucțiune operează.
• Definește cum o serie de instrucțiuni trebuie să interacționeze între ele (propagare de flaguri, executare de salturi condiționale, etc).

O instrucțiune este reprezentată de un șir de biți, o parte dintre ei fiind codul operatiei. Instrucțiunile pot fi codificate pe un număr constant de biți sau să fie de dimensiune variabilă.

Orice procesor poate avea un ciclu de prelucrare a instrucțiunilor diferit, în funcție de ISA-ul pe care îl implementează, însă toate vor urma următoarea structură:

• IF (Instruction Fetch): următoarea instrucțiune este adusă din memorie de la adresa către care pointează registrul Program Counter (PC) și este stocată în registrul Instruction Register (IR). PC este apoi incrementat pentru a pointa către următoarea instrucțiune de încărcat.
• ID (Instruction Decode): instrucțiunea din IR este decodificată.
• EX (Execute): execuția efectivă a instrucțiunii. Aceasta etapă variază în funcție de tipul instrucțiunii curente.
• MEM (Memory Access): ciclu folosit în cazul în care instrucțiunea accesează memoria.
• WB (Write Back): scrierea noilor valori în registre.

Instrucțiunile pentru AVR sunt pe 16 biți sau 32 de biți. Deși procesorul este pe 8 biți, memoria este organizată în rânduri de 16 biți lungime, procesorul putând citi câte un rând la fiecare ciclu de ceas din memoria de program. Astfel, memoria noastră de 2048 de octeți este definită ca 1024 * 2 octeți, adică în 1024 de rânduri, fiecare rând având 2 octeți (16 biți). Exemple de instrucțiuni AVR:

• Aritmetice/Logice
  • ADD
  • SUB
  • MUL
  • AND
  • OR
  • NEG
• De control
  • RJMP
  • BREQ
• De transfer de date
  • LDS
  • MOV
  • STS
  • IN
  • OUT

Mai sus puteți vedea un extras din definiția setului de instrucțiuni AVR. Observați numele instrucțiunii (ADD), descrierea funcționalității ei, o descriere matematică a funcționalității, sintaxa în limbaj de asamblare (AVRASM) și codul operației pe 16 biți.

Rd și Rr sunt nume generice date celor două registre folosite, în practică ambele pot fi oricare dintre registrele R₀ - R₃₁ (0 <= d <= 31, 0 <= r <= 31). Procesorul știe ce registre să folosească prin concatenarea biților marcați cu d si r din codul operației. Spre exemplu, codificarea operației ADD R₁₆, R₁ este 0000 1101 0000 0001.

Pentru a reține toate aceste evenimente se folosesc flag-uri grupate în ceea ce se numește Processor Status Register sau SREG (este oarecum echivalentul registrului flags din arhitectura x86).

Printre flag-urile des folosite din SREG se află:

• Z (Zero) - indică dacă rezultatul unei operații aritmetice este zero.
• C (Carry) - indică faptul că s-a realizat un transport la nivelul bitului cel mai semnificativ in cazul unei operații aritmetice.
• V (Overflow) - arată că, în cazul unei operații aritmetice cu semn, complementul față de doi al rezultatului nu ar încăpea în numărul de biți folosiți pentru a reprezenta operanzii. Mai simplu, ia valoarea 1 dacă:
  • adun 2 numere pozitive și obțin rezultat negativ, sau
  • adun 2 numere negative și obțin rezultat pozitiv
• N (Negative) - semnul rezultatului unei operații aritmetice.
• S (Sign) - este un flag unic AVR, calculat după formula S = N xor V.

Exemplu: Pentru operatia add 129, 177, încep prin a scrie numerele în binar:

129 = 1000 0001
177 = 1011 0001

și după le adun:

  1000 0001 +
  1011 0001
-------------
1 0011 0010
  ^
  |
 MSB

Verific ce flag-uri sunt active astfel:

• Z = 0 → rezultatul meu nu conține numai 0-uri (cei 8 biți pe care se scrie rezultatul)
• C = 1 → rezultatul final a depășit numărul de 8 biți (cât are procesorul nostru)
• V = 1 → MSB = 0, iar cele două numere adunate au ambele MSB = 1 (din două numere negative am obținut unul pozitiv)
• N = 0 → rezultatul este unul pozitiv (MSB = 0)
• S = 1 → S = N ^ V = 0 ^ 1 = 1

Scrierea biților cu valorile corespunzătoare din SREG revine UAL-ului. La execuția unei operații, se calculeaza și valorile fiecărui flag ce poate fi afectat de acel tip de operație. Practic, ca și la arhitectura x86, putem considera că SREG este un registru global, a cărui valoare este setată de ultima instrucțiune aritmetico-logică executată de procesor.