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ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega16 的數據吞吐率高達 1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。
為了獲得最高的性能以及并行性， AVR 采用了 Harvard 結構，具有獨立的數據和程序總線。程序存儲器里的指令通過一級流水線運行。 CPU 在執行一條指令的同時讀取下一條指令 （ 在本文稱為預取 ）。這個概念實現了指令的單時鐘周期運行。程序存儲器是可以在線編程的 FLASH。快速訪問寄存器文件包括 32 個 8 位通用工作寄存器，訪問時間為一個時鐘周期。從而實現了單時鐘周期的 ALU 操作。在典型的 ALU 操作中，兩個位于寄存器文件中的操作數同時被訪問，然后執行運算，結果再被送回到寄存器文件。整個過程僅需一個時鐘周期。寄存器文件里有 6 個寄存器可以用作 3 個 16 位的間接尋址寄存器指針以尋址數據空間，實現高效的地址運算。其中一個指針還可以作為程序存儲器查詢表的地址指針。這些附加的功能寄存器即為 16 位的 X、 Y、 Z 寄存器。 ALU支持寄存器之間以及寄存器和常數之間的算術和邏輯運算。ALU也可以執行單寄存器操作。運算完成之后狀態寄存器的內容得到更新以反映操作結果。
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