第1章AVR单片机概述.docx
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第1章AVR单片机概述
第1章AVR单片机概述
AVR单片机是Atmel公司于20世纪90年代中后期开发出的一种8位单片机。
这种单片机采用RISC内核，具有使用灵活、高性能、低功耗等特点。
此外，在某些情况下，AVR处理器甚至可以独自成为一种片上系统，完成极其复杂的功能。
目前，该型号单片机已经展示出极其强大的生命力，在国防、工业、农业、企业管理、交通运输、日常生活等各个领域得到了广泛应用。
本章主要介绍AVR单片机的发展历史及其主要应用，围绕ATmega128（L）单片机，分析其结构、主要特点、性能封装和引脚定义。
1.1AVR与51单片机
单片机嵌入式系统的硬件基本构成分为两大部分：
单片微控制器芯片和外围的接口电路。
其中，单片微控制器是构成单片机嵌入式系统的核心。
为了强调其控制属性，也可以把单片机称为微控制器MCU。
在国际上，“微控制器”的叫法似乎更通用一些，而我国比较习惯使用“单片机”这一名称。
单片机因将计算机的主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体地说就是把中央处理单元CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要微型机部件集成在一块芯片上。
因此，一片芯片构成了一个基本的微型计算机系统。
由于单片机芯片的微小体积，极低的成本和面向控制的设计，使得它作为智能控制的核心器件被广泛地应用于嵌入到工业控制、智能仪器仪表、家用电器、电子通信产品等各个领域中的电子设备和电子产品中。
可以说由单片机为核心构成的单片机嵌入式系统已成为现代电子系统中最重要的组成部分。
早期的单片机都是8位或4位的，其中最成功的是Intel的8031，因为其简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后，在8031上发展出了MCS-51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
20世纪90年代后随着消费电子产品的大发展，单片机技术得到了巨大的提高。
随着Inteli960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，因此，8位单片机将在未来很长时间里继续发展。
目前，高校单片机教学中大都以MCS-51为首选机型进行讲解，MCS-51单片机作为目前最具代表性的主流机型。
然而，随着单片机的应用进入SOC时代，其不足和缺陷也显而易见。
这些缺陷和不足表现在以下几个方面：
（1）片上资源不够丰富。
（2）系统开发调试不足。
✧连接问题：
设计系统的PCB板时要考虑在线仿真器与其的连接，否则无法进行总线调试。
✧时序限制：
指目标系统在设计时要求在处理器、目标内存或目标系统中的其他存储器映射FO设备之间有非常陡的时序边缘，使用在线仿真器就可能会产生问题。
✧在线调试时工作频率受限：
在仿真调试中的工作频率不高于20MHz。
（3）功耗问题的限制。
MCS-51是5V供电的，功耗较大，难以满足许多系统低功耗的要求。
AVR单片机是美国Atmel公司设计的，AVR单片机对原51单片机内核进行了较大改造，采用精简指令集RISC（ReducedInstructionSetCPU）的AVR结构，废除了原51单片机中的机器周期，由原来12个时钟执行一条指令改进为一个时钟执行一条单周期指令，大多数指令执行所需的时钟周期数与指令的字节数相同，使得AVR单片机的运行速度大大提高。
AVR单片机的设计者除了改造51内核外，还将Flash、E2PROM、A/D、RTC、Watchdog、定时器、I2C、SPI、PWM和片内振荡器等集合为一体，可以真正做到单片。
AVR单片机兼容51指令集，能够沿用过去开发的51应用程序，使得一直用51单片机教学的高校和从事51单片机开发应用者可以继往开来。
AVR技术创新主要体现在以下几个方面：
✧高性能，采用精简指令集CPU（RISC）和哈佛（Harvard）结构的流水线技术，拥有32个通用工作寄存器。
✧片内集成了非易失性程序和数据存储器以及工作存储器。
✧丰富的外设，如I2C、SPI、E2PROM、RTC、看门狗定时器、A/D转换器、PWM和片内振荡器等。
✧宽工作电压：
1.8～6V之间。
✧低功耗，具有6种休眠模式，能够从低功耗模式迅速唤醒。
✧编译好的目标文件可通过在线编程（ISP）直接写入程序存储器，实现芯片在系统编程调试，无须购买昂贵的仿真器和编程器，从而节省了系统开发成本。
✧输入/输出口资源丰富，设计灵活，驱动力强。
✧具有多复位源、多中断源方式。
✧串口通信不占用定时器，采用独特的波特率发生器。
✧保密性强，Flash程序存储器具有保密锁死功能。
由于AVR单片机具有上述这些优点，给用户带来了前所未有的好处。
越来越多的设计人员把目光转向AVR单片机，把AVR单片机作为8位单片机的最佳选择，从而使AVR单片机进入大批量的应用领域。
ATmega系列单片机属于AVR中的高档产品，它具有AVR单片机所具有的特点，并在此基础上增加了更多的接口功能，提供更充足的程序和数据存储器，而且在省电性能、稳定性、抗干扰性以及灵活性方面考虑得更加周全和完善。
本书采用ATmega128单片机，它属于ATmega系列单片机的一个子集（ATmega32/64/128），指令系统完全兼容，所以学会了ATmega128的应用，掌握其他的ATmega系列单片机就会轻车熟路。
随着单片机技术的发展，ATmega系列单片机已成为MCS-51的升级替代产品，必然会成为经典单片机教学的方向。
1.2AVR单片机及其发展
Atmel公司把8051内核与其擅长的Flash存储器技术相结合，是国际上最早推出片内集成可重复擦写1000次以上Flash程序存储器、采用低功耗CMOS工艺的8051兼容单片机的生产商之一。
8051结构的单片机采用复杂指令系统CISC（ComplexInstructionSetComputer）体系。
由于CISC结构存在指令数多，CPU利用效率低，执行速度慢等缺陷，已不能满足和适应设计中高档电子产品和嵌入式系统应用的需要。
Atmel公司发挥其Flash存储器技术的特长，于1997年研发和推出了全新配置采用精简指令集RISC（ReducedInstructionSetCPU）结构的新型单片机，简称AVR单片机。
1.2.1AVR单片机简介
AVR单片机是1997年由Atmel公司挪威设计中心利用Atmel公司的Flash新技术研发出的RISC精简指令集的高速8位单片机。
其中，A与V分别代表两位充满工作激情与灵感的挪威年轻研发者姓名的第一个字母，R代表该芯片为RISC架构，因此，该系列单片机简称AVR。
Atmel公司的AVR单片机有3个系列的产品。
为满足不同的需求和应用，Atmel公司对AVR单片机的内部资源进行了相应的扩展和删减，推出了tinyAVR、lowpowerAVR和megaAVR，分别对应低、中、高3个不同档次数十种型号的产品，如表1-1所示。
表1-1AVR单片机分类
8位AVR单片机RISC结构
存储器配备（Bytes）
系列
封装
Flash
SRAM
E2PROM
tinyAVR
8～32pin
1～2K
upto128
upto128
lowpowerAVR
8～44pin
1～8K
upto1K
upto512
megaAVR
28～64pin
8～128K
upto4K
upto4K
3个系列的所有型号单片机，其内核都是相同的AVR内核，它们的指令系统兼容。
只是在内部资源的配备（存储器容量的大小等）以及片内集成的外围接口的数量和功能上有所不同。
不同型号的AVR单片机也不一样，引脚数从8到64脚，价格从几元到几十元，可以满足不同场合、不同应用的需求，用户可以根据需要选择。
这3个系列单片机的选型表读者可从网上下载。
自2002年以来，Atmel公司对AVR单片机产品线进行了调整，逐步停止了性能重叠的中档lowpowerAVR单片机中AT90s系列的生产，而用性能更加优越的mega系列代替。
例如，停止AT90S4414、AT90S8515等芯片的生产，用ATmega8515替代AT90S8515，用ATmega8535替代AT90S8535，用ATmega8替代AT90S4433等。
由于mega系列单片机的性能更加完美，使用更加方便，功能更加强大，因此，Atmel公司今后将以mega系列作为AVR单片机的主流产品，逐步减少和停止中档AVR单片机（AT90SXXXX）的生产。
目前tinyAVR和mega系列的单片机已成为AVR的主流。
tinyAVR系列的AVR内部的资源相对少一些，引脚也少。
适合应用在家用电器、简单的控制方面的应用，如空调、冰箱、微波炉、烟雾报警器等。
mega系列单片机的性能不仅优越，同时也有非常好的性能价格比。
引脚数最少（28个引脚）的ATmega8，在我国国内市场上的价格不超过15元人民币，却有1K的SRAM、8KB的Flash、512个字节的E2PROM，两个8位和一个16位共3个超强功能的定时器/计数器，以及USART、SPI、8路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI（I2C）、片内高精度RC振荡器等多种功能的接口和特性。
ATmega128是目前常用的AVR单片机中配置全、功能强的一款。
在片内集成了4KB的RAM、128KB的Flash、4KB的E2PROM，支持64KB空间的外部并行扩展，两个8位和两个16位共4个超强功能的定时器/计数器，以及2路USART、SPI、多路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI（I2C）、片内高精度RC振荡器等多种功能的接口和特性，适合在中高档电子产品中应用。
1.2.2AVR单片机的特点
自从Atmel公司推出AVR单片机以来，产品受到越来越多单片机开发者的关注，主要因为AVR单片机具有以下特点：
✧可多次擦写。
AVR程序存储器为可擦写1000次的Flash构成，并具有可擦写10000次以上的E2PROM，因此可低价快速完成产品的商品化，可多次更改程序而不必浪费单片机或电路板，大大提高了产品的质量和竞争力。
✧执行周期短。
作为高速单片机，AVR处理器可以达到一个时钟周期执行一条指令，绝大部分指令都为单周期指令。
而PIC单片机要4个时钟周期执行一条指令，MSC-51执行一条指令要12个时钟周期。
此外，AVR处理器支持多种外部时钟源，高端AVR处理器最高可达到16MHz。
✧高度保密。
可多次烧写的Flash且具有多重密码保护锁定（LOCK）功能，因此可低价快速完成产品商品化，且可多次更改程序（产品升级），方便了系统调试，而且不必浪费IC或电路板，大大提高了产品质量及竞争力。
✧I/O口功能强、驱动能力大。
AVR器件引脚从8脚到64脚再到100脚，还有各种不同封装供选择。
详细的选型信息可以参考相关网站，AVR单片机的输入/输出口是真正的输入/输出口，能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。
AVR单片机的I/O口有输入/输出、三态高阻输入，也可设定内部上拉电阻作输入端的功能，以适应各种应用的需要（多功能I/O口）。
在工业级产品中，支持大电流（灌电流）设置，通常为10～40mA，从而可直接驱动可控硅SSR或继电器，节省了外围驱动器件。
看门狗定时器（WDT）安全保护，可防止程序走飞，提高产品的抗干扰能力。
✧超功能精简指令。
具有32个通用工作寄存器（相当于8051中的32个累加器），克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象。
片内含有128-4K字节SRAM，可灵活使用指令运算，适合使用功能很强的C语言编程，易学、易写、易移植。
✧写入方式多样。
程序写入器件时，可以使用并行方式写入（用编程器写入），也可使用串行在线下载（ISP）、在应用下载（IAP）方法或JTAG口下载写入，不必将单片机芯片从系统板上拆下拿到万用编程器上烧录，而可直接在电路板上进行程序的修改、烧录等操作，方便产品升级，尤其是对于使用SMD表贴封装器件，更利于产品微型化。
✧I/O口功能强大。
通用数字I/O口的输入/输出特性与PIC的HI/LOW输出及三态高阻抗HI-Z输入类同，同时可设定类同与8051结构内部有上拉电阻的输入端功能，便于作为各种应用特性所需（多功能I/O口），AVR的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口的输入/输出的真实情况。
单片机内集成有模拟比较器，可组成廉价的A/D转换器。
✧中断入口多。
像8051一样，有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断，而不是像PIC一样所有中断都在同一向量地址，需要以程序判别后才可响应，这会浪费且失去控制时机的最佳机会。
✧复位延时。
同PIC一样，带有可设置的启动复位延时。
AVR单片机内部有电源开关启动计数器，当系统RESET复位上电后，利用内部的RC看门狗定时器，可延迟MCU开始运行执行程序的时间。
这种延时启动的特性，可使MCU在系统电源、外部电路达到稳定后再正式开始执行程序，因此提高了系统工作的可靠性，同时也可节省外加的复位延时电路。
✧低功耗。
具有多种不同方式的休眠省电功能和低功耗的工作方式。
✧时钟多样。
许多AVR单片机具有内部的RC振荡器，提供1/2/4/8MHz的工作时钟，使该类单片机无须外加时钟电路元器件即可工作，非常简单和方便。
✧PWM功能多。
带预分频器的8位和16位计数器/定时器（C/T），除了实现普通的定时和计数功能外，还具有输入捕获、产生PWM输出等更多的功能。
✧通信性能优良。
具有性能优良的串行同/异步通信USART口，不占用定时器，可实现高速同/异步通信。
✧扩展范围大。
mega8515及mega128等芯片具有可并行扩展的外部接口，扩展能力达64KB。
✧电压范围宽。
工作电压范围宽2.7～6.0V，具有系统电源低电压检测功能，电源抗干扰性能强。
✧A/D通道多。
有多通道的10位A/D及实时时钟RTC。
许多AVR芯片内部集成了8路10位A/D接口，如mega8、mega16、mega8535等。
1.2.3AVR单片机的分类
AVR单片机可以广泛应用于工业实时控制、仪器仪表、通信、数据检测和家用电器等各个领域。
从AVR单片机的应用场合来看，AVR单片机大致可以分为以下几类：
✧AUTOMOTLVEAVR。
✧AVRZ-LINK。
✧CANAVR。
✧LCDAVR。
✧LIGHTINGAVR。
✧megaAVR。
✧SMATBATTERYAVR。
✧tinyAVR。
✧USBAVR。
1.2.4AVR单片机应用领域
AVR单片机的应用领域体现在以下几个方面。
1．工业控制
基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空间，目前已经有大量的8、16、32位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等领域。
就传统的工业控制产品而言，低端型往往采用8位单片机，但随着技术的发展，32位、64位的微处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得更大的发展。
2．交通管理控制
在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块、GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。
目前GPS设备已经由原来的尖端产品而转为进入普通百姓的家庭常用工具，只需要几千元，就可以随时随地找到用户所在的位置。
如图1-1所示即为GPS手持机。
3．信息家电
这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。
即使不在家里，也可以通过电话线、网络对这些电器进行远程控制。
在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。
如图1-2所示的家电，它是信息家电的一种——家庭网络视频电话。
图1-1GPS手持机图1-2家庭网络视频电话
4．家庭智能管理系统
水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌入的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。
目前，在服务领域中，一些手持设备已经体现出了嵌入式系统的优势。
5．POS网络
可用于公共交通无接触智能卡（ContactlessSmartCard，CSC）发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机等，如图1-3所示即为智能售货机。
各种智能ATM终端将全面走入人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。
图1-3智能售货机
6．环境监测
环境监测包括水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测、堤坝安全、地震监测网、实时气象信息网、水源和空气污染监测等。
在很多环境恶劣、地况复杂的地区，嵌入式系统将实现对环境的无人监测。
7．机器人
嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。
除了以上这些应用领域，AVR单片机还有其他方面的应用，尤其是在控制方面的应用。
所以，开发和探讨AVR单片机嵌入式系统有着十分重要的意义。
1.3AVR单片机开发产品的优势
Atmel公司把8051内核与其擅长的Flash存储器技术相结合，是国际上最早推出片内集成可重复擦写1000次以上Flash程序存储器、采用低功耗CMOS工艺的8051兼容单片机的生产商之一。
市场上家喻户晓的AT89C51、AT89C52、AT89C1051、AT89C2051就是Atmel公司生产的基于8051内核系列单片机中的典型产品（现在已升级换代为AT89SXX系列，采用ISP在线编程技术）。
该系列单片机一直在我国的单片机市场上占有相当大的份额。
8051结构的单片机采用复杂指令系统CISC（ComplexInstructionSetComputer）体系。
由于CISC结构存在指令数多，CPU利用效率低，执行速度慢等缺陷，已不能满足和适应设计中高档电子产品和嵌入式系统应用的需要。
Atmel公司发挥其Flash存储器技术的特长，于1997年研发和推出了全新配置采用精简指令集RISC（ReducedInstructionSetCPU）结构的新型单片机，简称AVR单片机。
精简指令集RISC结构是20世纪90年代开发出来的一种综合了半导体集成技术和提高软件性能的新结构，是为了提高CPU运行的速度而设计的芯片体系。
它的关键技术在于采用流水线操作（Pipelining）和等长指令体系结构，使一条指令可以在一个单独操作中完成，从而实现在一个时钟周期里完成一条或多条指令。
同时，RISC体系还采用了通用快速寄存器组的结构，大量使用寄存器之间的操作，简化了CPU中处理器、控制器和其他功能单元的设计。
因此，RISC的特点就是通过简化CPU的指令功能，使指令的平均执行时间减少，从而提高CPU的性能和速度。
在使用相同的晶片技术和相同的运行时钟下，RISC系统的运行速度是CISC的2～4倍。
由于RISC体系所具有的优势，使得它在高端系统得到了广泛的应用。
例如，ARM以及大多数32位的处理器都采用RISC体系结构。
Atmel公司的AVR是8位单片机中第一个真正的RISC结构的单片机，它采用了大型快速存取寄存器组、快速的单周期指令系统以及单级流水线等先进技术，使得AVR单片机具有高达1MIPS/MHz的高速运行处理能力。
AVR采用流水线技术，在前一条指令执行的时候，就取出现行的指令，然后以一个周期执行指令，大大提高了CPU的运行速度。
另外一点，传统的基于累加器的结构单片机（如8051），需要大量的程序代码来实现在累加器和存储器之间的数据传送。
而在AVR单片机中，由于采用32个通用工作寄存器构成快速存取寄存器组，用32个通用工作寄存器代替了累加器，从而避免了在传统结构中累加器和存储器之间数据传送造成的瓶颈现象，进一步提高了指令的运行效率和速度。
随着电子产品更新换代的周期缩短以及不断向高端发展，为了加快产品进入市场的时间和简化系统的设计、开发、维护和支持，对于以单片机为核心所组成的高端嵌入式系统来说，用高级语言编程已成为一种标准设计方法。
AVR单片机采用RISC结构，其目的就在于能够更好地采用高级语言（例如C语言、Basic语言）来编写嵌入式系统的系统程序，从而能高效地开发出目标代码。
AVR单片机采用低功率、非挥发的CMOS工艺制造，内部分别集成Flash、E2PROM和SRAM3种不同性能和用途的存储器。
除了可以通过使用一般的编程器（并行高压方式）对AVR单片机的Flash程序存储器和E2PROM数据存储器进行编程外，大多数的AVR单片机还具有ISP在线编程的特点以及IAP在应用编程的特点。
这些优点为使用AVR单片机开发设计和生产产品提供了极大的方便。
在产品的设计生产中，可以“先装配后编程”，从而缩短了研发周期、工艺流程，并且还可以节约购买开发仿真编程器的费用。
同样，对于学习和使用AVR单片机的用户来说，也不必购买昂贵的开发仿真硬件设备，只需要具备一套好的AVR开发软件平台，就可以从事AVR单片机系统的学习、设计和开发工作了。
1.4ATmega128（L）单片机
ATmega128（L）单片机是内置128K字节的系统内可编程Flash的在线可编程8位微控制器，本书所有内容也都是围绕ATmega128（L）单片机来展开学习的，读者掌握ATmega128（L）单片机的开发应用后，就能很容易掌握其他AVR系列的单片机了。
1.4.1ATmega128（L）的结构和特点
ATmega128（L）是基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。
由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128（L）的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾，其结构框图如图1-4所示。
图1-4ATmega128结构框图
ATmega128（L）的特点如下。
（1）CPU内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与算术逻辑单位（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高10倍的数据吞吐率。
128KB的系统内可编程Flash（具有在写的过程中还可以读的功能，即RWW）、4KB的E2PROM、4KB的SRAM、53个通用I/O口线，32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器（T/C）、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8通道10位ADC（具有可选的可编程增益）、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行接口和与IEEE1149.1规范兼容的JTAG测试接口（此接口同时还可以用于片上调试）。
（2）6种可以通过软件选择的省电模式。
空闲模式时CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI接口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，期间的其他部分则处于睡眠状态；ADC噪声抑制模式时CPU和所有的I/O模块停止运行，而异步定时器和ADC继续工作，以减少ADC转换时的开关噪声；Standby模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式则允许振荡器和异步定时器继续工作。
（3）器件是以Atmel的高密度非易失性内存技术生产的，片内ISPFlash可以通过SPI接口、通用编程器，或引导程序多次
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