第 1 章认识 AVR 单片机

第1章认识AVR单片机 一二概述 AVR内核结构

一、概述 1、AVR单片机主要特点 8051结构的单片机采用复杂指令系统CISC(Complex Instruction Set Computer)体系。由于CISC结构存在指令系统不等长，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(Reduced Instruction Set CPU)结构的新型单片机，简称AVR单片机。

一、概述 1、AVR单片机主要特点 • RISC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。 • 精简指令总数 • 精简指令寻址方式 • 精简指令执行周期

一、概述 1、AVR单片机主要特点 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。而在其它的CISC以及类似的RISC结构的单片机中，外部振荡器的时钟被分频降低到传统的内部指令执行周期，这种分频最大达12倍（8051）。

一、概述 1、AVR单片机主要特点简言之： 8051：CISC,多周期，速度慢 AVR： RISC，单周期，流水线，速度快

一、概述 2、AVR单片机选型表1：AVR型号分类

一、概述 2、AVR单片机选型表2：ATmage内核选型

表2：中高档

二、AVR内核结构 1、AVR CPU内核（1）ATmage16 特点 1）采用先进RISC结构的AVR内核（哈弗结构） 131条机器指令，且大多数指令的执行时间为单个系统时钟周期； 32个8位通用工作寄存器；工作在16MHz时具有16MIPS的性能。配备只需要2个时钟周期的硬件乘法器 2）片内含有较大容量的非易失性的程序和数据存储器 16K字节在线可编程（ISP）Flash程序存储器采用Boot Load技术支持IAP功能；1K字节的片内SRAM数据存储器，可实现3级锁定的程序加密； 512个字节片内在线可编程EEPROM数据存储器（寿命>10万次）；

二、AVR内核结构 1、AVR CPU内核（1）ATmage16 特点 3）片内含JTAG接口可通过JTAG口对片内的Flash、EEPROM、配置熔丝位和锁定加密位实施下载编程；

二、AVR内核结构 1、AVR CPU内核（1）ATmage16 特点 4）集成丰富的外围资源 ●1个可编程的增强型全双工的，支持同步/异步通信的串行接口USART； ●1个可工作于主机/从机模式的SPI串行接口（支持ISP程序下载）； ●片内模拟比较器； ●内含可编程的，具有独立片内振荡器的看门狗定时器WDT；

二、AVR内核结构 1、AVR CPU内核（1）ATmage16 特点 4）集成丰富的外围资源 ●2个带有分别独立、可设置预分频器的8位定时器/计数器； ●1个带有可设置预分频器、具有比较、捕捉功能的16位定时器/计数器； ●片内含独立振荡器的实时时钟RTC； ●4路PWM通道； 8路10位ADC； ●面向字节的两线接口TWI（兼容I2C硬件接口）；

二、AVR内核结构 1、AVR CPU内核（1）ATmage16 特点 5）其他特点 ●片内含上电复位电路以及可编程的掉电检测复位电路BOD； ●片内含有1M/2M/4M/8M，经过标定的、可校正的RC振荡器，可作为系统时钟使用； ●多达21个各种类型的内外部中断源； ●有6种休眠模式支持省电方式工作；

二、AVR内核结构 1、AVR CPU内核（1）ATmage16 特点 6）宽电压、低功耗 ●工作电压范围宽：ATmega16L 2.7—5.5v，ATmega16 4.5—5.5v； ●运行速度：ATmega16L 0—8M，ATmega16 0—16M； ●低功耗：ATmega16L工作在1MHz、3v、25度时的典型功耗为，正常工作模式 1.1mA，空闲工作模式 0.35mA，掉电工作模式 <1uA；

二、AVR内核结构 （2）ATmage16 内核结构 ATmage16 CPU包括： ● ALU运算逻辑单元、32个8位快速访问通用寄存器组（寄存器文件）、程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器。 􀁺 ● 程序存储器Flash。 􀁺 ● 数据存储器RAM和EEPROM。 􀁺 ● 各种功能的外围接口、I/O，以及与它们相关的数据、控制、状态寄存器等。

二、AVR内核结构 （3）系统时钟 ATmega16的片内含有4种频率（1/2/4/8M）的RC振荡源，可直接作为系统的工作时钟使用。同时片内还设有一个由反向放大器所构成的OSC（Oscillator）振荡电路，外围引脚XTAL1和XTAL2分别为OSC振荡电路的输入端和输出端，用于外接石英晶体等，构成高精度的或其它标称频率的系统时钟系统。 ATmega16最高的工作频率为16M（16MIPS）。时钟频率越高，其耗电量也越大，也容易受到干扰（或干扰别人）。在具体设计时，应根据实际产品的需要，尽量采用较低的系统时钟频率，这样不仅能降低了功耗，同时也提高了系统的可靠性和稳定性。

二、AVR内核结构 （3）系统时钟三种时钟源： 1）使用片内1/2/4/8MRC振荡源； 2）使用外部晶振。在XTAL1、XTAL2上外接晶体及电容使用片内的OSC（Oscillator）振荡电路； 3）使用外部有源晶振。方式2和方式3的电路连接见图 (a)和(b)。

二、AVR内核结构 （3）系统时钟方式2是比较常用的方法，晶体可在0-16MHz之间选择，电容值在20pF-30pF之间（最好与所选用的晶体相匹配）。当对系统时钟电路的精度要求不高的话，可以使用第1种方式——内部晶振，此时XTAL1和XTAL2引脚悬空。第3种在AVR系统不常用。

二、AVR内核结构 （5）封装及引脚功能 DIP封装 TQFP封装

二、AVR内核结构 （5）封装及引脚功能 TQFP封装 DIP封装

二、AVR内核结构 （5）封装及引脚功能 1）电源及复位 VCC: 芯片供电（片内数字电路电源）输入引脚，使用时连接到电源正极。 AVCC：为端口A和片内ADC模拟电路电源输入引脚。不使用ADC时，直接连接到电源正极；使用ADC时，应通过一个低通电源滤波器与Vcc连接。 AREF：使用ADC时，可作为外部ADC参考源的输入引脚。 GND: 芯片接地引脚，使用时接地。 XTAL2：片内反相振荡放大器的输出端。 XTAL1：片内反相振荡放大器和内部时钟操作电路的输入端。

二、AVR内核结构 （5）封装及引脚功能 2）32条I/O口分成PA、PB、PC和PD四组端口，每组8个，全部是可编程控制、多功能复用I/O引脚。四组端口的第一功能是通用的双向数字输入/输出（I/O）口，每一位都可以由指令设置为独立的输入口，或输出口。当I/O设置为输入时，引脚内部还配置有上拉电阻，可通过编程使上拉有效或无效。

二、AVR内核结构 （5）封装及引脚功能 2）32条I/O口 I/O口输出方式：高电平能够输出20mA的电流；而当其输出低电平时，可以吸收40mA的电流。因此AVR的I/O口驱动能力非常强，能够直接驱动LED发光二极管、数码管等。芯片Reset复位后，所有I/O口的缺省状态为输入方式，上拉电阻无效，即I/O为输入高阻的三态状态。

二、AVR内核结构 2 存储器地址（1）数据存储器SRAM

二、AVR内核结构 （1）数据存储器SRAM 全部共1120个数据存储器地址为线性编址，前96个地址为寄存器组（32个8位通用寄存器），I/O寄存器（64个8位I/O寄存器），分配在SRAM数据地址空间的$0000～$001F，$0020～$005F。 5种寻址方式： Ю直接寻址; Ю带偏移量的间接寻址; Ю间接寻址; Ю带预减量的间接寻址; Ю带后增量的间接寻址。

二、AVR内核结构 （2）内部EEPROM存储器 AVR系列单片机还包括64B～4K字节的EEPROM数据存储器。它们被组织在一个独立的数据空间中。这个数据空间采用单字节读写方式。 EEPROM 的使用寿命至少为 10万次写/擦循环。ATmega16的EEPROM容量是512字节，地址范围为$0000～$01FF。 EEPROM数据存储器可用于存放一些需要掉电保护，而且比较固定的系统参数、表格等。

二、AVR内核结构 3、寄存器（1）通用寄存器组 32个通用寄存器的，所有的通用寄存器操作指令均带有方向的，并能在单一时钟周期中访问。

二、AVR内核结构 3、寄存器（1）通用寄存器组每个通用寄存器还被分配在AVR的数据存储器空间中，他们直接映射到数据空间的前32个地址，因此也可以使用访问SRAM的指令对这些寄存器进行访问。

二、AVR内核结构 3、寄存器（1）通用寄存器组 AVR寄存器组最后的6个寄存器R26～R31具有特殊的功能，这些寄存器每两个合并成一个16位的寄存器，作为对数据存储器空间（使用X、Y、Z）以及程序存储器空间（仅使用Z寄存器）间接寻址的地址指针寄存器。在不同指令的寻址模式下，利用地址寄存器可实现地址指针的偏移、自动增量和减量（参考不同的指令）等不同形式的间址寻址操作。

二、AVR内核结构 （2）I/O口寄存器

二、AVR内核结构 （2）I/O口寄存器 AVR系列单片机所有I/O口及外围接口的功能和配置均通过I/O寄存器的进行设置和使 CPU访问I/O寄存器。

二、AVR内核结构 （3）状态寄存器及堆栈指针 1）状态寄存器SREG SREG是一个8位标志寄存器，用来存放指令执行后的有关状态和结果的标志。可硬件或软件修改。 SREG的位反映了CPU运算、操作结果的状态。 SREG在I/O空间的地址为$3F($005F)，其各标志位的意义如下：

二、AVR内核结构 （3）状态寄存器及堆栈指针 1）状态寄存器SREG ●位7—I: 全局中断使能位中断总控制开关。置“1”时，打开总中断，清 “0”所有中断被禁止，CPU不响应任何的中断请求。除了该标志位用于AVR中断的总控制，各中断源受其独立中断屏蔽寄存器（GIMSK、TIMSK）控制。如果全局中断触发寄存器被清另（“0”），则全局中断被禁止，但单独的中断触发控制在GIMSK和TIMSK中的值保持不变。在中断发生后，I位由硬件清除，并由RETI(中断返回)指令置位，从而允许子序列的中断响应。

二、AVR内核结构 （3）状态寄存器及堆栈指针 1）状态寄存器SREG ●位6—T: 位复制存储位复制指令BLD和BST使用T标志位作为源和目标。通用寄存器组中任何一个寄存器中的一位可以通过BST指令被复制到T中，而用BLD指令则可将T中的位值复制到通用寄存器组中的任何一个寄存器的一位中。 ●位5—H: 半进位标志位 ● 位4—S: 符号标志位。S = N⊕V 是负数标志位N和2的补码溢出标志位V两者异或值。在正常运算条件下（V=0，不溢出）S=N，即运算结果最高位作为符号是正确的。而当产生溢出时V=1，此时N失效，但S=N⊕V还是正确的。对于有符号数据而言，执行减法或比较操作后，S标志能正确指示两个数的大小。

二、AVR内核结构 1）状态寄存器SREG ●位3—V: 2补码溢出标志位 2的补码溢出标志位V，支持2的补码运算，为模2补码加、减运算溢出标志。溢出表示运算结果超过了正数（或负数）所能表示的范围。加法溢出表现为正+正=负，或负+负=正；减法溢出表现为正-负=负，或负-正=正。溢出时，运算结果最高位（N）取反才是真正的结果符号。 ●位2—N: 负数标志位负数标志位直接取自运算结果的最高位，N=1时表示运算结果为负，否则为正。但发生溢出时不能表示真实的结果

二、AVR内核结构 1）状态寄存器SREG ● 位1—Z: 零值标志位零值标志位表明在CPU运算和逻辑操作之后，其结果是否为零，当Z=1表示结果为零。 ● 位0－C：进/借位标志进位标志位表明在CPU的运算和逻辑操作过程中有无发生进/借位。

二、AVR内核结构 2）SP堆栈指针堆栈是数据结构中所使用的专用名词，它是由一块连续的SRAM空间和一个堆栈指针寄存器组成，主要应用于快速便捷的保存临时数据、局部变量和中断调用或子程序调用的返回地址。堆栈在系统程序的设计和运行中起者非常重要的作用，只要程序中使用了中断和子程序调用，就必须正确的设置堆栈指针寄存器SP，在SRAM空间建立堆栈区。堆栈是一种特殊的线性数据结构，数据的进出在堆栈的顶部进行，并遵循后进先出（LIFO）的原则。堆栈指针实际上就是堆栈顶部的地址，它随着堆栈中数据的进出而变化。堆栈指针寄存器SP中保存着堆栈指针，即堆栈顶部的地址。

二、AVR内核结构 2）SP堆栈指针 AVR的堆栈是向下增长的，即新数据进入堆栈时栈顶指针的数据将减小（注意：这里与51不同，51的堆栈是向上增长的，即进栈操作时栈顶指针的数据将增加），所以尽管原则上堆栈可以在SRAM的任何区域中，但通常初始化时将SP的指针设在SRAM最高处。对于具体的ATmega16芯片，堆栈指针必须指向高于$0060的SRAM 地址空间，因为低于$0060的区域为寄存器空间。ATmega16片内集成有1K的SRAM，不支持外部扩展SRAM，所以堆栈指针寄存器SP的初始值应设在SRAM的最高端：$045F处。

二、AVR内核结构 2）编程将“bin”（二进制）或“HEX”（16进制）格式的文件，烧入芯片。完成如下操作：􀁺 ●对片内的Flash、EEPROM进行擦除、数据的写入（包括运行代码）、和数据的读出。 ●实现对AVR配置溶丝位的设置；芯片型号的读取；加密位的锁定等。 a.编程器编程（并口）最传统的编程方式，速度快，需要占用芯片众多的引脚和12V的电压，所以必须采用专用的编程器单独对芯片操作。芯片必须从PCB板上取下来，不可以实现芯片在线（板）的编程操作，不适合系统调试以及产品的批量生产需要。

二、AVR内核结构 2）编程 b.ISP编程（串口）占用比较少的外围引脚，所以可以实现芯片的在线编程（In System Programmable），不需要将芯片从PCB板上取下来，是最方便和最常用的编程方式。而采用SPI方式编程，只需要一跟简单的编程电缆，同时可以方便的实现I/O口的共用，因此是最常使用的方式。其不足之处是不能实现系统的在片实时仿真调试。 c.JTAG编程（串口，仿真）使用JTAG方式编程的优点是，通过JTAG口还可以实现系统的在片实时仿真调试（On Chip Debug），缺点是需要占用AVR的4个I/O引脚。

二、AVR内核结构 2）编程 d.IAP编程（Boot Load） IAP(In Application Programmable)在运行编程方式。是采用了ATMEL称为自引导加载（Boot Load）技术实现。用在一些需要进行远程修改更新系统程序，或动态改变系统程序的应用中才采用。 ATmega16片内集成了16K字节的支持系统在线可编程（ISP）和在应用可编程（IAP）的Flash程序存储器，以及512个字节的EEPROM数据存储器。另外还有一些专用的可编程单元－熔丝位，用于加密锁定和对芯片的配置等。由于ATmega16片内含有SPI和JTAG口，使用3种编程的方式：高压并行编程、串行SPI编程、串行JTAG编程。

二、AVR内核结构 5、熔丝设置（勿轻易设置！！！） ATmega16单片机在售出时，片内的Flash 存储器和EEPROM 存储器阵列是处在擦除的状态（即内容 = $FF），且可被编程。同时其器件配置熔丝位的缺省值为使用内部1M的RC振荡源作为系统时钟！使用已编程（Prog- rammed）和未编程（Unprogrammed）定义加密位和熔丝位的状态。 “Unprogrammed”表示熔丝状态为“1”（禁止），“Programmed”表示熔丝状态为“0”（允许），即 1：未编程 0：编程在没把握前提下不要轻易设置熔丝位，否则会导致芯片报废！建议使用专用软件“集成”烧写熔丝位。具体参考相关手册。

二、AVR内核结构 6、最小系统

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