任务2
AVR列单片机的识读

基于8051内核的微控制器采用了复杂指令系统CISC（Complex Instruction Set Computing）体系。CISC 结构的单片机是传统的冯•诺依曼（Von-Neumann）结构，这种结构又称为普林斯顿（Princeton）体系结构，其片内程序空间和数据空间合在一起，取指令和操作数都是通过同一簇总线分时进行的。当高速运算时，取指令和操作数不能同时进行，否则将会造成传输通道上的瓶颈现象。

1997年，Atmel公司挪威设计中心的A先生和V先生出于市场需求的考虑，推出了增强型内置Flash的8位精简指令集微处理器（Reduced Instruction Set CPU，RISC），并将其命名为AVR。

RISC结构的AVR单片机是新型的哈佛（Harvard）结构，采用双总线结构。AVR单片机的快速存取寄存器文件由32个通用寄存器组成。传统的基于累加器的结构需要大量的程序代码，以实现累加器和存储器之间的数据传送。在AVR单片机中，32个寄存器全部直接与运算逻辑单元（ALU）相连，每个通用工作寄存器都代替了累加器。这就使微处理器在前一条指令执行时，就取出现行的指令，从而可以避免传统CISC单片机的累加器和存储器之间数据传送时的瓶颈现象，提高了系统的性能。

1.AVR单片机的主要特征

【内嵌高质量的Flash存储器，并具有高保密性】 AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产和更新。片内含有长寿命的E ² PROM，可长期保存关键数据，避免断电丢失。片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也能更有效地支持使用高级语言开发系统程序，并可像MCS-51单片机那样扩展外部RAM。

Flash程序存储器具有保密锁死（Lock）功能，并且Flash程序存储器深藏于芯片内部，可以通过自编程（Self Programming）方式远程下载被加密的更新代码。

【具有真正的I/O端口，能正确反映I/O真实情况】 AVR单片机通用数字I/O端口的I/O特性与PIC单片机的HI/LOW输出及三态高阻抗HI-Z输入相似，同时可设定类似于8051单片机内部有上拉电阻的输入端功能。AVR的I/O端口是真正的I/O端口，能正确反映I/O的真实情况。AVR的I/O端口资源灵活、功能强大，可以单独设定为输入/输出，也可以设定（初始）高阻输入，具有驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性。

【高速度、低功耗，具有省电休眠（SLEEP）功能】 AVR单片机一条指令的执行速度可达50ns（20MHz），而耗电则在1?A～2.5mA之间。由于它采用新型的哈佛（Harvard）结构，具有一级流水线的预取指令功能，即对程序的读取和数据的操作使用不同的数据总线，因此当执行某一指令时，下一指令被预先从程序存储器中取出，使得指令可以在每一个时钟周期内被执行。AVR单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行（2.7～5.5V），抗干扰能力强，可降低一般8位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。AVR单片机具有6种休眠功能，能够从低功耗模式迅速唤醒。

【具有多种独立的时钟分频器】 AVR单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供URAT、I ² C、SPI使用。其中与8/16位定时器配合的具有多达10 位的预分频器，可通过软件设定分频系数，提供多种档次的定时时间。AVR单片机中的定时器/计数器（单）可双向计数形成三角波，再与输出比较匹配寄存器配合，生成占空比可变、频率可变、相位可变的方波的设计方法（即脉宽调制输出PWM），令人耳目一新。

【定位于工业级产品】 AVR单片机具有大电流10～20mA（输出电流）或40mA（吸收电流），可直接驱动LED、SSR或继电器。具有看门狗定时器（WDT）安全保护功能，可防止程序跑飞，以提高产品的抗干扰能力。

【具有超功能精简指令】 AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于8051单片机中的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128B～8KB个SRAM，可灵活使用指令运算，适合用C语言进行程序开发，易学、易写、易移植，并且具有很高的代码效率。

【通信方便、快捷、可靠，支持多机通信】 其增强性的高速同/异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验帧错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用。其串口功能大大超过MCS-51/96单片机的串口，加之AVR单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率通信。

【面向字节的高速硬件串行接口TWI、SPI】 TWI与I ² C接口兼容，具备ACK信号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主/从机的收/发全部4种组合的多机通信。SPI支持主/从机等4种组合的多机通信。

【增强嵌入式系统的可靠性】 AVR单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路BOD，多个复位源（自动上/下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位），可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。

AVR单片机技术体现了单片机集多种器件（包括Flash程序存储器、看门狗、E ² PROM、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D模数转换器、定时器/计数器等）和多种功能（增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具有输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器/计数器、具有替换功能的I/O端口……）于一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片上系统（SoC）”过渡的发展方向。

2.AVR单片机的分类及主要性能

AVR单片机系列齐全，可适用于各种不同场合的要求。它主要有低档的Tiny系列、中档的AT90系列和高档的ATmega系列的产品。

【低档的Tiny系列】 低档的Tiny系列AVR单片机是专门为需要小型微控制的简单应用优化设计的，具有很高的性价比，主要有8个引脚的Tiny11/12/13/15/45/85，14个引脚的Tiny24/44/84，20个引脚的Tiny26/261/461/861/2313等。

【中档的AT90系列】 中档的AT90系列AVR单片机主要有20个引脚的AT90S1200/2313/2323/2343，28个引脚的AT90S4433，40个引脚的AT90S4414/4434/8515/8535等。

【高档的ATmega系列】 高档的ATmega系列AVR单片机主要有28个引脚的ATmega8/48/88/168，40个引脚的ATmega16/32/162/644/8535，64个引脚的ATmega128/165/325/64/645/1281/2561，100个引脚的ATmega3250/6450/640/1280/2560等。

AVR单片机从8脚到100脚，还有各种不同封装供用户选择，表1-1～表1-3列出了目前主流AVR单片机的各系列性能参数。

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低功耗AVR单片机中AT90系列的单片机。目前，AT90系列某些型号的单片机已经被性能更加优越的Tiny系列或ATmega系列相应的AVR单片机替代（见表1-4），所以在实际开发中建议不要再使用该系列的单片机。

3.AVR单片机的命名规则

下面以ATmega48V-10A为例，介绍AVR单片机型号的命名规则。ATmega48V-10A型号标志说明如下。

☺“V”代表低/宽电压版本，以新推出的 AVR （如 ATmega48/88/168，Tiny13/2313等）产品来说，带“V”表示工作电压为 1.8～5.5V 范围；不带“V”表示工作电压为 2.7～5.5V 范围。对于一些较老型号的 AVR 的单片机而言，有用“L”来表示的，“L”是“Low”的缩写，带“L”表示它可以支持低电压，它支持的电压范围为 2.7～5.5V；不带“L”的则表示支持的电压范围为4.5～5.5V。

☺ 后缀的数字部分代表单片机可以支持的最高系统时钟，如ATmega48V-10A指的是可以支持到 10MHz 的系统时钟，ATmega64-16AU 及 ATmega64-16AI 指的是可以支持到16MHz的系统时钟。

☺ 后缀的第1个字母代表单片机的封装形式，“P”表示DIP封装；“A”表示TQFP封装；“S”表示SOIC封装；“M”表示MLF封装。如ATmega48V-10A，说明它是TQFP封装。

☺ 后缀的第 2 个字母代表单片机的应用级别，“C”表示商业级；“I”表示工业级；“A”表示汽车级；“E”表示扩展级（温度范围为-40～105℃）；“U”表示工业级，符合ROHS。如ATmega64L-8AC带“C”为商业级，ATmega64L-8AI带“I”为工业级。

说明：

由于现欧美要求使用无铅IC，所以ATMEL未来将只推出带“U”的AVR MCU，它将取代原来带“I”的型号，如ATmge8L-8AU将取代原来的ATmega64L-8AI。

4.ATmega16单片机封装形式

ATmega16单片机的普通封装有3种形式，即PDIP-40（Plastic Dual In-line Package，塑料双直列直插式）、TQFP-44（Thin Quad Flat Package，薄塑四角扁平封装）和MLF-44（Micro Lead Frame，微引线框架封装），其外部封装形式如图1-1所示。

5.ATmega16单片机引脚功能

PDIP-40（Plastic Dual In-line Package，塑料双直列直插式）封装的ATmega16单片机的外部引脚功能见表1-5。

6.存储器结构

ATmega16单片机片内集成了Flash程序存储器、SRAM数据存储器和E ² PROM数据存储器。这3个存储器空间互相独立，物理结构也不相同。虽然它们的物理结构不同，但是这3个存储器的空间均采用线性的平面结构，如图1-2所示。

【Flash程序存储器】 ATmega16具有16KB的在线编程Flash，用于存放程序指令代码。因为所有的AVR指令为16位或32位，故而Flash组织成8K×16位的形式。Flash程序存储器被分为两个区，即引导（Boot）程序区和应用程序区。

Flash程序存储器至少可以擦写10 ⁴ 次。ATmega16的程序计数器（PC）为13位，因此可以寻址8KB的程序存储器空间。

【SRAM数据存储器】 ATmega16具有1120B的片内SRAM，由通用寄存器（R0～R31）、I/O寄存器和数据存储器SRAM组成。

ATmega16单片机SRAM的起始地址段0x0000～0x001F（即96个地址）为寄存器文件（R0～R31共32个8位通用寄存器），其中最后6个寄存器R26～R31组成X、Y、Z这3个16位寄存器，用于存放间接寻址的地址指针。R26和R27组成X寄存器，R26为X寄存器的低8位，R27为X寄存器的高8位；R28和R29组成Y寄存器，R28为Y寄存器的低8位，R29为Y寄存器的高8位；R30和R31组成Z寄存器，R30为Z寄存器的低8位，R31为Z寄存器的高8位。

ATmega16单片机SRAM的地址段0x0020～0x005F为I/O寄存器。I/O寄存器支持专用的I/O指令访问和SRAM地址访问。如果使用IN和OUT指令访问I/O寄存器时，地址单元为0x00～0x3F；而将I/O寄存器作为普通SRAM访问时，地址单元则为0x0020～0x005F。

ATmega16单片机的I/O寄存器的地址空间分配、名称的功能描述见表1-6。

直接给用户使用的SRAM单元为0x006F～0x045F共1024B，这部分SRAM单元用于存放在程序执行过程中定义的各种变量。

【E ² PROM数据存储器】 ATmega16包含512B的E ² PROM数据存储器。它是作为一个独立的数据空间而存在的，可以通过相关的寄存器按字节对其进行读/写操作。E ² PROM 的擦除次数达10 ⁵ 次以上。E ² PROM的访问由地址寄存器、数据寄存器和控制寄存器决定。 /IaF+5ZkO88RwYowXJLTR4reUzOVmnKIU7T9rMspwS2MLPqhui9Ldh1WN7zmdzIP