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1.3 了解AVR单片机
其实和我上面介绍单片机一样，我们人类是先发明的计算机（更精确的说法应该是先有了计算机的处理器），然后才有了单片机。下面就来看看单片机的发展史。
● 1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，它是第一代微处理器问世的标志，微处理器和微型计算机时代从此开始。微处理器芯片Intel 4004包含2 300个晶体管，尺寸规格为3mm×4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC（很多资料称ENIAC“Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分计算机，1946年2月诞生”是第一台电子计算机，因此经常拿它做比较。其实第一台电子计算机应该是ABC“Atanasoff-Berry Computer，阿塔纳索夫-贝瑞计算机”，1939年完成样机）。
● 1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统，该系统包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器。
● 1972年4月，霍夫等人研制出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008主要采用工艺简单、速度较低的P沟道MOS（Metal OXide Semiconductor，金属氧化物半导体）电路，因此仍属于第一代微处理器。
● 1973年8月，霍夫等人研制出新一代8位微处理器Intel 8080。Intel 8080以N沟道MOS电路取代了P沟道，这标志着第二代微处理器的诞生。
● 1975年4月，MITS（Micro Instrumentation and Telemetry Systems，微仪系统家用电子公司）发布第一个通用型Altair 8800系统，该系统配有一个成套工具、一个主板、一个英特尔8080 CPU和256B的RAM。这是世界上第一台微型计算机（个人电脑）。
● 1976年Intel公司研制出MCS-48系列单片机。该系列单片机具有以下特点：CPU为4位或8位，ROM为1KB或2KB，RAM为64B或128B，具有并行接口、无串行接口，有1个8位的定时器/计数器，有2个中断源。注意，在此之前介绍的只是处理器的研制历史，MCS-48系列才是真正的单片机，它更像是Altair 8800的压缩版（微型版），因而说这是单片机问世的标志。
● 20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机在集成度、存储容量（片内RAM、ROM）、功能的增强及扩展、运算速度等方面都有显著提高。
● 20世纪80年代中期以后，Intel以专利转让的形式把8051内核卖给了许多半导体厂家，如Atmel、Philips、Ananog Devices、Dallas等。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。这些单片机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机。
● 1984年，George Perlegos在美国加州西部San Jose创立Atmel（爱特梅尔）公司，该公司主要设计、生产EPROM（可编程只读存储器）和PLD（可编程逻辑电路）；
● 20世纪80年代末，Atmel以专利的形式购买Intel的内核，开始CMOS工艺的80C51系列单片机的生产；
● 1993年，Atmel开始将Flash存储技术应用于80C51内核处理器；
● 1996年，Atmel在挪威成立关于AVR的研发中心；
● 1997年，Atmel公司挪威设计中心的A先生（Alf-Egil Bogen）与V先生（Vegard Wollan）利用Atmel公司的Flash新技术，共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR（Alf and Vegard’s Risc processor）；
● 1997年，Atmel首先推出的基于AVR技术的高速8位单片机是AT90S8515（采用40-pin的DIP封装），其功能类似于8051处理器，只是复位引脚REST是低电平有效（8051单片机的REST引脚是高电平有效）；
● 2001年，Atmel公司相继推出高档ATmega系列AVR单片机，主要有Atmega 8/16/32/64/128（存储容量为8/16/32/64/128KB）；
● 2004年，Atmel公司推出基于ARM内核的AT91SAM系列处理器；
● 2006年，Atmel公司推出32-bit AVR处理器—AT32系列；
● 2008年，Atmel公司推出增强型产品AVR处理器—ATxmega系列。
AVR单片机是1997年由Atmel公司研发出的增强型内置Flash的RISC（Reduced Instruction Set CPU）精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通信设备、家用电器、电池管理、汽车工业控制等各个领域。
AVR产品从1997年发布第一款产品以来，现在已经有很多品种，Atmel公司按其使用范围将它们分为6大系列。
（1）低端的Tiny系列
该系列单片机具有体积小、0.7V超低功耗、运行速度快、性价比高等特点。该系列单片机主要有ATtiny4、ATtiny5、ATtiny10、ATtiny13、ATtiny20、ATtiny40、ATtiny24、ATtiny44、ATtiny84、ATtiny261、ATtiny461、ATtiny48等。
该系列的AVR主要应用于电池供电的低功耗设备，如手机附件、掌上游戏机及其附件、远程控制设备等。
（2）高端的Mega系列
该系列AVR是种类最为繁多的一个系列，它具有低功耗、集成度高（大多集成了片内Flash、SRAM、片内EEPROM、SPI、TWI、USART、看门狗等功能）、集成数模转换功能、运行速度快等特点。该系列单片机主要有ATmega8、ATmega16、ATmega32、ATmega64、ATmega128、AT90CAN32、AT90CAN64、AT90CAN128、AT90PWM1、AT90PWM2B、AT90PWM3B、AT90USB162、AT90USB646、ATmega8U2、ATmega16U2、ATmega32U2等。
该系列AVR的应用范围比较广，可使用于工业、家用电器、智能玩具、便携智能仪表、机器人等领域。
（3）增强版XMEGA系列
该系列是Mega系列的增强版，该系列AVR的特点如下：具有高精度（12位）数模转换器、实时性强、Atmel节能技术、高度集成（8UART、4TWI、4SPI）、AVR驱动支持、ATmelQtouch库支持、有些型号集成USB接口。该系列单片机主要有ATxmega64A1U、ATxmega64A3U、ATxmega16A4U、ATxmega32A4U、ATxmega64A4U、ATxmega128A4U等。
该系列AVR主要应用于自动调温器、家庭和建筑控制系统、低功耗家庭控制系统等。
（4）32位的AVR
32-bit AVR是AVR产品中的低功耗32位单片机，该系列AVR具有通用性强（集成USB主机模式、网络MAC、SDRAM、NAND Flash、高速串口等）、运算能力强、高速数据吞吐量、低功耗等特点。该系列单片机主要有AT32UC3L016、AT32UC3L032、AT32UC3 L064、AT32UC3L0128、ATU64L3U、ATU128L3U、ATU256L3U等。
该系列AVR主要应用于电容式触摸遥控器、游戏手柄、电池供电设备、板卡控制、工业控制、通信协议转换器等。
（5）电源管理AVR
Battery Management AVR是针对电池管理而设计的一个系列，该系列AVR具有安全性高、精确度高、集成电源充电控制机制、Atmel电池管理系统支持等特点。该系列单片机主要有ATmega8HVA、ATmega16HVA、ATmega16HVB、ATmega32HVB、ATmega406等。
该系列AVR主要应用于电池管理系统中，如锂电池汽车的电池管理系统、笔记本电池管理、UPS系统等。
（6）汽车控制AVR
Automotive AVR和Battery Management AVR一样是使用范围比较专业的一个AVR系列，主要应用于汽车智能控制。该系列AVR具有高性能、代码安全性高、内置电压保护等特点。该系列单片机主要有Attiny24 Automotive、Attiny44 Automotive、Attiny84 Automotive、Attiny88 Automotive、Attiny261 Automotive、Attiny461 Automotive、Attiny861 Automotive、ATmega328P Automotive、AT90CAN32 Automotive等。
该系列AVR主要应用于汽车控制系统。
AVR单片机也具有80C51单片机的共性：包含中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等。下面我们分别介绍。
（1）中央处理器
中央处理器也叫CPU（Central Processing Unit），主要由控制器和运算器组成，是整个单片机的核心部件。CPU主要完成取指令、翻译指令、执行指令等操作，同时负责控制、指挥和调度整个单元系统协调地工作，完成运算和控制输入/输出功能等操作。
【注意】 我们称一款单片机是8位或16位、32位，就是根据单片机的中央处理器处理数据的宽度来划分的。通常说的AT89系列和AVR中的AT90S系列、Tiny系列、ATmega系列等都是8位单片机，也有32位的AVR单片机，如AT32系列。
（2）数据存储器（RAM）
数据存储器是单片机的数据存储单元，AVR的数据存储器包括通用寄存器、I/O寄存器、内部数据存储器（SRAM）。其中通用寄存器主要用于数据交换，I/O寄存器用于控制单片机的I/O口，用户只能访问（读/写）而不能用于存放数据，内部数据存储器用于存放读/写数据、定义变量、运算的中间结果等。
【注意】 通常用C语言写单片机程序时，不需要操作通用寄存器，编译器会自动管理；我们控制单片机主要操作的是I/O寄存器，将其设定为输入口、输出口或特殊功能的I/O口；在程序中定义的全局变量、函数内部的变量、函数参数，占用的都是SRAM存储单元。
（3）EEPROM数据存储器
AVR单片机与8051单片机不同，该单片机内部除了上面讲的数据存储单元，还集成了EEPROM数据存储器。该存储器作为一个独立的数据空间而存在，可以按字节读/写。通常我们会在其中保存设计软件的配置参数等。
（4）程序存储器（ROM）
程序存储器是和数据存储器相对应的，主要用来存放编译后下载到单片机中的程序。AVR的程序存储器都是Flash结构的，因而可以多次读/写，通常内置Flash的擦写寿命为10 000次。
【注意】 通常所说的ATmega8、ATmega16、ATmega32就是从其程序存储器的大小来区分的，ATmega8有8KB系统内可编程Flash，ATmega16有16KB系统内可编程Flash，ATmega64有64KB系统内可编程Flash。
（5）定时器/计数器
每个单片机的内部一般都会有两个或两个以上的定时器/计数器（Timer/Conter），用于外部事件的计数或内部定时。AVR单片机也提供了定时器/计数器而且扩展了PWM功能。
（6）并行输入/输出（I/O）口
每个单片机都会提供基本的输入/输出口，通常称其为I/O口。我们可以在程序中设定其内部的I/O寄存器来改变I/O口的输入、输出功能。
【注意】 单片机编程主要就是管理其I/O口的输入、输出及特殊功能，也就是用程序控制其I/O寄存器，这也是我们后面学习的重点。
（7）全双工串行口
通常一个单片机会提供一个或多个全双工串行通信口，用于与其他设备间的串行数据传输。串行通信接口是51单片机设计时提供的，因而后期开发的单片机也几乎都提供。
AVR单片机除了提供USART串行通信接口，通常还集成了SPI、TWI（IIC）两种串行通信接口。
（8）中断系统
单片机的中断系统是实现多任务、任务优先级的核心技术。AVR单片机有多种中断机制：复位中断、外部中断、定时器/计数器中断、USART中断、ADC中断、SPI中断、模拟比较器中断等。
【注意】 前面介绍并行输入/输出口时谈到，用程序控制I/O寄存器实现I/O口的控制是我们后面学习的重点。但学会了控制I/O口只是对单片机程序设计有一个基本的认识，灵活使用定时器/计数器和中断系统才是学会单片机程序设计的关键。
（9）时钟电路
AVR单片机设计了多种时钟源选择项，使用时可以根据Flash熔丝位的配置灵活选择。不过也正是这种灵活、多样的熔丝位配置选项，使初学者往往不知所措。当然在Proteus仿真中我们可以不关心这些，先进入嵌入式软件设计的学习。
AVR产品在1997年一经推出，就在业界引起了不小的震动。时至今日，其ATmega系列和其他AVR产品仍是很多嵌入式设计者的最爱，这是为什么呢？我们可以总结一下其自身的优势。
（1）可靠性高、功能强、速度快、功耗低、性价比高
这些都是嵌入式设计的必要条件，也是衡量一款单片机性能优劣的重要指标，因而该项应该是AVR单片机的首选优势。
（2）集成度高
AVR单片机具有良好的集成性能。AVR单片机都具备在线编程接口，其中Mega系列大多具有JTAG仿真和下载功能；AVR单片机含有片内看门狗电路、片内可编程Flash、片内EEPROM数据存储器、USART、SPI、TWI；多数AVR 单片机还内嵌了AD转换器、模拟比较器、PWM定时器/计数器等多种功能；AVR 片机的 I/O 接口具有很强的驱动能力，灌电流可直接驱动继电器、LED等器件。正是AVR的这些高度集成的功能，硬件工程师在嵌入式设计中才钟情于“她”，这样可以省去驱动电路，节约系统成本。
（3）入门简单
AVR内部集成功能强大的特点，可以为硬件工程师省去驱动电路的设计；而嵌入式软件工程师也有很广的选择余地。AVR单片机除支持汇编语言外，还支持BASIC、C语言等多种高级语言，常用的开发工具有IAR AVR、Code Vision AVR、ICC AVR、GCC AVR、BASCOM AVR等。使用高级语言编写嵌入式代码，有快速上手、方便移植等优点。这也是众多嵌入式工程师钟情于“她”的又一个原因。
（4）种类繁多
从前面我们介绍“AVR单片机的分类”就可以知道，Atmel公司这些年为适应用户的选择研制了众多的AVR产品。也正是有多种系列可以适用于不同的应用场合，因而嵌入式工程师在使用一款AVR产品后才会爱不释手，在设计新产品时会根据需要选择AVR的其他系列。
Atmel公司在1997年推出首款AVR产品后，相继推出了低端的Tiny系列、中端的AT90S系列和高端的ATmega系列，后来将AT90S系列并入ATmega系列，又推出了增强型XMEGA系列和电池管理AVR、汽车控制AVR。
在众多的AVR单片机中，使用范围最广的是ATmega系列。这是因为ATmega系列几乎具备了AVR单片机所有的优点：可靠性高、功能强、速度快、功耗低、性价比高、集成度高、种类繁多等。所以我们在ATmega系列中选择一款来讲解，这就是ATmega16。
（1）先进的RISC结构
● 131条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期；
● 32个8位通用工作寄存器；
● 工作于16MHz时钟时性能高达16MIPS；
● 只需两个时钟周期的硬件乘法器。
（2）非易失性程序和数据存储器
● 16KB系统内可编程Flash，擦写寿命为10 000次；
● 具有独立锁定位的可选Boot代码区；
● 512B的EEPROM，擦写寿命为100 000次；
● 1KB的片内SRAM；
● 可以对锁定位进行编程实现用户程序的加密。
（3）JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容）
● 符合JTAG标准的边界扫描功能；
● 支持扩展的片内调试功能；
● 通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。
（4）外设特点
● 两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器；
● 一个具有预分频器、比较器功能和捕捉功能的16位定时器/计数器；
● 具有独立振荡器的实时计数器RTC；
● 四通道PWM；
● 8路10位ADC；
● 面向字节的两线接口；
● 两个可编程的串行USART；
● 可工作于主机/从机模式的SPI串行接口；
● 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；
● 片内模拟比较器。
（5）特殊的处理器特点
● 上电复位及可编程的掉电检测；
● 片内经过标定的RC振荡器；
● 片内/片外中断源；
● 6种睡眠模式—空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby（带电挂起）模式及扩展的Standby模式。
（6）I/O和封装
● 32个可编程的I/O口；
● 40引脚PDIP封装，44引脚TQFP封装与44引脚MLF封装。
（7）工作电压（4.5～5.5V）
（8）速度等级（0～16MHz）
观察图1-17中左侧的外观图，了解芯片告诉我们的信息。芯片的左上角有一个小圆坑，其下方有一个白色的三角符号。该标志告诉我们这里是芯片的第1引脚，沿逆时针方向数下去，为第1至第40引脚，如图1-17中右图所示。该标志非常重要，我们在实际中调试电路板，用三用表测量时找对应引脚就要用到该标志。
图1-17 ATmega16外观及引脚定义
芯片上的标号ATMEL是芯片公司的名称，ATMEGA16 16PI 0634代表的意思就更丰富了。
ATMEGA：表示该芯片是AVR的mega系列，如ATMEGA8、ATMEGA64、ATMEGA64L等。
16：表示该芯片的具体型号，也表示片内可编程Flash是16KB；有的AVR产品在这个数字后面还会加一个字符L，如ATMEGA16L，L表示该芯片的工作电压是2.7～5.5V，而缺省字符L时，表示工作电压是4.5～5.5V。
16：表示最高系统时钟是16MHz。
P：表示封装形式是PDIP封装；同类符号还有A、M，A表示TQFP封装、M表示MLF封装。
I：表示是无铅工业级产品，使用温度为−40～85℃，U表示有铅工业级；同类符号还有C、A、M，C表示商业用产品、A表示汽车用产品、M表示军用产品。
0634：表示生产批次，即2006年第34批次生产。
最后就是引脚数是40。
这就是一块芯片告诉我们的信息，然后我们可以利用这些信息去网上、生产厂家获取更多的信息。
VCC：电源。
GND：地。
PA（PA7..PA0）：端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。端口A具有较强的驱动能力，可以直接驱动继电器、LED等电路；在复位过程中，即系统时钟还未起振时，端口A处于高阻状态。
端口A根据I/O寄存器的设定，也可以作为A/D转换器的模拟输入端。
PB（PB7..PB0）：端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。端口B具有较强的驱动能力，可以直接驱动继电器、LED等电路；在复位过程中，即系统时钟还未起振时，端口B处于高阻状态。
端口B根据I/O寄存器的设定，也可以作为其他特殊功能接口，如SPI串行总线接口、模拟比较器输入口、外部计数器输入口、外部中断2输入口等。
PC（PC7..PC0）：端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。端口C具有较强的驱动能力，可以直接驱动继电器、LED等电路；在复位过程中，即系统时钟还未起振时，端口C处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使出现复位信号，引脚PC5（TDI）、PC3（TMS）与PC2（TCK）的上拉电阻也将被激活。
端口C根据I/O寄存器的设定，也可以作为其他特殊功能接口，如定时振荡器引脚、JTAG接口、TWI（IIC）总线接口等。
PD（PD7..PD0）：端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。端口D具有较强的驱动能力，可以直接驱动继电器、LED等电路；在复位过程中，即系统时钟还未起振时，端口D处于高阻状态。
端口D根据I/O寄存器的设定，也可以作为其他特殊功能接口，如外部中断的输入口、定时器/计数器比较匹配输出口、USART串行总线接口等。
：复位输入引脚，低电平有效。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。
XTAL1：反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。
XTAL2：反向振荡放大器的输出端。
AVCC：端口A和A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接，使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。
AREF：A/D转换器的模拟基准输入引脚。
最后，如表1-1所示，将AVR单片机与传统的51单片机做一个简单的比较。其中51单片机以AT89C51和AT89S51为例，而AVR单片机以ATmega系列的ATmega8、ATmega16、ATmega64为例。这样，我们不仅可以比较51单片机与AVR单片机的区别，同时也可以了解ATmega系列中各个单片机的区别。
表1-1 AVR单片机与51单片机的比较
