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1 AVR 单片机 C 语言开发入门与典型实例 ( 修订版 ) 作者 : 华清远见 第 1 章 AVR 单片机概述 本章目标 本章主要介绍 AVR 单片机的发展历史及其主要应用, 并重点介绍了 ATmega128(L) 单片机, 分析其结构 主要特点 性能封装和引脚定义 本章主 要内容包括以下两个方面 AVR 单片机及其发展 ATmega128(L) 单片机简介

2 1.1 AVR 单片机及其发展 1983 年 Intel 公司推出 8051 单片机 随着技术的发展和进步, 以及市场对产品功能和性能要求的不断提高, 早先的 8051 单片机越来越不能适应中高档产品的应用开发要求 于是许多公司对早先的 8051 单片机进行了改进, 不断推出新的产品 AVR 单片机简介 1997 年, 美国 ATMEL 公司将其先进的 Flash 技术与 8051 单片机结合起来, 从而推出了 8 位 AVR 单片机 ( 本书中简称为 AVR 单片机 ), 如图 1.1 所示 与传统的采用复杂指令系统 (CISC,Complex Instruction Set Computer) 的 8051 单片机体系不同的是,AVR 单片机采用更适合中高档电子产品和嵌入式系统应用需要的精简指令系统 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 精简指令系统 (RISC) 是 20 世纪 90 年代开发出来的一种综合了半导体集成技术并可提高软件性能的新指令结构, 是为了提高 CPU 运行速度而设计的指令系统 它的关键技术在于采用流水线 (pipelining) 和等长指令体系结构, 从而实现在一个时钟周期里完成一条或多条指令 同时,RISC 指令系统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, 减轻了 CPU 中的处理器 控制器和其他功能单元的负担 AVR 单片机就是通过使用 RISC 指令系统来简化单片机 CPU 的指令功能, 使指令的平均执行时间缩短, 从而提高 CPU 的性能和速度 在使用相同的晶片技术和时钟的情况下, 使用 RISC 指令系统的 CPU 的运行速度是使用 CISC 指令系统 CPU 的 2~4 倍 正因为如此,RISC 指令系统在高端系统中得到了广泛应用, 例如,ATMEL 公司的 ARM 产品就是采用 RISC 指令系统, 如图 1.2 所示 此外,AVR 单片机采用了低功率和非挥发的 CMOS 制造工艺, 内部分别集成了 Flash E 2 PROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory) 和 SRAM(Static Random Access Memory)3 种不同性能和用途的存储器 除了可以通过 SPI 接口和通用编程器对 AVR 单片机的 Flash 程序存储器和 E 2 PROM 数据存储器进行编程外, 大多数的 AVR 单片机还支持 ISP(In-System Programming) 在线编程和 IAP (In-Application Programming) 在应用编程 图 1.1 ATMEL 公司 8 位 AVR 单片机 图 1.2 ATMEL 公司的 ARM 系列产品 AVR 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 采用 RISC 指令系统 CPU,32 个通用工作寄存器, 从而避免了传统的 8051 单片机 CISC 指令系统存在的指令长度不等长 指令数多 CPU 利用率低和执行速度慢等缺点 采用哈佛 (Harvard) 结构的流水线技术 在执行一条指令的同时,CPU 就已经取得下一条指令, 绝大多数指令为单周期指令, 而且指令执行速度可以达到 20MHz 2

3 除了支持通过串行外设接口 SPI 和常见编程器对单片机的 Flash 程序存储器和数据存储器 E 2 PROM 进行编程外, 绝大部分 AVR 单片机还支持程序的 ISP 在线编程,ATmega 系列单片机还支持 IAP 在应用编程 片内集成了可擦写 1000 次的 Flash 程序存储器, 同时还有大容量的可以擦写 次的 E 2 PROM 这一点给使用者的开发 生产和维护带来方便 集成了丰富的外设, 包括 I 2 C SPI E 2 PROM RTC 看门狗定时器 ADC PWM 和片内振荡器等, 大大方便了产品开发 具有较宽的工作电压范围, 工作电压在 1.8~6V 之间, 电源的抗干扰能力强 具有 6 种休眠功能, 功耗低, 能够从低功耗模式迅速唤醒, 并且采用可编程的频率选择和 CMOS 集成工艺 不再需要把芯片从系统上拆下来再使用专门的编程器来烧写程序, 而是通过在线编程将编译好的目标程序直接烧写入 Flash 程序存储器 这极大地方便了程序的调试, 方便系统的软件升级, 尤其对于表面贴 SMD 封装, 从而更利于系统的微型化 C 语言源程序的效率高, 具有 32 个通用工作寄存器, 可以线性寻址 I/O 口驱动能力强, 可以直接驱动 LED 内置看门狗定时器, 可以防止程序跑飞, 提高产品的可靠性 同 PIC 单片机一样,AVR 单片机可以重新设置启动复位 内置电源上电复位 (POR) 和电源掉电检测 (BOD) 大大提高了单片机的可靠性, 不用外加复位延时电路 具有 34 个中断源及相应的中断向量, 不同的中断向量的入口地址不同, 可以快速响应中断请求 与传统的 8051 单片机的 USART 占用片内定时器不同,AVR 的 USART 不占用定时器, 而是使用独特的波特率发生器, 有 SPI 传输功能, 从而数据可以高速传输 因此, 晶振就可以工作在一般标准整数频率, 而 USART 的波特率可以达到 576Kbit/s 具有 8 位和 16 位定时器 / 计数器, 可以用作比较器 计数器 外部中断和 PWM Flash 存储器具有保密死锁功能, 保密性强, 并且 Flash 程序存储器在芯片内部, 可以通过自编程 (Self Programming) 方式远程下载已加密的更新代码 具有多种封装形式, 可以满足不同系统的开发需要 ATMEL 公司提供完全免费的开发环境 AVR Studio, 支持汇编和高级语言源程序调试的模拟和仿真环境 AVR 单片机的分类 AVR 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 单片机可以分为以下 9 大类 : Automotive AVR; AVR Z-Link; CAN AVR; LCD AVR; Lighting AVR; megaavr; Smart Battery AVR; tinyavr; USB AVR 1.2 ATmega128(L) 单片机 ATmega128(L) 单片机是内置 128KB Flash 程序存储器的在线可编程 8 位微控制器, 是目前 AVR 单片机中功能最强的单片机 本书的所有内容也都是围绕 ATmega128(L) 单片机来展开, 读者只要掌握了 ATmega128(L) 单片机的开发应用, 就很容易掌握其他 AVR 系列的单片机了 3

4 1.2.1 ATmega128(L) 结构和主要特点 ATmega128(L) 是基于 AVR RISC 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 1.3 所示, 其主要特点如下 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元 (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 图 1.3 ATmega128(L) 结构框图 128KB 的系统内可编程 Flash( 具有在写的过程中还可以读的能力, 即 RWW) 4KB 的 EEPROM 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) 2 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 IEEE 规范兼容的 JTAG 测试接口 ( 此接口同时还可以用于片上调试 ) 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, 器件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 4

5 器件是以 Atmel 的高密度非易失性内存技术生产的 片内 ISP Flash 可以通过 SPI 接口 通用编程器, 或引导程序多次编程 引导程序可以使用任何接口来下载应用程序到应用 Flash 存储器 在更新应用 Flash 存储器时引导 Flash 区的程序继续运行, 实现 RWW 操作 通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内,ATmega128(L) 为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案 ATmega128(L) 的主要性能 ATmega128(L) 是 AVR 单片机中性能最好的一款单片机, 目前在市场上得到了广泛的应用, 其性能主要体现在如下几个方面 高性能 低功耗的 AVR 8 位微处理器及先进的 RISC 结构 : 133 条指令大多数可以在一个时钟周期内完成 ; 32 8 通用工作寄存器 + 外设控制寄存器 ; 全静态工作 ; 工作于 16MHz 时性能高达 16MIPS; 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性的程序和数据存储器 : 128KB 的系统内可编程 Flash, 寿命为 次擦写周期 ; 具有独立锁定位 可选择的启动代码区, 通过片内的启动程序实现系统内编程真正的读 - 修改 - 写操作 ; 4KB 的 EEPROM, 寿命为 次写 / 擦除周期 ; 4KB 的内部 SRAM; 多达 64KB 的优化的外部存储器空间 ; 可以对锁定位进行编程以实现软件加密 ; 可以通过 SPI 接口实现系统内编程 JTAG 接口 ( 与 IEEE 标准兼容 ): 遵循 JTAG 标准的边界扫描功能 ; 支持扩展的片内调试 ; 通过 JTAG 接口实现对 Flash E 2 PROM 熔丝位和锁定位的编程 外设 : 两个具有独立的预分频器和比较器功能的 8 位定时器 / 计数器 ; 两个具有预分频器 比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 / 计数器 ; 具有独立预分频器的实时时钟计数器 ; 两路 8 位 PWM; 6 路分辨率可编程 (2~16 位 ) 的 PWM; 输出比较调制器 ; 8 路 10 位 ADC:8 个单端通道 ;7 个差分通道 ;2 个具有可编程增益 (1,10, 或 200 ) 的差分通道 ; 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 特殊的处理器 : 上电复位以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 ; 5

6 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 模式以及扩展的 Standby 模式 ; 可以通过软件进行选择的时钟频率 ; 通过熔丝位可以选择 ATmega103 兼容模式 ; 全局上拉禁止功能 I/O 和封装 : 53 个可编程 I/O 口线 ; 64 引脚 TQFP 与 64 引脚 MLF 封装 工作电压和速度等级 : ATmega128L:2.7~5.5V 和 0~8MHz; ATmega128:4.5~5.5V 和 0~16MHz ATmega128(L) 的封装与引脚 ATmega128(L) 具有两种封装形式 :TQFP(64 引脚 ) 和 MLF(64 引脚 ), 分别如图 1.4 和图 1.5 所示 图 1.4 ATmega128(L) 的 TQFP(64 引脚 ) 封装形式 注意 图 1.4 和图 1.5 中所有尺寸的单位都是毫米 (mm) 下面我们就以常用的 TQFP(64 引脚 ) 封装来介绍 ATmega128(L) 的引脚定义, 其引脚排列分布如图 1.6 所示 图 1.5 ATmega128(L) 的 MLF(64 引脚 ) 封装形式 图 1.6 TQFP(64 引脚 ) 封装的 ATmega128(L) 的引脚排列分布 6

7 引脚 21:VCC 数字电路的电源 引脚 22:GND 地 引脚 44~51: 端口 A(PA7~PA0), 为 8 位双向 I/O 口, 并具有可编程的内部上拉电阻 其输出缓冲器具有对称的驱动特性, 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时, 若内部上拉电阻使能, 则端口被外部电路拉低时将输出电流 复位发生时端口 A 为三态 不作 I/O 口使用时, 端口 A 具有, 表 1.1 所示 表 1.1 端口 A 的 端口 A 引脚 PA7 AD7( 外部存储器接口地址及数据位 7) PA6 AD6( 外部存储器接口地址及数据位 6) PA5 AD5( 外部存储器接口地址及数据位 5) PA4 AD4( 外部存储器接口地址及数据位 4) PA3 AD3( 外部存储器接口地址及数据位 3) PA2 AD2( 外部存储器接口地址及数据位 2) PA1 AD1( 外部存储器接口地址及数据位 1) PA0 AD0( 外部存储器接口地址及数据位 0) 引脚 10~17: 端口 B(PB0~PB7), 为 8 位双向 I/O 口, 并具有可编程的内部上拉电阻 其输出缓冲 器具有对称的驱动特性, 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时, 若内部上拉电阻使能, 则端口被外部 电路拉低时将输出电流 复位发生时端口 B 为三态 不作 I/O 口使用时, 端口 B 具有, 如表 1.2 所示 表 1.2 端口 B 引脚 端口 B 的 PB7 OC2/OC1C(T/C2 的比较匹配输出和 PWM 输出, 或是 T/C1 的比较匹配输出和 PWM 输出 C) PB6 OC1B(T/C1 的比较匹配输出和 PWM 输出 B) PB5 OC1A(T/C1 的比较匹配输出和 PWM 输出 A) PB4 OC0(T/C0 的比较匹配输出和 PWM 输出 ) PB3 MISO(SPI 总线的主机输入 / 从机输出信号 ) PB2 MOSI(SPI 总线的主机输出 / 从机输入信号 ) PB1 SCK(SPI 总线的串行时钟 ) PB0 SS(SPI 从机选择引脚 ) 引脚 35~42: 端口 C(PC0~PC7), 为 8 位双向 I/O 口, 并具有可编程的内部上拉电阻 其输出缓冲 器具有对称的驱动特性, 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时, 若内部上拉电阻使能, 则端口被外部 电路拉低时将输出电流 复位发生时端口 C 为三态 不作 I/O 口使用时, 端口 C 具有, 如表 1.3 所示 表 1.3 端口 C 的 端口 C 引脚 PC7 A15( 外部存储器接口地址位 15) PC6 A14( 外部存储器接口地址位 14) PC5 A13( 外部存储器接口地址位 13) PC4 A12( 外部存储器接口地址位 12) PC3 A11( 外部存储器接口地址位 11) PC2 A10( 外部存储器接口地址位 10) PC1 A9( 外部存储器接口地址位 9) PC0 A8( 外部存储器接口地址位 8) 7

8 引脚 25~32: 端口 D(PD0~PD7), 为 8 位双向 I/O 口, 并具有可编程的内部上拉电阻 其输出缓冲器具有对称的驱动特性, 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时, 若内部上拉电阻使能, 则端口被外部电路拉低时将输出电流 复位发生时端口 D 为三态 不作 I/O 口使用时, 端口 D 具有, 如表 1.4 所示 表 1.4 端口 D 的 端口 D 引脚 PD7 T2(T/C2 外部计数脉冲输入 ) PD6 T1(T/C1 外部计数脉冲输入 ) PD5 XCK1(USART1 的外部时钟输入 / 输出 ) PD4 ICP1(T/C1 输入捕捉触发信号输入 ) PD3 INT3/TXD1( 外部中断 3 的输入, 或是 UART1 数据发送端 ) PD2 INT2/RXD1( 外部中断 2 的输入, 或是 UART1 数据接收端 ) PD1 INT1/SDA( 外部中断 1 的输入, 或是 TWI 的串行数据输入 / 输出端 ) PD0 INT0/SCL( 外部中断 0 的输入, 或是 TWI 的串行时钟 ) 引脚 2~9: 端口 E(PE0~PE7), 为 8 位双向 I/O 口, 并具有可编程的内部上拉电阻 其输出缓冲器具 有对称的驱动特性, 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时, 若内部上拉电阻使能, 则端口被外部电路 拉低时将输出电流 复位发生时端口 E 为三态 不作 I/O 口使用时, 端口 E 具有, 如表 1.5 所示 表 1.5 端口 E 的 端口 E 引脚 PE7 INT7/IC3( 外部中断 7 的输入或 T/C3 输入捕捉触发信号输入 ) PE6 INT6/T3( 外部中断 6 的输入或 T/C3 的外部计数脉冲输入 ) PE5 INT5/OC3C( 外部中断 5 的输入或 T/C3 的比较匹配输出和 PWM 输出 C) PE4 INT4/OC3B( 外部中断 4 的输入或 T/C3 的比较匹配输出和 PWM 输出 B) PE3 AIN1/OC3A( 模拟比较器负输入或 T/C3 的比较匹配输出和 PWM 输出 A) PE2 AIN0/XCK0( 模拟比较器正输入或 USART0 的外部时钟输入 / 输出 ) PE1 PDO/TXD0(ISP 串行编程数据输出或 USART0 的数据发送端 ) PE0 PDI/RXD0(ISP 串行编程数据输入或 USART0 的数据接收端 ) 引脚 54~61: 端口 F(PF7~PF0), 为 ADC 的模拟输入引脚 如果不作为 ADC 的模拟输入, 端口 F 可 以作为 8 位双向 I/O 口, 并具有可编程的内部上拉电阻 其输出缓冲器具有对称的驱动特性, 可以输出和吸 收大电流 作为输入使用时, 若内部上拉电阻使能, 则端口被外部电路拉低时将输出电流 复位发生时端口 F 为三态 端口 F 的如表 1.6 所示 表 1.6 端口 F 的 端口 F 引脚 PF7 ADC7/TDI(ADC 输入通道 7 或 JTAG 接口数据输入 ) PF6 ADC6/TDO(ADC 输入通道 6 或 JTAG 接口数据输出 ) PF5 ADC5/TMS(ADC 输入通道 5 或 JTAG 接口模式选择 ) PF4 ADC4/TCK(ADC 输入通道 4 或 JTAG 接口时钟 ) PF3 ADC3(ADC 输入通道 3) PF2 ADC2(ADC 输入通道 2) PF1 ADC1(ADC 输入通道 1) PF0 ADC0(ADC 输入通道 0) 注意 如果使能了 JTAG 接口, 则复位发生时引脚 PF7(TDI) PF5(TMS) 和 PF4(TCK) 的上拉电阻使能 8

9 引脚 : 端口 G(PG4~PG0), 为 5 位双向 I/O 口, 并具有可编程的内部上拉电阻 其输出缓冲器具有对称的驱动特性, 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时, 若内部上拉电阻使能, 则端口被外部电路拉低时将输出电流 复位发生时端口 G 为三态 不作 I/O 口使用时, 端口 G 具有, 如表 1.7 所示 表 1.7 端口 G 的端口 G 引脚 PG4 TOSC1( 定时器振荡器引脚 1) PG3 TOSC2( 定时器振荡器引脚 2) PG2 ALE( 外部存储器接口地址锁存使能信号 ) PG1 RD ( 外部存储器接口读信号, 低电平有效 ) PG0 WR ( 外部存储器接口写信号, 低电平有效 ) 引脚 20: RESET, 复位输入引脚 超过最小门限时间的低电平将引起系统复位 引脚 24:XTAL1, 反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入 引脚 23:XTAL2, 反向振荡器放大器的输出 引脚 64:AVCC, 为端口 F 以及 ADC 的电源, 需要与 VCC 相连接, 即使没有使用 ADC 也应该如此 使用 ADC 时应该通过一个低通滤波器与 VCC 连接 引脚 62:AREF, 为 ADC 的模拟基准输入引脚 引脚 1: PEN, 是 SPI 串行下载的使能引脚 在上电复位时保持 PEN 为低电平将使器件进入 SPI 串行下载模式 在正常工作过程中 PEN 引脚没有其他功能 在介绍 ATmega128(L) 时, 我们没有考虑 ATmega128(L) 在与 ATmega103 兼容模式下工作注意的引脚定义 1.3 本章小结 在本章, 我们对 ATMEL 公司的 AVR 单片机特点及分类进行了概括介绍 最后介绍了 AVR 系列中最先进的一款单片机 ATmega128(L) 的基本知识, 重点分析其特点, 并以常用的 TQFP 封装介绍了 ATmega128 (L) 的引脚定义 联系方式 集团官网 : 嵌入式学院 : 移动互联网学院 : 企业学院 : 物联网学院 : 研发中心 :dev.hqyj.com 集团总部地址 : 北京市海淀区西三旗悦秀路北京明园大学校内华清远见教育集团 北京地址 : 北京市海淀区西三旗悦秀路北京明园大学校区, 电话 : /5 上海地址 : 上海市徐汇区漕溪路 250 号银海大厦 11 层 B 区, 电话 : 深圳地址 : 深圳市龙华新区人民北路美丽 AAA 大厦 15 层, 电话 : 成都地址 : 成都市武侯区科华北路 99 号科华大厦 6 层, 电话 : 南京地址 : 南京市白下区汉中路 185 号鸿运大厦 10 层, 电话 :

10 武汉地址 : 武汉市工程大学卓刀泉校区科技孵化器大楼 8 层, 电话 : 专业始于专注卓识源于远见 西安地址 : 西安市高新区高新一路 12 号创业大厦 D3 楼 5 层, 电话 : 广州地址 : 广州市天河区中山大道 268 号天河广场 3 层, 电话 :

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