第2章_ATmega_的内部结构及接口特点.ppt

2 1ATmega16单片机综述2 2AVRCPU结构2 3AVRATmega16的存储器2 4系统时钟及时钟选项2 5电源管理及睡眠模式2 6系统控制和复位2 7看门狗定时器2 9I O端口描述 第2章ATmega的内部结构及接口特点 内容提要 本章主要介绍ATmega单片机外部引脚封装及主要特性 内部结构 CPU内核 指令时序 存储器类别和读写 详细描述系统时钟和复位控制 I O端口寄存器 状态寄存器及使用方法 1 高性能 低功耗的8位AVR 微处理器2 先进的RISC结构 与哈佛体系关系 3 非易失性程序和数据存储器 EEPROM Flash 4 JTAG接口 方便调试 有完整开发工具5 外设特点 4双向I 0口 定时器 ADC USART SPI 6 特殊的处理器特点 复位 掉电 RC振动器 6休眠 2 1 1ATmega16的主要特性 8位RISC指令微控制器 内部集成了CPU 内存 I O设备及定时器 辅助电路等 2 1ATmega16单片机综述 补充 RISC指令结构 一 指令集简化 单周期指令系统 指令长度固定 指令格式种类少 寻址方式种类少 二 采用大量的寄存器 使大部分指令操作在寄存器之间进行 只有取数 存数指令会访问存储器 提高处理速度 三 大部分指令在一个机器周期内完成 四 采用流水线以及常用指令均可用硬件执行 图2 1ATmega16的引脚 2 1 2引脚配置 2 1 3ATmega单片机内部结构方框图 AVR单片机内部结构哈佛体系结构 指令通路和数据通路 Flash存指令 SRAM存数据ALU直接连接所有寄存器 可同时访问两个寄存器定时器 串行接口 模拟比较器和A D多种资源功能复用的四组I 0接口Flash在线编程方式 ISP 图2 2 ATmega16内部结构框图 地址线 指令 数据线 数据 长期数据 ATmega16内部结构框图 1 端口A PA7 PA0 端口A为A D转换器的模拟输入端 为8位双向I O口 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 端口被外部电路拉低时将输出电流 还复用为8通道ADC电路 2 1 4引脚功能描述 2 端口B PB7 PB0 为8位双向I O口 PB4 7复用为SPI通讯接口3 端口C PC7 PC0 为8位双向I O口 PC2 5复用为JTAG接口4 端口D PD7 PD0 为8位双向I O口 复用串行通讯接口 外部中断和定时器输出 其它管脚5 VCC 电源 GND 地6 RESET复位输入引脚 7 XTAL1 XTAL2反向振荡放大器的输入 输出端 8 AVCC端口A与A D转换器的电源 9 AREFA D的模拟基准输入引脚 数据通道 1 AVR采用了Harvard结构 具有独立的数据和程序总线 2 快速访问寄存器文件包括32个8位通用工作寄存器 访问时间为一个时钟周期 3 寄存器文件里有6个寄存器 可以用作3个16位的间接寻址 组成X Y Z寄存器 作为数据 程序间接寻址指针 C语言中 怎么用指针访问数据 4 ALU支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻运算 思考 ALU能操作内存单元吗 如果不能 内存数据怎样运算 5 I O空间包括64外设控制寄存器 直接访问 如SPI I O空间也映射到数据空间 地址在通用寄存器之后 为0 x20 0 x5F 2 2 1结构综述 2 2AVRCPU结构 指令通道 6 程序流程通过有 无条件的跳转指令和调用指令来控制 从而直接寻址整个地址空间 7 程序存储器空间分为两个区 引导程序区 Boot区 和应用程序区 8 在中断和调用子程序时返回地址的程序计数器 PC 保存于堆栈之中 堆栈位于通用数据SRAM 因此其深度仅受限于SRAM的大小 什么是堆栈 9 堆栈指针位于I O空间 可以进行读写访问 10 AVR有一个灵活的中断模块 控制寄存器位于I O空间 状态寄存器里有全局中断使能位 各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关 中断向量地址越低 优先级越高 图2 3AVR结构的方框图 指令通道 X Y Z间接 AVR的ALU与32个通用工作寄存器直接相连 寄存器与寄存器之间 寄存器与立即数之间的ALU运算只需要一个时钟周期 ALU操作分为3类 算术 逻辑和位操作 2 2 2ALU算术逻辑单元 状态寄存器包含了最近执行的算术指令的结果状态 程序依据改变程序流程以实现条件操作 所有ALU运算都将影响状态寄存器的内容 在进入中断服务程序时状态寄存器不会自动保存 中断返回时也不会自动恢复 需要软件来处理 中断现场保护 通过压入和弹出堆栈实现 2 2 3状态寄存器 AVR中断寄存器SREG定义如下 Bit7 I 全局中断使能 Bit6 T 位拷贝存储 Bit5 H 半进位标志 Bit4 S 符号位 S N V Bit3 V 2的补码溢出标志 Bit2 N 负数标志 Bit1 Z 零标志 Bit0 C 进位标志 图2 4为CPU32个通用工作寄存器的结构 2 2 4通用寄存器文件 寄存器文件针对AVR增强型RISC指令集做了优化 为了获得需要的性能和灵活性 寄存器文件支持以下的输入 输出方案 输出一个8位操作数 输入一个8位结果 输出两个8位位操作数 输入一个8位结果 输出两个8位位操作数 输入一个16位结果 输出一个16位位操作数 输入一个16位结果如图2 4所示 每个寄存器都有一个数据内存地址 将他们直接映射到用户数据空间的头32个地址 寄存器R26 R31除了用作通用寄存器外 还可以作为数据间接寻址用的地址指针 2 2 5X Y Z寄存器 1 堆栈指针主要用来保存临时数据 局部变量和中断 子程序的返回地址 堆栈指针指向数据SRAM堆栈区 总是指向堆栈的顶部 2 调用子程序和使用中断之前必须定义堆栈空间 且堆栈指针必须指向高于0 x60的地址空间 3 使用PUSH指令将数据推入堆栈时指针减一 而子程序或中断返回地址推入堆栈时指针将减二 使用POP指令将数据弹出堆栈时 堆栈指针加一 而用RET或RETI指令从子程序或中断返回时堆栈指针加二 数据进出加减一 指令加减二 2 2 6堆栈指针 堆栈定义 堆栈主要用来保存临时数据 局部变量和中断 子程序的返回地址的 按照 后进先出 原则组织数据存储结构 堆栈指针指向堆栈的顶部 AVR的堆栈是向下生长的 即新数据压入堆栈时 指针数值将减小 工作过程 使用前需要定义堆栈空间 堆栈指针指向高于0 x60的SRAM数据区 用PUSH压入指令和数据 堆栈指针减一 调用中断 子程序 返回地址压入堆栈 指针减二 用POP弹出堆栈时 指针加一 用返回指令时 指针加二 2 2 6堆栈 补充 AVRCPU由系统时钟clkCPU驱动 此时钟直接来自选定的时钟源 芯片内部对此时钟不分频 2 2 7指令执行时序 图2 7描述的是寄存器文件内部访问时序 在一个时钟周期里 ALU可以同时对两个寄存器操作数进行操作 同时将结果保存到目的寄存器中 图2 7单时钟周期ALU操作时序 2 2 8中断与中断处理 1 中断处理AVR有不同的中断源 每个中断和复位在程序空间都有独立的中断向量 所有的中断事件都有自己的使能位 当使能位置位 且状态寄存器的全局中断使能位I也置位时 中断可以进行 2 两种类型的中断第一种由事件触发并置位中断标志 对于这类中断 程序计数器跳转到实际的中断向量以执行中断处理程序 同时硬件将清除相应的中断标志 第二种类型的中断则是只要中断条件满足 就会一直触发 这些中断不需要中断标志 例2 1在写EEPROM时使用下列代码来防止中断发生以避免对EEPROM内容的可能破坏 charcSREG cSREG SREG 保存SREG 禁止中断 CLI BECR 1 EBMWB 启动EEPROM写操作 EECR 1 EBWE SREG cSREG 恢复SREG I位 例2 2使用SEI指令使能中断时 紧跟其后的第一条指令在执行任何中断之前一定会首先得到执行 SEI 置位全局中断使能标志 SLEEP 进入休眠模式 等待中断发生 注意 在执行任何被挂起的中断之前MCU将首先进入休眠模式 3 中断响应时间AVR中断响应时间最少为4个时钟周期 4个时钟周期后 程序跳转到实际的中断处理程序 在这4个时钟期期间PC自动入栈 在通常情况下 中断向量为一个跳转指令 此跳转需要3个时钟周期 如果中断在一个多时钟周期指令执行期间发生 则在此多周期指令执行完毕后MCU才会执行中断程序 若中断发生时MCU处于休眠模式 中断响应时间还需增加4个时钟周期 AVR结构具有8Kx16位格式 分两个主要的存储器空间 数据存储器空间和程序存储器空间 2 3 1系统内可编程的Flash程序存储器ATmega16具有16K字节的在线编程Flash 用于存放程序指令代码 2 3AVRATmega16的存储器 2 3 2SRAM数据存储器 1 SRAM配置共计1120存储器单元 为通用寄存器文件 I O寄存器 和内部数据存储器 2 SRAM寻址方式数据存储器的寻址方式分为5种 直接寻址 间接寻址 带偏移量的间接寻址 带预减量的间接寻址和带后增量的间接寻址 ATmega16的全部32个通用寄存器 64个I O寄存器及1024个字节的内部数据SRAM可以通过所有上述的寻址模式进行访问 图2 9数据存储器映像 图2 10片内SRAM存取周期 如图2 10所示 内部数据SRAM访问时间为两个clkCPU时钟 2 3 3数据存储器访问时序 2 3 4EEPROM数据存储器 1 EEPROM读 写访问EEPROM的访问寄存器位于I O空间 EEPROMuchartest 10 定义EEPROM参数地址 EEPROMuchare first 定义EEPROM参数变量 eeprom write byte 读取EEPROM参数变量值并写入变量ff 2 EEPROM地址寄存器 EEARH和EEARL Bits15 9 Res 保留保留位 读操作返回值为零 Bits8 0 EEAR8 0 EEPROM地址 3 EEPROM数据寄存器 EEDR Bits7 0 EEDR7 0 EEPROM数据对于EEPROM写操作 EEDR是需要写到EEAR单元的数据 对于读操作 EEDR是从地址EEAR读取的数据 4 EEPROM控制寄存器 EECR Bits7 4 Res 保留 Bit3 EERIE 使能EEPROM准备好中断 Bit2 EEMWE EEPROM主机写使能 Bit1 EEWE EEPROM写使能 Bit0 EERE EEPROM读使能 下表为CPU访问EEPROM的典型时间 表2 1EEPROM编程时间 5 在掉电休眠模式下的EEPROM写操作若程序执行掉电指令时EEPROM的写操作正在进行 EEPROM的写操作将继续 并在指定的写访问时间之前完成 6 防止EEPROM数据丢失若电源电压过低 CPU和EEPROM有可能工作不正常 造成EEPROM数据的毁坏 丢失 EEPROM数据损坏的问题可以通过以下方法解决 当电压过低时保持AVRRESET信号为低 这可以通过使能芯片的掉电检测电路BOD来实现 如果BOD电平无法满足要求则可以使用外部复位电路 2 3 5I O存储器 ATmega16所有的I O及外设都被放置于I O空间 1 所有的I O位置都可以通过IN与OUT指令来访问 地址是0 x00 0 x1F 在32个通用工作寄存器和I O之间传输数据 2 地址为0 x00 0 x3F的I O寄存器还可用SBI和CBI指令直接进行位寻址 而SBIS和SBIC则用来检查某一位的值 2 4 1时钟系统及其分布 1 CPU时钟 clkCPU2 I O时钟 clkI O3 Flash时钟 clkFLASH4 异步定时器时钟 clkASY5 ADC时钟 clkADC 2 4系统时钟及时钟选项 图2 11时钟分布 2 4 1时钟系统及分配 CPU时钟 clkcpu与AVR内核子系统相连I O时钟 连接I O模块 外部中断模块Flash时钟异步定时器ADC时钟 2 4 2时钟源 ATmega16有如下几种通过Flash熔丝位进行选择的时钟源 表2 2时钟源选择 1 时钟源选择 ATmega16提供系统时钟源时 有三种主要的选择 1 直接使用片内的1 2 4 8M的RC振荡源 2 在引脚XTAL1和XTAL2上外接由石英晶体和电容组成的谐振回路 配合片内的OSC Oscillator 振荡电路构成的振荡源 3 直接使用外部的时钟源输出的脉冲信号 2 缺省时钟源 器件出厂时CKSEL 0010 SUT 10 这个缺省设置的时钟源是1MHz的内部RC振荡器 启动时间为最长 这种设置保证用户可以通过ISP或并行编程器得到所需的时钟源 图2 12晶体振荡器连接图 图2 13外部RC配置 XTAL1与XTAL2分别为用作片内振荡器的反向放大器的输入和输出 2 4 4晶体振荡器 表2 4晶体振荡器工作模式 表2 5启动时间由熔丝位SUT确定和片内RC振荡器工作模式 Bits7 5 4 SM2 0 休眠模式选择位2 1和0 Bit6 SE 休眠使能为了使MCU在执行SLEEP指令后进入休眠模式 SE必须置位 2 5 1MCU控制寄存器 MCUCR 2 5电源管理及睡眠模式 表2 6休眠模式选择 2 5 2最小化功耗 降低AVR控制系统的功耗时需考虑几个问题 下面的模块需要特殊考虑以达到尽可能低的功耗 1 模数转换器2 模拟比较器3 掉电检测BOD4 片内基准电压5 看门狗定时器6 端口引脚7 JTAG接口与片上调试系统 2 6 1复位AVR 复位时所有的I O寄存器都被设置为初始值 程序从复位向量处开始执行 1 复位源ATmega16有5个复位源 上电复位 外部复位 看门狗复位 掉电检测复位 JTAGAVR复位 2 6系统控制和复位 图2 14工作过程中发生外部复位时序 2 上电复位上电复位 POR 脉冲由片内检测电路产生 3 外部复位外部复位由外加于RESET引脚的低电平产生 4 掉电检测 1 上电复位 AVR内部含有上电复位POR Power onReset 电路 POR确保了只有当Vcc超过一个安全电平时 器件才开始工作 图2 15MCU上电复位启动 RESET连到Vcc 2 外部复位 外部复位是由外加在RESET引脚上的低电平将产生的 当RESET引脚被拉低于Vrst的时间大于1 5 s时既触发复位过程 图2 15工作过程中发生掉电检测复位时序 3 掉电检测 BOD 复位 片内的BOD Brown outDetection 电源检测电路 用于在系统运行时对系统电压VCC的检测 并同一个固定的阈值电压相比较 BOD检测阈值电压可以通过BODLEVEL熔丝位设定为2 7V或4 0V 表2 7内部电压基准源的特性 片内基准电压 ATmega16具有片内能隙基准源 用于掉电检测 或者是作为模拟比较器或ADC的输入 ADC的2 56V基准电压由此片内能隙基准源产生 5 看门狗复位 ATmega16片内还集成一个独立的看门狗定时器WDT 该WDT由片内独立的1M振荡器提供时钟信号 并且可用专用的熔丝位或由用户通过指令控制WDT的启动和关闭 以及设置和清零计数值 当WDT启动计数后 一旦发生计数溢出 它将触发产生一个时钟周期宽度的复位脉冲 脉冲的上升沿将使器件进入复位状态 脉冲的下降沿启动延时计数器计数 经过设定的启动延时时间 CPU重新开始运行 使用WDT功能 可以防止系统受到干扰而引起的程序运行紊乱和跑飞 提高了系统的可靠性 图2 16工作过程中发生看门狗复位时序 5 看门狗复位看门狗定时器溢出时将产生持续时间为1个CK周期的复位脉冲 在脉冲的下降沿 延时定时器开始对tTOUT记数 6 MCU控制和状态寄存器 MCUCSR Bit4 JTRF JTAG复位标志 Bit3 WDRF 看门狗复位标志 Bit2 BORF 掉电检测复位标志 Bit1 EXTRF 外部复位标志 Bit0 PORF 上电复位标志 2 7看门狗定时器 看门狗定时器由独立的1MHz片内振荡器驱动 其复位指令WDR用来复位看门狗定时器 禁止看门狗定时器或发生复位时定时器也被复位 复位时间有8个选项 1 看门狗定时器控制寄存器 WDTCR Bits7 5 Res 保留位 Bit4 WDTOE 看门狗修改使能 Bit3 WDE 使能看门狗 Bits2 0 WDP2 WDP1 WDP0 看门狗定时器预分频器2 1和0 例2 5用C语言实现了关闭WDT的操作 在此假定中断处于用户控制之下 比如禁止全局中断 因而在执行下面程序时中断不会发生 voidWDT off void WDR WDT复位WDTCR 1 WDTOE 1 WDB 置位WDTOE和WDEWDTCR 0 x00 关闭WDT 2 8 1ATmega16的中断向量 2 8 中断 1 熔丝位BOOTRST被编程时 MCU复位后程序跳转到BootLoader 2 当寄存器GICR的IVSEL置位时 中断向量转移到Boot区的起始地址 此时各个中断向量的实际地址为表中地址与Boot区起始地址之和 表2 9复位和中断向量 表2 10复位和中断向量位置的确定 下表给出了在不同的BOOTRST IVSEL设置下 复位和中断向量的位置 用户可以在此直接写程序 2 8 2通用中断控制寄存器 GICR Bit1 IVSEL 中断向量选择 Bit0 IVCE 中断向量修改使能 例2 6改变IVSEL时IVCE必须置位 在IVCE或IVSEL写操作之后4个时钟周期 IVCE被硬件清零 如前面所述 置位IVCE将禁止中断 代码如下 voidMove interrupts void GICR 1 IVCE 使能中断向量的修改GICR 1 IVSEL 将中断向量转移到boot区 作为通用数字I O使用时 所有AVRI O端口都具有真正的读 修改 写双向数字输入 输出功能 其中每一位都可以由指令 SBI CBI 设置为独立的输入口 或输出口 作为输出口时 可以输出或吸收大电流 当其输出高电平时 能够输出20mA的电流 输出低电平时 可以吸收40mA的电流 能直接驱动LED 所有的端口引脚都有上拉电阻 有保护二极管与VCC和地相连 上拉电阻可通过编程设置为有效或无效 2 9 1端口使用介绍 2 9I O端口描述 端口寄存器每个端口配置3个I O地址 1 数据寄存器 PORTx 2 数据方向寄存器 DDRx 3 输入引脚寄存器 PINx 每个端口引脚对应三个寄存器相应位 DDxn PORTxn和PINxn X 端口号 n 管脚号 输出工作方式 IO口的输出性能指标 AVR的IO口灌电流 拉电流能力均达40 20mA51的拉电流能力 100uA 灌电流能力10mA 灌电流能力 能够流入IO口的最大电流 拉电流能力 能够从IO口流出的最大电流 输入工作方式 I O寄存器与变量 IO口与IO寄存器的映射 x代表A D 方向控制寄存器 DDRx数据寄存器 PORTx输入引脚寄存器 PINxC语言变量与寄存器的映射io h这个文件中将所有寄存器映射为同名的变量 对这些变量的读写相当于对寄存器的读写输出状态IO寄存器设置DDRx某一位置1 相应位的IO口被设置为输出PORTx某一位置1或0 对应IO口相应位的电平高低PINx是只读寄存器 为端口管脚电平 2 9 2作为通用数字I O的端口端口为具有可选上拉电阻的双向I O端口 输出方式 图2 18I O引脚等效原理图 表2 11端口状态配置 2 9 3配置引脚在AVR单片机中 I O端口中都有上拉电阻 1 DDxn为 0 时 引脚配置为输入 PORTx为 1 上拉电阻使能 PORTx清零 关闭配置2 DDxn为 1 时 引脚配置为输出 PORTx为 1 输出高电平 PORTx为 0 输出低电平 注意 DDxn用来选择引脚的方向 DDxn为 1 时 Pxn配置为输出 否则配置为输入 引脚配置为输入时 若PORTxn为 1 上拉电阻将使能 如果需要关闭这个上拉电阻 可以将PORTxn清零 或者将这个引脚配置为输出 复位时各引脚为高阻态 即使此时并没有时钟在运行 2 9 4读取引脚上的数据不论如何配置DDxn 都可以通过读取PINxn寄存器来获得引脚电平 图2 20