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AVR单片机嵌入式系统入门 张晓冬 嵌入式系统概述 按计算机的非嵌入式应用和嵌入式应用将其分为通用计算机系统和嵌入式计算机系统 办公家庭中最广泛使用的PC机就是通用计算机的典型代表 嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置 产品和系统中的 在许多应用领域中 如工业控制 智能仪器仪表 家用电器 电子通信设备等电子系统和电子产品中 对计算机的应用有着不同的要求 表现如下 面对控制对象 面对物理量传感器变换的信号输入 面对人机交互的操作控制 面对对象的驱动和控制 嵌入到应用系统 体积小 低功耗 价格低廉 可方便的嵌入到应用系统和电子产品中 能在工业现场环境中可靠运行 优良的控制功能 对外部的各种模拟和数字信号能及时的捕捉 对不同的控制对象能灵活的进行实时控制 嵌入式系统特点 嵌入式系统就是指用于实现独立功能的专用计算机系统 它由包括微处理器 微控制器 定时器 传感器等一系列微电子芯片与器件 以及嵌入在存储器中的微型操作系统或控制系统软件组成 完成诸如实时控制 监测管理 移动计算 数据处理等各种自动化处理任务 嵌入式系统是以应用为核心 以计算机技术为基础 软硬件可裁剪 适应应用系统对功能 可靠性 安全性 成本 体积 重量 功耗 环境等方面有严格要求的专用计算机系统 嵌入式系统最显著的特性是面对工控领域的测控对象 工控领域的测量对象都是物理量 如压力 温度 速度 位移等 控制对象包括电机 开关等 这种系统具有软件代码小 高度自动化 响应速度快等特点 特别适应于面向对象的实时要求和多任务的应用 嵌入式系统的构成 各种类型的工控机可编程逻辑控制器PLC以通用微处理器或数字信号处理器构成嵌入式系统单片机嵌入式系统以单片机作为控制核心的单片机嵌入式系统大部分应用于专业性极强的工业控制系统中 其主要特点 机构和功能相对单一 存储容量较小 计算能力和效率较低 具有简单的用户接口 由于这种嵌入式系统功能专一 可靠 价格便宜 因此在工业控制 电子智能仪器设别等领域有着广泛的应用 作为单片机嵌入式系统的核心控制部件单片机 它从体系结构到指令系统都是按照嵌入式系统的应用特点专门设计的 能最好地满足面对控制对象 应用系统的嵌入 现场的可靠运行和优良的控制功能要求 因此 单片机嵌入式应用是发展最快 品种最多 数量最大的嵌入式系统 有着广泛的应用前景 单片机概念 单片机嵌入式系统的硬件基本构成分成两大部分 微控制器和外围的接口控制电路 其中微控制器是构成单片机嵌入式系统的核心 微控制器早期被称为嵌入式微控制器 EmbeddedMicrocontroller 而国内普遍采用的名字为 单片机 所谓的单片机 其外表通常只是一片大规模集成电路芯片 但在芯片内部却继承了中央处理器单元 CPU 各种存储器 RAM ROM EEPROM FLASHROM等 各种输入输出接口 T C 并行I O 串行I O A D转换等 等众多的功能部件 因此 一片芯片就构成一个基本的微型计算机系统 单片机延伸 单片机嵌入式系统在我国大规模应用已有几十年的历史 它是中小型工控领域 智能仪器仪表 家用电器 电子通信设备和电子系统中最重要的工具和最普遍的应用手段 对于电子 通信 工业控制 智能仪器仪表等相关专业的学生来讲 深入学习和掌握单片机嵌入式系统的原理与应用 不仅能对自己所学的基础知识进行检验 而且能够培养和锻炼问题分析 综合应用和动手实践的能力 掌握真正的专业技能和应用技术 另外 掌握单片机嵌入式系统的应用 也是学习其他嵌入式控制器如32位ARM的基础 任何嵌入式控制器都离不开单片机中所涵盖的如中央处理器 定时器 中断控制器 I O口控制器 串行通信控制器片内外存储控制器 以及汇编语言 C语言和操作系统的概念 单片机发展趋势 全盘CMOS化采用RISC reducedinstructionsetcpu 体系结构多功能集成化片内存储器的改进与发展ISP IAP技术的开发及应用实现全面功耗管理以串行总线方式为主的外围扩展单片机向片上系统SOC systemonchip 的发展 单片机嵌入式系统的结构 单片机 嵌入式系统的核心控制芯片 由它实现对控制对象的测控 系统运行管理控制和数据运算处理等功能 硬件电路 系统根据采用单片机的特性以及嵌入对象要实现的功能要求而配备的外围芯片 器件所构成的全部硬件电路 基本系统电路 前向通道接口电路 后向通道接口电路 人机交互通道接口电路 数据通信接口电路 应用软件 系统应用软件的核心就是下载到单片机中的系统运行程序 整个嵌入式系统全部硬件的相互协调工作 智能管理和控制都由系统运行程序决定 汇编语言 C语言 BASIC语言 单片机嵌入式系统的硬件设计和软件设计两者之间的关系十分紧密 且互相依赖和制约 因此 通常要求嵌入式系统的开发人员既要具备真实的硬件设计能力 同时也要具备相当优秀的软件程序设计能力 单片机嵌入式系统的应用领域 现代数字化世界中 单片机嵌入式系统已经大量渗透到我们生活的各个领域中 导弹的导航装置 飞机坦克上的仪表控制 工业自动化过程中的实时控制和数据处理 生产流水线上的机器人 广泛使用的智能IC卡 小朋友的电子程控玩具等 都是典型的单片机嵌入式系统应用 由于单片机芯片的微小体积 极低的成本和面向控制的设计 使得它作为智能控制的核心器件被广泛应用到以下领域中 智能家用电器 传统家用电器中嵌入了单片机系统后 使其性能特点得到很大的改善 实现运行的智能化 温度时间的自动调节 节约能源等 智能机电一体化产品 单片机嵌入式系统与传统的机械产品相结合 使传统的机械产品结构简化 控制智能化 构成了新一代机电一体化产品 智能仪表仪器 用单片机嵌入式系统改造原有的测量 控制仪表和仪器 能促使仪器仪表向数字化 智能化 多功能化发展 测控系统 单片机嵌入式系统可以构成各种工业控制系统 自适应控制系统 数据采集系统等 AVR单片机概述 ATMEL公司是世界上著名的生产高性能 低功耗 非易失性存储器和各种数字模拟IC芯片的半导体制造公司 在微控制器方面 ATMEL公司有基于8051内核 AT89C51 S51 AVR内核和ARM内核的三大系列单片机产品 ATMEL公司在其单片机产品中融入了先进的EEPROM电可擦除和FLASHROM存储器技术 使其单片机具备了优秀的品质 在结构 性能和功能等方面都有明显的优势 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 ReducedInstructionSetCPU 结构的新型单片机 简称AVR单片机 AVR单片机是第一个真正采用RISC结构的单片机 它采用了大型快速存取寄存器组 快速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 同时采用32个通用工作寄存器代替了累加器 避免了在传统结构中累加器与存储器之间数据传送造成的瓶颈现象 进一步调高了指令的运行效率和速度 AVR单片机采用低功耗 非易失的CMOS工艺制造 内部分别集成FLASH EEPROM和SRAM3种不同性能和用途的存储器 除了可以使用编程器 并行高压方式 进行编程外 还具有ISP在线编程和IAP应用编程的特点 AVR单片机主要特点 采用CMOS技术和RISC构架 实现高速处理功能 程序存储器价格低廉 重复擦写上万次 高度保密 工业级产品 驱动能力强 超功能精简指令 32个通用工作寄存器 程序可以并行写入和串行ISP IAP下载写入 通用数字I O口 内部集成模拟比较器 A D转换器 内部拥有几十个个中断源 具有多个带预分频器的8位和16位定时 计数器 具有多种不同方式的节电工作方式 具有内部RC振荡器 性能优良的串行同步 异步USART口 工作电压范围宽 2 7 6 0V 内部集成了擦写10万次的EEPROM AVR单片机分类 1 ATtiny系列 如tiny13 tiny15 tiny26 属于低档 适合功能相对单一的系统 2 AT90S系列 AT90S8515 AT90S8535 属于中档 适合一般系统开发 3 ATmega系列 Mega8 Mega16 Mega32 Mega128属于高档 适合各种具有较高要求的系统 注 目前AT90系列产品已很少用 多数使用ATmega系列 AVR单片机与C语言 C语言是一种编译型的结构化程序设计语言 它具有简单而强大的处理功能 并且可以实现对系统硬件的直接操作 C语言支持自顶向下的结构化程序设计方法 并且支持模块化程序设计结构 因此它是开发单片机系统程序软件的首选 其特点 编译效率高 运行速度快 系统维护 调试容易 可读性强 移植性好 结构简单 易于实现模块化 具有强大的库函数 编程效率高 对硬件的操作简单 不需了解指令的操作时序 C语言在实时性方面不如精简的汇编语言 在运行时间精确的场合 采用 和汇编混合编程 数字电路中只有两种电平 高和低 1和0 本课程中 定义单片机为TTL电平 高 5V低0VRS232电平 计算机的串口电平 高 12V低 12V所以计算机与单片机之间通讯时需要加电平转换芯片max232 电平与二进制 2020 3 15 20 可编辑 十六进制表示为0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 十六进制 各种进位制的对应关系 二进制与十六进制之间的转换 规律 一般把四个二进制数放在一起转换成一个十六进制数 转换时先把二进制数转换成十进制数 再把十进制数转换成十六进制数如 0001B 1 1HB表示为二进制 H为十六进制1001B 9 9H1010B 10 AH00111100 3CH AVR单片机C语言概述 类型 符号 关键字 数的表示范围 所占位数 整型 字符型 实型 有 无 signed int 16 32768 32767 signed short 16 32768 32767 signed long 32 2147483648 2147483647 16 unsignedint 0 65535 32 0 4294967295 unsignedlongint unsignedshortint 16 0 65535 有 float 32 3 4e 38 3 4e38 有 double 64 1 7e 308 1 7e308 有 char 8 128 127 无 unsignedchar 8 0 255 基本数据类型 数据类型变量名charvar1 bitflags unsignedcharvextor 10 intabc Int p 注意 变量名不能用C语言中的关键字表示 与C语言基本相同 加减乘除 位右移位左移 按位与按位或 按位异或按位取反 按位与 0XA1 0X51 0X01 0XA1 0X51 0X01 按位或 0XA1 0X51 0XF1 0XA1 0X51 0XF1 按位异或 0XA1 0X51 0XF0 0XA1 0X51 0XF0 按位取反 0XA1 0X5E 0XA1 0X5E 位右移 a 1 a 0XA1 0X50 位左移 a 1 a 0XA1 0X42 BIT x 定义为1 x BIT 0 00000001BIT 3 00001000 BIT 3 11110111PORTA BIT PA3 单片机A口第四位置高电平PORTA 1 3 单片机A口第四位置高电平PORTA BIT 3 单片机A口第四位置高电平PORTA 单片机A口第四位置电平翻转 AVR单片机常用位操作指令 AVR单片机常用头文件 include include include