avr单片机分享资料

1、1一一 . AVR单片机的基本结构单片机的基本结构 介绍单片机的基本结构和组成，使大家对单片机芯片的介绍单片机的基本结构和组成，使大家对单片机芯片的内部硬件有基本了解和认识。掌握了单片机的基本结构和组内部硬件有基本了解和认识。掌握了单片机的基本结构和组成，对学习、了解任何一种类型单片机的工作原理，编写单成，对学习、了解任何一种类型单片机的工作原理，编写单片机的系统软件以及和设计外围电路都是非常重要的。片机的系统软件以及和设计外围电路都是非常重要的。 以以ATmega16ATmega16为主线，介绍和讲述为主线，介绍和讲述AVRAVR单片机内核的基单片机内核的基本结构、引脚功能、工作方式等。本结

2、构、引脚功能、工作方式等。 2单片机的基本组成结构单片机的基本组成结构 集成了构成一个计算机系统的最基本的单元集成了构成一个计算机系统的最基本的单元 操作管理寄存器功能是管理、协调、控制和操作单片机芯片中的各功能单操作管理寄存器功能是管理、协调、控制和操作单片机芯片中的各功能单元的使用和运行。元的使用和运行。( (状态寄存器、控制寄存器、方式寄存器、数据寄存器状态寄存器、控制寄存器、方式寄存器、数据寄存器) ) 3二二. ATmega16. ATmega16单片机的组成单片机的组成 AVRAVR单片机是一种基于增强单片机是一种基于增强RISCRISC结构的、低功耗、结构的、低功耗、CMOSCM

3、OS技技术、术、8 8位微控制器位微控制器(Enhanced RISC Microcontroller)(Enhanced RISC Microcontroller)，目前有，目前有TinyTiny、MegaMega两个系列两个系列5050多种型号。它们的功能和外部的引脚各多种型号。它们的功能和外部的引脚各有不同，小到有不同，小到8 81212个引脚，多到个引脚，多到100100个引脚，但它们内核的基个引脚，但它们内核的基本结构是一样的，指令系统相容。本结构是一样的，指令系统相容。 4AVR单片机的内核结构单片机的内核结构 532个通用工作寄存器中，有个通用工作寄存器中，有6个寄存器可以合并成

4、为个寄存器可以合并成为3个个16位的，位的，用于对数据存储器空间进行间接寻址的间接地址寄存器（存放用于对数据存储器空间进行间接寻址的间接地址寄存器（存放地址指针），以实现高效的地址计算。这地址指针），以实现高效的地址计算。这3个个16位的间接地址位的间接地址寄存器称为：寄存器称为：X寄存器寄存器，Y寄存器和寄存器和Z寄存器寄存器。其中。其中Z寄存器还寄存器还能作为间接寻址程序存储器空间的地址寄存器，用于在能作为间接寻址程序存储器空间的地址寄存器，用于在Flash程序存储器空间进行查表等操作。程序存储器空间进行查表等操作。 ATmega16ATmega16单片机的单片机的FlashFlash程序

5、存储器空间可以分成两段：程序存储器空间可以分成两段：引导引导程序段（程序段（Boot program sectionBoot program section）和应用程序段）和应用程序段（Application program sectionApplication program section）。两个段的读写保护可以）。两个段的读写保护可以分别通过设置对应的锁定位（分别通过设置对应的锁定位（Lock bitsLock bits）来实现。在引导程）来实现。在引导程序段内驻留的引导程序中，可以使用序段内驻留的引导程序中，可以使用SPMSPM指令，实现对应用程指令，实现对应用程序段的写操作（实现在应

6、用自编程序段的写操作（实现在应用自编程IAPIAP功能，使系统能够自己功能，使系统能够自己更新系统程序）。更新系统程序）。6典型典型AVR芯片芯片ATmega16特点特点 （1）采用先进RISC结构的AVR内核 （2）片内含有较大容量的非易失性的程序和数据存储器（3）片内含JTAG接口 （4）外围接口 （6）宽电压、高速度、低功耗（5）其它的特点片内含上电复位电路以及可编程的掉电检测复位电路BOD；片内含有1M/2M/4M/8M，经过标定的、可校正的RC振荡器，可作为系统时钟使用；多达21个各种类型的内外部中断源；有6种休眠模式支持省电方式工作； 72个带有分别独立、可设置预分频器的个带有分别

7、独立、可设置预分频器的8位定时器位定时器/计数器；计数器；1个带有可设置预分频器、具有比较、捕捉功能的个带有可设置预分频器、具有比较、捕捉功能的16位定时位定时器器/计数器；计数器；片内含独立振荡器的实时时钟片内含独立振荡器的实时时钟RTC；4路路PWM通道；通道；8路路10位位ADC面向字节的两线接口面向字节的两线接口TWI（兼容（兼容I2C硬件接口）；硬件接口）；1个可编程的增强型全双工的，支持同步个可编程的增强型全双工的，支持同步/异步通信的串行接异步通信的串行接口口USART；1个可工作于主机个可工作于主机/从机模式的从机模式的SPI串行接口（支持串行接口（支持ISP程序下程序下载）；

8、载）；片内模拟比较器；片内模拟比较器；内含可编程的，具有独立片内振荡器的看门狗定时器内含可编程的，具有独立片内振荡器的看门狗定时器WDT；8 外部引脚与封装外部引脚与封装40脚双列直插PDIP、44脚方形的TQFP和MLF形式（贴片形式）。 9三三. ATmega16. ATmega16内部结构内部结构 1.AVR CPU1.AVR CPU部分部分ALUALU运算逻辑单元、运算逻辑单元、3232个个8 8位快速访问通用寄存器位快速访问通用寄存器组（寄存器文件）、程组（寄存器文件）、程序计数器序计数器PCPC、指令寄存、指令寄存器、指令译码器。器、指令译码器。2.2.程序存储器程序存储器Flas

9、hFlash。3.3.数据存储器数据存储器RAMRAM和和EEPROMEEPROM。4.4.各种功能的外围接口、各种功能的外围接口、I/OI/O，以及与它们相关的，以及与它们相关的数据、控制、状态寄存数据、控制、状态寄存器等。器等。1011 ATmega16的片内含有的片内含有4种频率（种频率（1/2/4/8M）的）的RC振荡源，振荡源，可直接作为系统的工作时钟使用。可直接作为系统的工作时钟使用。 为为ATmega16提供系统时钟源时，有三种主要的选择：提供系统时钟源时，有三种主要的选择：（1）直接使用片内的）直接使用片内的1/2/4/8M的的RC振荡源；振荡源；（2）在引脚）在引脚XTAL1

10、和和XTAL2上外接由石英晶体和电容组成的谐上外接由石英晶体和电容组成的谐振回路振回路,配合片内的配合片内的OSC（Oscillator）振荡电路构成的振荡源；）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）直接使用外部的时钟源输出的脉冲信号12存储器存储器 AVR单片机在片内集成了单片机在片内集成了Flash程序存储器、程序存储器、SRAM数据存数据存储器和储器和EEPROM数据存储器。数据存储器。 三个存储器空间互相独立，物理结构也不同。三个存储器空间互相独立，物理结构也不同。 程序存储器程序存储器为闪存存储器为闪存存储器Flash，以，以16位（字）为一个存储位（字）

11、为一个存储单元，作为数据读取时，以字节为单位，而擦除、写入则是以单元，作为数据读取时，以字节为单位，而擦除、写入则是以页为单位的（不同型号页为单位的（不同型号AVR单片机一页的大小也不同）。单片机一页的大小也不同）。 SRAM数据存储器数据存储器是以是以8位（字节）为一个存储单元，编址位（字节）为一个存储单元，编址方式采用与工作寄存器组、方式采用与工作寄存器组、I/O寄存器和寄存器和SRAM统一寻址的方式统一寻址的方式 EEPROM数据存储器数据存储器是以是以8位（字节）为一个存储单元，位（字节）为一个存储单元，对其的读写操作都以字节为单位。对其的读写操作都以字节为单位。 13I/O端口端口

12、ATmega16有四个有四个8位的双向位的双向I/O端口端口PA、PB、PC、PD，它们对外对应它们对外对应32个个I/O引脚，每一位都可以独立地用于逻辑信引脚，每一位都可以独立地用于逻辑信号的输入和输出。号的输入和输出。 AVR大部分的大部分的I/O端口都具备双重功能，分别同片内的各种端口都具备双重功能，分别同片内的各种不同功能的外围接口电路组合成一些可以完成特殊功能的不同功能的外围接口电路组合成一些可以完成特殊功能的I/O 口，如口，如定时器、计数器、串行接口、模拟比较器、捕捉器定时器、计数器、串行接口、模拟比较器、捕捉器等。等。 输出时输出时, ,每个引脚可供出达每个引脚可供出达20mA

13、20mA的驱动电流。的驱动电流。输入时，每个引脚可吸纳最大为输入时，每个引脚可吸纳最大为40mA40mA的电流。的电流。可直接驱动发光二极管可直接驱动发光二极管LEDLED（一般（一般LEDLED的驱动电流为的驱动电流为10mA10mA左右）左右）和小型继电器。和小型继电器。 14四四. 存储器结构和地址空间存储器结构和地址空间 1.支持支持ISP的的Flash程序存储器程序存储器 AVR单片机包括单片机包括1K128K字节的片内支持字节的片内支持ISP的的Flash程程序存储器。（序存储器。（16K） Flash存储器的使用寿命最少为存储器的使用寿命最少为1万次写万次写/擦循环。擦循环。AT

14、mega16单片机的程序存储器为单片机的程序存储器为8K 16（16K 8），程序计数器），程序计数器PC宽宽为为13位，以此来对位，以此来对8K字程序存储器地址进行寻址。字程序存储器地址进行寻址。 地址空间从地址空间从$000开始开始 152. 数据存储器数据存储器SRAM空间空间 全部共全部共11201120个数据存储器地址为线性编址个数据存储器地址为线性编址, ,前前9696个地址为寄存器组个地址为寄存器组. .3232个个8 8位通用寄存器位通用寄存器: : SRAM数据地址空间数据地址空间$0000$001F ， I/OI/O寄存器（寄存器（6464个个8 8位位I/OI/O寄存器）

15、，寄存器），分配在分配在SRAMSRAM数据地址空间的数据地址空间的$0020$0020$005F$005F。10241024个地址是片内数据个地址是片内数据SRAMSRAM，地址空间占用，地址空间占用$0060$0060$045F$045F。 ATmega16不支持外部不支持外部SRAM扩展扩展 163.内部内部EEPROM 存储器存储器 AVR系列单片机还包括系列单片机还包括64B4K字节的字节的EEPROM数据存储器数据存储器。 它们被组织在一个独立的数据空间中。这个数据空间采用单字它们被组织在一个独立的数据空间中。这个数据空间采用单字节读写方式。节读写方式。EEPROM 的使用寿命至少

16、为的使用寿命至少为 10万次写万次写/擦循环。擦循环。 ATmega16的的EEPROM容量是容量是512字节，地址范围为字节，地址范围为$0000$01FF。 EEPROM数据存储器可用于存放一些需要掉电保护，而且数据存储器可用于存放一些需要掉电保护，而且比较固定的系统参数、表格等。比较固定的系统参数、表格等。17五五. 通用寄存器组与通用寄存器组与I/O寄存器寄存器 1. 通用寄存器组通用寄存器组 18 AVR寄存器组最后的寄存器组最后的6个寄存器个寄存器R26R31具有特殊的功能，具有特殊的功能，这些寄存器每两个合并成一个这些寄存器每两个合并成一个16位的寄存器，作为对数据存储器位的寄存

17、器，作为对数据存储器空间（使用空间（使用X、Y、Z）以及程序存储器空间（仅使用）以及程序存储器空间（仅使用Z寄存器）寄存器）间接寻址的地址指针寄存器。间接寻址的地址指针寄存器。 192. I/O寄存器寄存器 202122 AVR系列单片机所有系列单片机所有I/O口及外围接口的功能和配置均通过口及外围接口的功能和配置均通过I/O寄存器的进寄存器的进行设置和使用。行设置和使用。CPU访问访问I/O寄存器用两种不同的方法，寄存器用两种不同的方法，1.对对I/O寄存器访问的寄存器访问的IN、OUT专用指令专用指令 2.用对用对SRAM访问的指令。访问的指令。 23状态寄存器和堆栈指针寄存器状态寄存器和

18、堆栈指针寄存器 1状态寄存器状态寄存器SREG2堆栈指针寄存器堆栈指针寄存器SP通常初始化时将通常初始化时将SP的指针设在的指针设在SRAM最高处最高处 24六六. ATmega16单片机的工作状态单片机的工作状态 AVR AVR单片机的工作状态通常包括：单片机的工作状态通常包括： 复位状态复位状态 正常程序执行工作状态正常程序执行工作状态 休眠节电工作状态休眠节电工作状态 程序运行代码下载的编程程序运行代码下载的编程 熔丝位的配置。熔丝位的配置。 251. AVR单片机最小系统单片机最小系统 采用了在采用了在ATmega16ATmega16引脚引脚XTAL1XTAL1和和XTAL2XTAL2

19、上外接由石英上外接由石英晶体和电容组晶体和电容组成的谐振回路，成的谐振回路，并配合片内的并配合片内的OSCOSC（OscillatorOscillator）振荡电路构成振荡电路构成的振荡源作为的振荡源作为系统时钟源系统时钟源的 简单的电路是直接使用片内的简单的电路是直接使用片内的4M的的RC振荡源，这样就可以将振荡源，这样就可以将C1、C2、R2和和4M晶体省掉，引脚晶体省掉，引脚XTAL1和和XTAL2悬空，悬空，(精准度、温度变化的影响）。精准度、温度变化的影响）。 262. AVR的复位源和复位方式的复位源和复位方式ATmega16单片机共有单片机共有5个复位源，它们是个复位源，它们是：

20、1. 上电复位。上电复位。当系统电源电压低于上电复位当系统电源电压低于上电复位门限门限Vpot时，时，MCU复位。复位。2. 外部复位外部复位。当外部引脚。当外部引脚RESET为低电平，为低电平，且低电平持续时间大于且低电平持续时间大于1.5us时，时，MCU复位。复位。3. 掉电检测（掉电检测（BOD）复位。）复位。BOD使能时，且使能时，且电源电压低于掉电检测复位门限（电源电压低于掉电检测复位门限（4.0v或或2.7v）时，时，MCU复位。复位。4. 看门狗复位。看门狗复位。WDT使能时，并且使能时，并且WDT超时超时溢出时，溢出时，MCU复位。复位。5. JTAG AVR复位。复位。当使

21、用当使用JTAG接口时，可接口时，可由由JTAG口控制口控制MCU复位。复位。271上电复位上电复位AVR内部含有上电复位内部含有上电复位POR(Power_on Reset)电路电路无论何时，只要无论何时，只要Vcc低于检低于检测电平测电平Vpot时，器件进入时，器件进入复位状态。复位状态。 2外部复位外部复位外部复位是由外加在外部复位是由外加在RESET引脚上的低电平将产生的。当引脚上的低电平将产生的。当RESET引脚被拉低于引脚被拉低于Vrst的时间大于的时间大于1.5s时既触发复位过程时既触发复位过程 283掉电检测（掉电检测（BOD）复位）复位ATmega16有一个片内的有一个片内的

22、BOD（ Brown-out Detection）电源检测）电源检测电路，用于在系统运行时对系统电压电路，用于在系统运行时对系统电压VCC的检测，并同一个固定的检测，并同一个固定的阈值电压相比较。的阈值电压相比较。BOD检测阈值电压可以通过检测阈值电压可以通过BODLEVEL熔熔丝位设定为丝位设定为2.7V或或4.0V。BOD检测阈值电压有迟滞效应，以避免检测阈值电压有迟滞效应，以避免系统电源的尖峰毛刺误触发系统电源的尖峰毛刺误触发BOD检测器。阈值电平的迟滞效应可检测器。阈值电平的迟滞效应可以理解为：上阈值电压以理解为：上阈值电压VBOT+ = VBOT + VHYST/2，下阈值电，下阈值

23、电压压VBOT- = VBOT - VHYST/2。294看门狗复位看门狗复位ATmega16片内还集成一个独立的看门狗定时器片内还集成一个独立的看门狗定时器WDT。该。该WDT由片内独立的由片内独立的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，以及设置和清零计的启动和关闭，以及设置和清零计数值。当数值。当WDT启动计数后，一旦发生计数溢出，它将触发产生启动计数后，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一个时钟周期宽度的复位脉冲。脉冲的上升沿将使器件

24、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，延时时间，CPU重新开始运行。使用重新开始运行。使用WDT功能，可以防止系统功能，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 305. 对对AVR的编程下载的编程下载 对单片机的编程操作对单片机的编程操作,通常也称为程序下载通常也称为程序下载,是指以特殊手段和软是指以特殊手段和软硬件工具硬件工具,对单片机进行特殊的操作，以实现下面的对单片机进行特殊的操作，以实现下面的3种功能：种功能：(1) 将

25、在将在PC机上生成的该单片机系统程序的运行代码写入机上生成的该单片机系统程序的运行代码写入单片机的程序存储器中。单片机的程序存储器中。(2) 用于对片内的用于对片内的Flash、EEPROM进行擦除、数据的写入进行擦除、数据的写入（包括运行代码）、和数据的读出。（包括运行代码）、和数据的读出。(3) 实现对实现对AVR配置溶丝位的设置；芯片型号的读取；加密配置溶丝位的设置；芯片型号的读取；加密位的锁定等。位的锁定等。31AVR单片机支持多种形式的编程下载方式：单片机支持多种形式的编程下载方式：高压并行编程方式高压并行编程方式 这种编程方式需要占用芯片众多的引脚和这种编程方式需要占用芯片众多的引

26、脚和12V的电压，所以必须的电压，所以必须采用专用的编程器单独对芯片操作。这样采用专用的编程器单独对芯片操作。这样AVR芯片必须从芯片必须从PCB板上取下来，不可以实现芯片在线（板）的编程操作，因此这板上取下来，不可以实现芯片在线（板）的编程操作，因此这种方式不适合系统调试过程以及产品的批量生产需要。种方式不适合系统调试过程以及产品的批量生产需要。串行编程方式（串行编程方式（ISP） 串行编程方式是通过串行编程方式是通过AVR芯片本身的芯片本身的SPI或或JTAG串行口实现串行口实现的，由于编程时只需要占用比较少的外围引脚，所以可以实现的，由于编程时只需要占用比较少的外围引脚，所以可以实现芯片

27、的在线编程（芯片的在线编程（In System Programmable），不需要将芯片），不需要将芯片从从PCB板上取下来，所以串行编程方式也是最方便和最常用的板上取下来，所以串行编程方式也是最方便和最常用的编程方式。编程方式。32串行编程方式还细分成串行编程方式还细分成SPI、JTAG方式方式:前者表示通过芯片的前者表示通过芯片的SPI串口实现对串口实现对AVR芯片的编程操作，芯片的编程操作，后者则是通过后者则是通过JTAG串口来实现的。串口来实现的。AVR的许多芯片都同时集成有的许多芯片都同时集成有SPI和和JTAG两种串口，因此可两种串口，因此可以同时支持以同时支持SPI和和JTAG的

28、编程。的编程。使用使用JTAG方式编程的优点方式编程的优点 通过通过JTAG口还可以实现系统的在片实时仿真调试（口还可以实现系统的在片实时仿真调试（On Chip Debug），缺点是需要占用），缺点是需要占用AVR的的4个个I/O引脚。引脚。 采用采用SPI方式编程，只需要一跟简单的编程电缆，同时可方式编程，只需要一跟简单的编程电缆，同时可以方便的实现以方便的实现I/O口的共用，因此是最常使用的方式。其不足口的共用，因此是最常使用的方式。其不足之处是不能实现系统的在片实时仿真调试。之处是不能实现系统的在片实时仿真调试。 33其它编程方式其它编程方式 一些型号的一些型号的AVR还支持串行高压编

29、程方式和还支持串行高压编程方式和IAP(In Application Programmable)在运行编程方式。在运行编程方式。串行高压编程串行高压编程是替代并行高压编程的一种方式，主要针对是替代并行高压编程的一种方式，主要针对8个个引脚的引脚的Tiny系列的系列的AVR使用。使用。IAP在运行编程方式在运行编程方式则是采用了则是采用了ATMEL称为自引导加载称为自引导加载（Boot Load）技术实现的，往往在一些需要进行远程修改更）技术实现的，往往在一些需要进行远程修改更新系统程序，或动态改变系统程序的应用中才采用。新系统程序，或动态改变系统程序的应用中才采用。 ATmega16片内集成了

30、片内集成了16K字节的支持系统在线可编程（字节的支持系统在线可编程（ISP）和在应用可编程（和在应用可编程（IAP）的）的Flash程序存储器，以及程序存储器，以及512个字个字节的节的EEPROM数据存储器。另外在它的内部，还有一些专数据存储器。另外在它的内部，还有一些专用的可编程单元熔丝位，用于加密锁定和对芯片的配置等。用的可编程单元熔丝位，用于加密锁定和对芯片的配置等。对对ATmega16编程下载操作，就是在片外对上述的存储器和编程下载操作，就是在片外对上述的存储器和熔丝单元进行读熔丝单元进行读/写（烧入）以及擦除的操作。写（烧入）以及擦除的操作。34AVR单片机的工作状态单片机的工作状

31、态复位状态、常规工作状态、编程状态复位状态、常规工作状态、编程状态 RESET引脚电平为高引脚电平为高AVR处在常规工作状态时，有两种工作方式：正常程序执行工处在常规工作状态时，有两种工作方式：正常程序执行工作方式和休眠节电工作方式。作方式和休眠节电工作方式。正常程序执行工作方式正常程序执行工作方式 35休眠节电工作方式休眠节电工作方式 休眠节电工作方式是使单片机处于低功耗节电的一种工作休眠节电工作方式是使单片机处于低功耗节电的一种工作方式。当单片机需要处于长时间等待外部触发信号，待有外部方式。当单片机需要处于长时间等待外部触发信号，待有外部触发后才做相应的处理，或每隔一段时间才需要做处理的情

32、况触发后才做相应的处理，或每隔一段时间才需要做处理的情况时，可以使用休眠节电工作方式，以减小对电源的消耗。时，可以使用休眠节电工作方式，以减小对电源的消耗。 ATmega16有有6种不同的休眠模式，每一种模式对应的种不同的休眠模式，每一种模式对应的电源消耗也不同，被唤醒的方式也有多种类型，用户可以根电源消耗也不同，被唤醒的方式也有多种类型，用户可以根据实际的需要进行选择。据实际的需要进行选择。 休眠节电工作方式对使用电池供电的系统非常重要，休眠节电工作方式对使用电池供电的系统非常重要，AVR提供了更多的休眠模式，更加符合和适应实际的需要。提供了更多的休眠模式，更加符合和适应实际的需要。如如ATmega16处在掉电休眠模式状态，其本身的耗电量小于处在掉电休眠模式状态，其本身的耗电量小于1A。362. RESET引脚电平为低引脚电平为低 一旦一旦RESET脚的电平被外部拉低，当满足某些特殊条件后，脚的电平被外部拉低，当满足某些特殊条件后，芯片将进入编程状态。例如，如果芯片带