第1章AVR單片機概述

1、第1章 AVR單片機概述第1章 AVR單片機概述AVR單片機是Atmel公司于20世紀90年代中后期開發(fā)出的一種8位單片機。這種單片機采用RISC內(nèi)核，具有使用靈活、高性能、低功耗等特點。此外，在某些情況下，AVR處理器甚至可以獨自成為一種片上系統(tǒng)，完成極其復雜的功能。目前，該型號單片機已經(jīng)展示出極其強大的生命力，在國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、企業(yè)管理、交通運輸、日常生活等各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本章主要介紹AVR單片機的發(fā)展歷史及其主要應(yīng)用，圍繞ATmega128（L）單片機，分析其結(jié)構(gòu)、主要特點、性能封裝和引腳定義。1.1 AVR與51單片機單片機嵌入式系統(tǒng)的硬件基本構(gòu)成分為兩大部分：單片微控制器芯

2、片和外圍的接口電路。其中，單片微控制器是構(gòu)成單片機嵌入式系統(tǒng)的核心。為了強調(diào)其控制屬性，也可以把單片機稱為微控制器MCU。在國際上，“微控制器”的叫法似乎更通用一些，而我國比較習慣使用“單片機”這一名稱。單片機因?qū)⒂嬎銠C的主要組成部分集成在一個芯片上而得名，具體地說就是把中央處理單元CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器以及I/O接口電路等主要微型機部件集成在一塊芯片上。因此，一片芯片構(gòu)成了一個基本的微型計算機系統(tǒng)。由于單片機芯片的微小體積，極低的成本和面向控制的設(shè)計，使得它作為智能控制的核心器件被廣泛地應(yīng)用于嵌入到工業(yè)控制、智能儀器儀表、家用電器、電子通信產(chǎn)品等

3、各個領(lǐng)域中的電子設(shè)備和電子產(chǎn)品中?？梢哉f由單片機為核心構(gòu)成的單片機嵌入式系統(tǒng)已成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的組成部分。早期的單片機都是8位或4位的，其中最成功的是Intel的8031，因為其簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后，在8031上發(fā)展出了MCS-51系列單片機系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。20世紀90年代后隨著消費電子產(chǎn)品的大發(fā)展，單片機技術(shù)得到了巨大的提高。隨著Intel i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入

4、主流市場。而傳統(tǒng)的8位單片機的性能也得到了飛速提高，因此，8位單片機將在未來很長時間里繼續(xù)發(fā)展。目前，高校單片機教學中大都以MCS-51為首選機型進行講解，MCS-51單片機作為目前最具代表性的主流機型。然而，隨著單片機的應(yīng)用進入SOC時代，其不足和缺陷也顯而易見。這些缺陷和不足表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）片上資源不夠豐富。（2）系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試不足。² 連接問題：設(shè)計系統(tǒng)的PCB板時要考慮在線仿真器與其的連接，否則無法進行總線調(diào)試。² 時序限制：指目標系統(tǒng)在設(shè)計時要求在處理器、目標內(nèi)存或目標系統(tǒng)中的其他存儲器映射FO設(shè)備之間有非常陡的時序邊緣，使用在線仿真器就可能會產(chǎn)生問題。&

5、#178; 在線調(diào)試時工作頻率受限：在仿真調(diào)試中的工作頻率不高于20MHz。（3）功耗問題的限制。MCS-51是5V供電的，功耗較大，難以滿足許多系統(tǒng)低功耗的要求。AVR單片機是美國Atmel公司設(shè)計的，AVR單片機對原51單片機內(nèi)核進行了較大改造，采用精簡指令集RISC（Reduced Instruction Set CPU）的AVR結(jié)構(gòu)，廢除了原51單片機中的機器周期，由原來12個時鐘執(zhí)行一條指令改進為一個時鐘執(zhí)行一條單周期指令，大多數(shù)指令執(zhí)行所需的時鐘周期數(shù)與指令的字節(jié)數(shù)相同，使得AVR單片機的運行速度大大 提高。AVR單片機的設(shè)計者除了改造51內(nèi)核外，還將Flash、E2PROM、A/

6、D、RTC、Watchdog、定時器、I2C、SPI、PWM和片內(nèi)振蕩器等集合為一體，可以真正做到單片。AVR單片機兼容51指令集，能夠沿用過去開發(fā)的51應(yīng)用程序，使得一直用51單片機教學的高校和從事51單片機開發(fā)應(yīng)用者可以繼往開來。AVR技術(shù)創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下幾個方面：² 高性能，采用精簡指令集CPU（RISC）和哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)的流水線技術(shù)，擁有32個通用工作寄存器。² 片內(nèi)集成了非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器以及工作存儲器。² 豐富的外設(shè)，如I2C、SPI、E2PROM、RTC、看門狗定時器、A/D轉(zhuǎn)換器、PWM和片內(nèi)振蕩器等。² 寬工作電壓：

7、1.86V之間。² 低功耗，具有6種休眠模式，能夠從低功耗模式迅速喚醒。² 編譯好的目標文件可通過在線編程（ISP）直接寫入程序存儲器，實現(xiàn)芯片在系統(tǒng)編程調(diào)試，無須購買昂貴的仿真器和編程器，從而節(jié)省了系統(tǒng)開發(fā)成本。² 輸入/輸出口資源豐富，設(shè)計靈活，驅(qū)動力強。² 具有多復位源、多中斷源方式。² 串口通信不占用定時器，采用獨特的波特率發(fā)生器。² 保密性強，F(xiàn)lash程序存儲器具有保密鎖死功能。由于AVR單片機具有上述這些優(yōu)點，給用戶帶來了前所未有的好處。越來越多的設(shè)計人員把目光轉(zhuǎn)向AVR單片機，把AVR單片機作為8位單片機的最佳選擇，從

8、而使AVR單片機進入大批量的應(yīng)用領(lǐng)域。ATmega系列單片機屬于AVR中的高檔產(chǎn)品，它具有AVR單片機所具有的特點，并在此基礎(chǔ)上增加了更多的接口功能，提供更充足的程序和數(shù)據(jù)存儲器，而且在省電性能、穩(wěn)定性、抗干擾性以及靈活性方面考慮得更加周全和完善。本書采用ATmega128單片機，它屬于ATmega系列單片機的一個子集（ATmega32/64/128），指令系統(tǒng)完全兼容，所以學會了ATmega128的應(yīng)用，掌握其他的ATmega系列單片機就會輕車熟路。隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，ATmega系列單片機已成為MCS-51的升級替代產(chǎn)品，必然會成為經(jīng)典單片機教學的方向。1.2 AVR單片機及其發(fā)展Atm

9、el公司把8051內(nèi)核與其擅長的Flash存儲器技術(shù)相結(jié)合，是國際上最早推出片內(nèi)集成可重復擦寫1000次以上Flash程序存儲器、采用低功耗CMOS工藝的8051兼容單片機的生產(chǎn)商之一。8051結(jié)構(gòu)的單片機采用復雜指令系統(tǒng)CISC（Complex Instruction Set Computer）體系。由于CISC結(jié)構(gòu)存在指令數(shù)多，CPU利用效率低，執(zhí)行速度慢等缺陷，已不能滿足和適應(yīng)設(shè)計中高檔電子產(chǎn)品和嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的需要。Atmel公司發(fā)揮其Flash存儲器技術(shù)的特長，于1997年研發(fā)和推出了全新配置采用精簡指令集RISC（Reduced Instruction Set CPU）結(jié)構(gòu)的新型單

10、片機，簡稱AVR單片機。1.2.1 AVR單片機簡介AVR單片機是1997年由Atmel公司挪威設(shè)計中心利用Atmel公司的Flash新技術(shù)研發(fā)出的RISC精簡指令集的高速8位單片機。其中，A與V分別代表兩位充滿工作激情與靈感的挪威年輕研發(fā)者姓名的第一個字母，R代表該芯片為RISC架構(gòu)，因此，該系列單片機簡稱AVR。 Atmel公司的AVR單片機有3個系列的產(chǎn)品。為滿足不同的需求和應(yīng)用，Atmel公司對AVR單片機的內(nèi)部資源進行了相應(yīng)的擴展和刪減，推出了tinyAVR、low power AVR和megaAVR，分別對應(yīng)低、中、高3個不同檔次數(shù)十種型號的產(chǎn)品，如表1-1所示。表1-1 AVR單

11、片機分類8位AVR單片機RISC結(jié)構(gòu)存儲器配備（Bytes）系列封裝FlashSRAME2PROMtinyAVR832pin12Kup to 128up to 128low power AVR844pin18Kup to 1Kup to 512megaAVR2864pin8128Kup to 4Kup to 4K3個系列的所有型號單片機，其內(nèi)核都是相同的AVR內(nèi)核，它們的指令系統(tǒng)兼容。只是在內(nèi)部資源的配備（存儲器容量的大小等）以及片內(nèi)集成的外圍接口的數(shù)量和功能上有所不同。不同型號的AVR單片機也不一樣，引腳數(shù)從8到64腳，價格從幾元到幾十元，可以滿足不同場合、不同應(yīng)用的需求，用戶可以根據(jù)需要選

12、擇。這3個系列單片機的選型表讀者可從網(wǎng)上下載。自2002年以來，Atmel公司對AVR單片機產(chǎn)品線進行了調(diào)整，逐步停止了性能重疊的中檔low power AVR單片機中AT90s系列的生產(chǎn)，而用性能更加優(yōu)越的mega系列代替。例如，停止AT90S4414、AT90S8515等芯片的生產(chǎn)，用ATmega8515替代AT90S8515，用ATmega8535替代AT90S8535，用ATmega8替代AT90S4433等。由于mega系列單片機的性能更加完美，使用更加方便，功能更加強大，因此，Atmel公司今后將以mega系列作為AVR 單片機的主流產(chǎn)品，逐步減少和停止中檔AVR單片機（AT90S

13、XXXX）的生產(chǎn)。目前tinyAVR和mega系列的單片機已成為AVR的主流。tinyAVR系列的AVR內(nèi)部的資源相對少一些，引腳也少。適合應(yīng)用在家用電器、簡單的控制方面的應(yīng)用，如空調(diào)、冰箱、微波爐、煙霧報警器等。mega系列單片機的性能不僅優(yōu)越，同時也有非常好的性能價格比。引腳數(shù)最少（28個引腳）的ATmega8，在我國國內(nèi)市場上的價格不超過15元人民幣，卻有1K的SRAM、8KB的Flash、512個字節(jié)的E2PROM，兩個8位和一個16位共3個超強功能的定時器/計數(shù)器，以及USART、SPI、8路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI（I2C）、片內(nèi)高精度RC振蕩器等多種功

14、能的接口和特性。ATmega128是目前常用的AVR單片機中配置全、功能強的一款。在片內(nèi)集成了4KB的RAM、128KB的Flash、4KB的E2PROM，支持64KB空間的外部并行擴展，兩個8位和兩個16位共4個超強功能的定時器/計數(shù)器，以及2路USART、SPI、多路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI（I2C）、片內(nèi)高精度RC振蕩器等多種功能的接口和特性，適合在中高檔電子產(chǎn)品中應(yīng)用。1.2.2 AVR單片機的特點自從Atmel公司推出AVR單片機以來，產(chǎn)品受到越來越多單片機開發(fā)者的關(guān)注，主要因為AVR單片機具有以下特點：² 可多次擦寫。AVR程序存儲器為可擦寫1

15、000次的Flash構(gòu)成，并具有可擦寫10000次以上的E2PROM，因此可低價快速完成產(chǎn)品的商品化，可多次更改程序而不必浪費單片機或電路板，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和競爭力。² 執(zhí)行周期短。作為高速單片機，AVR處理器可以達到一個時鐘周期執(zhí)行一條指令，絕大部分指令都為單周期指令。而PIC單片機要4個時鐘周期執(zhí)行一條指令，MSC-51執(zhí)行一條指令要12個時鐘周期。此外，AVR處理器支持多種外部時鐘源，高端AVR處理器最高可達到16MHz。² 高度保密。可多次燒寫的Flash且具有多重密碼保護鎖定（LOCK）功能，因此可低價快速完成產(chǎn)品商品化，且可多次更改程序（產(chǎn)品升級），方便了

16、系統(tǒng)調(diào)試，而且不必浪費IC或電路板，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量及競爭力。² I/O口功能強、驅(qū)動能力大。AVR器件引腳從8腳到64腳再到100腳，還有各種不同封裝供選擇。詳細的選型信息可以參考相關(guān)網(wǎng)站，AVR單片機的輸入/輸出口是真正的輸入/輸出口，能正確反映I/O口輸入/輸出的真實情況。AVR單片機的I/O口有輸入/輸出、三態(tài)高阻輸入，也可設(shè)定內(nèi)部上拉電阻作輸入端的功能，以適應(yīng)各種應(yīng)用的需要（多功能I/O口）。在工業(yè)級產(chǎn)品中，支持大電流（灌電流）設(shè)置，通常為1040mA，從而可直接驅(qū)動可控硅SSR或繼電器，節(jié)省了外圍驅(qū)動器件?？撮T狗定時器（WDT）安全保護，可防止程序走飛，提高產(chǎn)品的抗干擾

17、能力。 ² 超功能精簡指令。具有32個通用工作寄存器（相當于8051中的32個累加器），克服了單一累加器數(shù)據(jù)處理造成的瓶頸現(xiàn)象。片內(nèi)含有128-4K字節(jié)SRAM，可靈活使用指令運算，適合使用功能很強的C語言編程，易學、易寫、易移植。² 寫入方式多樣。程序?qū)懭肫骷r，可以使用并行方式寫入（用編程器寫入），也可使用串行在線下載（ISP）、在應(yīng)用下載（IAP）方法或JTAG口下載寫入，不必將單片機芯片從系統(tǒng)板上拆下拿到萬用編程器上燒錄，而可直接在電路板上進行程序的修改、燒錄等操作，方便產(chǎn)品升級，尤其是對于使用SMD表貼封裝器件，更利于產(chǎn)品微型化。 ² I/O口功能強大。

18、通用數(shù)字I/O口的輸入/輸出特性與PIC的HI/LOW輸出及三態(tài)高阻抗HI-Z輸入類同，同時可設(shè)定類同與8051結(jié)構(gòu)內(nèi)部有上拉電阻的輸入端功能，便于作為各種應(yīng)用特性所需（多功能I/O口），AVR的I/O口是真正的I/O口，能正確反映I/O口的輸入/輸出的真實情況。單片機內(nèi)集成有模擬比較器，可組成廉價的A/D轉(zhuǎn)換器。² 中斷入口多。像8051一樣，有多個固定中斷向量入口地址，可快速響應(yīng)中斷，而不是像PIC一樣所有中斷都在同一向量地址，需要以程序判別后才可響應(yīng)，這會浪費且失去控制時機的最佳機會。² 復位延時。同PIC一樣，帶有可設(shè)置的啟動復位延時。AVR單片機內(nèi)部有電源開關(guān)啟動

19、計數(shù)器，當系統(tǒng)RESET復位上電后，利用內(nèi)部的RC看門狗定時器，可延遲MCU開始運行執(zhí)行程序的時間。這種延時啟動的特性，可使MCU在系統(tǒng)電源、外部電路達到穩(wěn)定后再正式開始執(zhí)行程序，因此提高了系統(tǒng)工作的可靠性，同時也可節(jié)省外加的復位延時電路。² 低功耗。具有多種不同方式的休眠省電功能和低功耗的工作方式。² 時鐘多樣。許多AVR單片機具有內(nèi)部的RC振蕩器，提供1/2/4/8MHz的工作時鐘，使該類單片機無須外加時鐘電路元器件即可工作，非常簡單和方便。² PWM功能多。帶預(yù)分頻器的8位和16位計數(shù)器/定時器（C/T），除了實現(xiàn)普通的定時和計數(shù)功能外，還具有輸入捕獲、產(chǎn)生

20、PWM輸出等更多的功能。² 通信性能優(yōu)良。具有性能優(yōu)良的串行同/異步通信USART口，不占用定時器，可實現(xiàn)高速同/異步通信。² 擴展范圍大。mega8515及mega128等芯片具有可并行擴展的外部接口，擴展能力達64KB。² 電壓范圍寬。工作電壓范圍寬2.76.0V，具有系統(tǒng)電源低電壓檢測功能，電源抗干擾性能強。² A/D通道多。有多通道的10位A/D及實時時鐘RTC。許多AVR芯片內(nèi)部集成了8路10位A/D接口，如mega8、mega16、mega8535等。1.2.3 AVR單片機的分類AVR單片機可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)實時控制、儀器儀表、通信、數(shù)據(jù)檢

21、測和家用電器等各個領(lǐng)域。從AVR單片機的應(yīng)用場合來看，AVR單片機大致可以分為以下幾類：² AUTOMOTLVE AVR。² AVR Z-LINK。² CAN AVR。² LCD AVR。² LIGHTING AVR。² megaAVR。² SMAT BATTERYAVR。² tinyAVR。² USB AVR。1.2.4 AVR單片機應(yīng)用領(lǐng)域AVR單片機的應(yīng)用領(lǐng)域體現(xiàn)在以下幾個方面。1工業(yè)控制基于嵌入式芯片的工業(yè)自動化設(shè)備具有很大的發(fā)展空間，目前已經(jīng)有大量的8、16、32位嵌入式微控制器應(yīng)用在工業(yè)過程控

22、制、數(shù)控機床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)等領(lǐng)域。就傳統(tǒng)的工業(yè)控制產(chǎn)品而言，低端型往往采用8位單片機，但隨著技術(shù)的發(fā)展，32位、64位的微處理器逐漸成為工業(yè)控制設(shè)備的核心，在未來幾年內(nèi)必將獲得更大的發(fā)展。 2交通管理控制在車輛導航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車服務(wù)方面，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，內(nèi)嵌GPS模塊、GSM模塊的移動定位終端已經(jīng)在各種運輸行業(yè)獲得了成功的使用。目前GPS設(shè)備已經(jīng)由原來的尖端產(chǎn)品而轉(zhuǎn)為進入普通百姓的家庭常用工具，只需要幾千元，就可以隨時隨地找到用戶所在的位置。如圖1-1所示即為GPS手持機。3信息家電這將成為嵌入式系統(tǒng)最大的應(yīng)用領(lǐng)域，冰箱、空調(diào)等

23、的網(wǎng)絡(luò)化、智能化將引領(lǐng)人們的生活步入一個嶄新的空間。即使不在家里，也可以通過電話線、網(wǎng)絡(luò)對這些電器進行遠程控制。在這些設(shè)備中，嵌入式系統(tǒng)將大有用武之地。如圖1-2所示的家電，它是信息家電的一種家庭網(wǎng)絡(luò)視頻電話。 圖1-1 GPS手持機 圖1-2 家庭網(wǎng)絡(luò)視頻電話4家庭智能管理系統(tǒng)水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，其中嵌入的專用控制芯片將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，并實現(xiàn)更高、更準確和更安全的性能。目前，在服務(wù)領(lǐng)域中，一些手持設(shè)備已經(jīng)體現(xiàn)出了嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢。 5POS網(wǎng)絡(luò)可用于公共交通無接觸智能卡（Contactless Smart Card，CSC）發(fā)行系統(tǒng)、公共電話卡發(fā)行系統(tǒng)、自動

24、售貨機等，如圖1-3所示即為智能售貨機。各種智能ATM 終端將全面走入人們的生活，到時手持一卡就可以行遍天下。圖1-3 智能售貨機6環(huán)境監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測包括水文資料實時監(jiān)測、防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測、堤壩安全、地震監(jiān)測網(wǎng)、實時氣象信息網(wǎng)、水源和空氣污染監(jiān)測等。在很多環(huán)境惡劣、地況復雜的地區(qū)，嵌入式系統(tǒng)將實現(xiàn)對環(huán)境的無人監(jiān)測。7機器人嵌入式芯片的發(fā)展將使機器人在微型化、高智能方面優(yōu)勢更加明顯，同時會大幅度降低機器人的價格，使其在工業(yè)領(lǐng)域和服務(wù)領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。除了以上這些應(yīng)用領(lǐng)域，AVR單片機還有其他方面的應(yīng)用，尤其是在控制方面的應(yīng)用。所以，開發(fā)和探討AVR單片機嵌入式系統(tǒng)有著十分重要的意義。1.

25、3 AVR單片機開發(fā)產(chǎn)品的優(yōu)勢Atmel公司把8051內(nèi)核與其擅長的Flash 存儲器技術(shù)相結(jié)合，是國際上最早推出片內(nèi)集成可重復擦寫1000次以上Flash程序存儲器、采用低功耗CMOS工藝的8051兼容單片機的生產(chǎn)商之一。市場上家喻戶曉的AT89C51、AT89C52、AT89C1051、AT89C2051就是Atmel公司生產(chǎn)的基于8051內(nèi)核系列單片機中的典型產(chǎn)品（現(xiàn)在已升級換代為AT89SXX系列，采用ISP在線編程技術(shù)）。該系列單片機一直在我國的單片機市場上占有相當大的份額。8051結(jié)構(gòu)的單片機采用復雜指令系統(tǒng)CISC（Complex Instruction Set Computer

26、）體系。由于CISC結(jié)構(gòu)存在指令數(shù)多，CPU利用效率低，執(zhí)行速度慢等缺陷，已不能滿足和適應(yīng)設(shè)計中高檔電子產(chǎn)品和嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的需要。Atmel公司發(fā)揮其Flash存儲器技術(shù)的特長，于1997年研發(fā)和推出了全新配置采用精簡指令集RISC（Reduced Instruction Set CPU）結(jié)構(gòu)的新型單片機，簡稱AVR單片機。精簡指令集RISC結(jié)構(gòu)是20世紀90年代開發(fā)出來的一種綜合了半導體集成技術(shù)和提高軟件性能的新結(jié)構(gòu)，是為了提高CPU運行的速度而設(shè)計的芯片體系。它的關(guān)鍵技術(shù)在于采用流水線操作（Pipelining）和等長指令體系結(jié)構(gòu)，使一條指令可以在一個單獨操作中完成，從而實現(xiàn)在一個時鐘周

27、期里完成一條或多條指令。同時，RISC體系還采用了通用快速寄存器組的結(jié)構(gòu)，大量使用寄存器之間的操作，簡化了CPU中處理器、控制器和其他功能單元的設(shè)計。因此，RISC的特點就是通過簡化CPU的指令功能，使指令的平均執(zhí)行時間減少，從而提高CPU的性能和速度。在使用相同的晶片技術(shù)和相同的運行時鐘下，RISC系統(tǒng)的運行速度是CISC的24倍。由于RISC體系所具有的優(yōu)勢，使得它在高端系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。例如，ARM以及大多數(shù)32位的處理器都采用RISC體系結(jié)構(gòu)。Atmel公司的AVR是8位單片機中第一個真正的RISC結(jié)構(gòu)的單片機，它采用了大型快速存取寄存器組、快速的單周期指令系統(tǒng)以及單級流水線等先進

28、技術(shù)，使得AVR 單片機具有高達1MIPS/MHz的高速運行處理能力。AVR采用流水線技術(shù)，在前一條指令執(zhí)行的時候，就取出現(xiàn)行的指令，然后以一個周期執(zhí)行指令，大大提高了CPU的運行速度。另外一點，傳統(tǒng)的基于累加器的結(jié)構(gòu)單片機（如8051），需要大量的程序代碼來實現(xiàn)在累加器和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送。而在AVR 單片機中，由于采用32個通用工作寄存器構(gòu)成快速存取寄存器組，用32個通用工作寄存器代替了累加器，從而避免了在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中累加器和存儲器之間數(shù)據(jù)傳送造成的瓶頸現(xiàn)象，進一步提高了指令的運行效率和速度。隨著電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期縮短以及不斷向高端發(fā)展，為了加快產(chǎn)品進入市場的時間和簡化系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)

29、、維護和支持，對于以單片機為核心所組成的高端嵌入式系統(tǒng)來說，用高級語言編程已成為一種標準設(shè)計方法。AVR 單片機采用RISC結(jié)構(gòu)，其目的就在于能夠更好地采用高級語言（例如C語言、Basic語言）來編寫嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)程序，從而能高效地開發(fā)出目標代碼。AVR單片機采用低功率、非揮發(fā)的CMOS工藝制造，內(nèi)部分別集成Flash、E2PROM和SRAM 3種不同性能和用途的存儲器。除了可以通過使用一般的編程器（并行高壓方式）對AVR單片機的Flash程序存儲器和E2PROM數(shù)據(jù)存儲器進行編程外，大多數(shù)的AVR單片機還具有ISP在線編程的特點以及IAP在應(yīng)用編程的特點。這些優(yōu)點為使用AVR單片機開發(fā)設(shè)計

30、和生產(chǎn)產(chǎn)品提供了極大的方便。在產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)中，可以“先裝配后編程”，從而縮短了研發(fā)周期、工藝流程，并且還可以節(jié)約購買開發(fā)仿真編程器的費用。同樣，對于學習和使用AVR單片機的用戶來說，也不必購買昂貴的開發(fā)仿真硬件設(shè)備，只需要具備一套好的AVR開發(fā)軟件平臺，就可以從事AVR單片機系統(tǒng)的學習、設(shè)計和開發(fā)工作了。1.4 ATmega128（L）單片機ATmega128（L）單片機是內(nèi)置128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash的在線可編程8位微控制器，本書所有內(nèi)容也都是圍繞ATmega128（L）單片機來展開學習的，讀者掌握ATmega128（L）單片機的開發(fā)應(yīng)用后，就能很容易掌握其他AVR系列的單片機了

31、。1.4.1 ATmega128（L）的結(jié)構(gòu)和特點ATmega128（L）是基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，ATmega128（L）的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1-4所示。圖1-4 ATmega128結(jié)構(gòu)框圖ATmega128（L）的特點如下。（1）CPU內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單位（ALU）相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的復雜指令集微處理器

32、高10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。128KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有在寫的過程中還可以讀的功能，即RWW）、4KB的E2PROM、4KB的SRAM、53個通用I/O口線，32個通用工作寄存器、實時時鐘RTC、4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器/計數(shù)器（T/C）、兩個USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI、8通道10位ADC（具有可選的可編程增益）、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器、SPI串行接口和與IEEE1149.1規(guī)范兼容的JTAG測試接口（此接口同時還可以用于片上調(diào)試）。（2）6種可以通過軟件選擇的省電模式?？臻e模式時CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI接口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；

33、掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作，寄存器的內(nèi)容則一直保持；省電模式時異步定時器繼續(xù)運行，以允許用戶維持時間基準，期間的其他部分則處于睡眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時CPU和所有的I/O模塊停止運行，而異步定時器和ADC繼續(xù)工作，以減少ADC轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲；Standby模式時振蕩器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展Standby模式則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。（3）器件是以Atmel的高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)的，片內(nèi)ISP Flash可以通過SPI接口、通用編程器，或引導程序多次編程。引導程序可以使用任何接口來

34、下載應(yīng)用程序到應(yīng)用Flash存儲器。在更新應(yīng)用Flash存儲器時引導Flash區(qū)的程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)RWW操作。通過將8位RISC CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個芯片內(nèi)，ATmega128（L）為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的方案。1.4.2 ATmega128（L）的主要性能ATmega128（L）是Atmel公司8位系列單片機的最高配置的一款單片機，目前在市場上得到了廣泛的應(yīng)用，其性能主要體現(xiàn)在如下幾個方面：（1）高性能、低功耗的AVR8位微處理器及先進的RISC結(jié)構(gòu)² 133條指令大多數(shù)可以在一個時鐘周期內(nèi)完成。² 32×8通用工作寄存器

35、+外設(shè)控制寄存器。² 全靜態(tài)工作。² 工作于16MHz時性能高達16MIPS。² 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器。（2）非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器² 128KB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，壽命為100000次寫/擦除周期。² 4KB的內(nèi)部SRAM。² 4K字節(jié)的E2PROM，壽命為100000次寫/擦除周期。² 多達64KB的優(yōu)化的外部存儲器空間。² 可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)軟件加密。² 可以通過SPI接口實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程。（3）JTAG接口（與IEEE1149.1標準兼容）的特點² 遵循JTAG標準

36、的邊界掃描功能。² 支持擴展的片內(nèi)調(diào)試。² 通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash、E2PROM、熔絲位和鎖定位的編程。（4）外設(shè)特點² 兩個具有獨立的預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器。² 具有獨立預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器。² 具有獨立預(yù)分頻器的實時時鐘計數(shù)器。² 兩路8位PWM。² 6路分辨率可編程（216位）的PWM。² 輸出比較調(diào)制器。² 8路10位ADC：8個單端通道；7個差分通道；兩個具有可編程增益（1×，10×，或200×）的差分通道。

37、² 面向字節(jié)的兩線接口。² 兩個可編程的串行USART。² 可工作于主機/從機模式的SPI串行接口。² 具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器。² 片內(nèi)模擬比較器。（5）特殊的處理器特點² 上電復位以及可編程的掉電檢測。² 片內(nèi)經(jīng)過標定的RC振蕩器。² 片內(nèi)/片外中斷源。² 6種睡眠模式：空閑模式、ADC噪音抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴展的Standby模式。² 可以通過軟件進行選擇的時鐘頻率。² 通過熔絲位可以選擇ATmega103兼容模式。² 全

38、局上拉禁止功能。（6）I/O和封裝特點² 53個可編程I/O口線。² 64引腳TQFP與64引腳MLF封裝。² 工作電壓和速度等級。² ATmega128L：2.75.5V和08MHz。² ATmega128：4.55.5V和016MHz。1.4.3 ATmega128（L）的封裝與引腳ATmega128（L）具有兩種封裝形式，分別為TQFP（64引腳）和MLF（64引腳），外形如圖1-5所示。 圖1-5 ATmega128封裝形式ATmega128 TQFP封裝的主要型號有：ATmega128-16AU、ATmega128-16AI。下面對A

39、Tmega128的型號標識進行解析：² 型號緊跟的字母，表示電壓工作范圍。帶“L”：2.75.5V；若默認，不帶“L”：4.55.5V。例如ATmega128-16AU，不帶“L”表示工作電壓為4.55.5V。² 后綴的數(shù)字部分，表示支持的最高系統(tǒng)時鐘。例如ATmega128-16AU，“16”表示可支持最高為16MHz的系統(tǒng)時鐘。² 后綴第一（第二）個字母，表示封裝。“P”：DIP封裝，“A”：TQFP封裝，“M”：MLF封裝。例如ATmega128-16AU，“A”表示TQFP封裝。后綴最后一個字母，表示應(yīng)用級別?！癈”：商業(yè)級，“I”：工業(yè)級（有鉛）、“U”

40、工業(yè)級（無鉛）。例如ATmega128-16AU，“U”表示無鉛工業(yè)級。ATmega128-16AI，“I”表示有鉛工業(yè)級。下面以常用的TQFP（64引腳）封裝來介紹ATmega128（L）的引腳定義，其引腳排列分布如圖1-6所示。圖1-6 TQFP封裝的ATmega128（L）的引腳排列分布² VCC數(shù)字電路的電源。² GND 地。² 端口A（PA7PA0） 為8位雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流，作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振

41、，端口A 處于高阻狀態(tài)。不作I/O口使用時，端口A的第二功能如表1-2所示。表1-2 端口A的第二功能端口A引腳第 二 功 能PA7AD7（外部存儲器接口地址及數(shù)據(jù)位7）PA6AD6（外部存儲器接口地址及數(shù)據(jù)位6）PA5AD5（外部存儲器接口地址及數(shù)據(jù)位5）PA4AD4（外部存儲器接口地址及數(shù)據(jù)位4）PA3AD3（外部存儲器接口地址及數(shù)據(jù)位3）PA2AD2（外部存儲器接口地址及數(shù)據(jù)位2）PA1AD1（外部存儲器接口地址及數(shù)據(jù)位1）PA0AD0（外部存儲器接口地址及數(shù)據(jù)位0）² 端口B（PB0PB7）為8位雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸

42、出和吸收大電流，作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口B為三態(tài)。不作I/O口使用時，端口B具有第二功能，如表1-3所示。表1-3 端口B的第二功能端口B引腳第 二 功 能PB7OC2/OC1C（T/C2的比較匹配輸出和PWM輸出，或是T/CI的比較匹配輸出和PWM輸出C）PB6OC1B（T/C1的比較匹配輸出和PWM輸出B）PB5OC1A（T/C1的比較匹配輸出和PWM輸出A）PB4OC0（T/C0的比較匹配輸出和PWM輸出）PB3MISO（SPI總線的主機輸入/從機輸出信號）PB2MOSI（SPI總線的主機輸出/從機輸入信號）PB1SCK（SPI

43、總線的串行時鐘）PB0SS（SPI從機選擇引腳）² 端口C（PC0PC7）為8位雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流，作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口C為三態(tài)。不作I/O口使用時，端口C具有第二功能，如表1-4所示。表1-4 端口C的第二功能端口C引腳第 二 功 能PC7A15（外部存儲器接口地址15）PC6A14（外部存儲器接口地址14）PC5A13（外部存儲器接口地址13）PC4A12（外部存儲器接口地址12）PC3A11（外部存儲器接口地址11）PC2A10（外部存儲器

44、接口地址10）PC1A9（外部存儲器接口地址9）PC0A8（外部存儲器接口地址8）² 端口D（PD0PD7）為8位雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流，作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口D為三態(tài)。不作I/O口使用時，端口D具有第二功能，如表1-5所示。表1-5 端口D的第二功能端口D引腳第 二 功 能PD7T2（T/C2外部計數(shù)脈沖輸入）PD6T1（T/C1外部計數(shù)脈沖輸入）PD5XCK1（USART1外部時鐘輸入/輸出）PD4ICP1（T/C1輸入捕捉觸發(fā)信號輸入）PD3TX

45、D1/INT3（外部中斷3的輸入，或是UART1數(shù)據(jù)發(fā)送端）PD2RXD1/INT2（外部中斷2的輸入，或是UART1數(shù)據(jù)發(fā)送端）PD1SDA/INT1（外部中斷1的輸入，或是TWI的串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端）PD0SCL/INT0（外部中斷0的輸入，或是TWI的串行時鐘）² 端口E（PE0PE7）為8位雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流，作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口E為三態(tài)。不作I/O口使用時，端口E具有第二功能，如表1-6所示。表1-6 端口E的第二功能端口E引腳第 二 功 能PE7ICP3/INT7（外部中斷7的輸入引腳，或是