【正文】 基于 AVR 的單片嵌入式系統(tǒng)原理與實(shí)踐應(yīng)用第 4 章 AVR單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工具在學(xué)習(xí)和掌握如何應(yīng)用單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，除了要對(duì)所使用的單片機(jī)有全面和深入的了解外，配備和使用一套好的開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)平臺(tái)也是必不可缺的。在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，選用了好的開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，往往能加速嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的研制開(kāi)發(fā)、調(diào)試、生產(chǎn)和維修，起到事半功倍的效果。國(guó)內(nèi)外許多公司根據(jù)不同單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，研制推出了各種類型的用于開(kāi)發(fā)單片嵌入式系統(tǒng)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)裝置和軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。不同類型的單片機(jī)使用的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)是不同的。對(duì)同一類型的單片機(jī)來(lái)講，也有多種類型和功能的開(kāi)發(fā)裝置和開(kāi)發(fā)平臺(tái)。價(jià)格便宜、性能適中的系統(tǒng)在幾百元，高性能的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)則要數(shù)千元到上萬(wàn)元，甚至僅僅一套軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)就要上萬(wàn)元。雖然設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，可以選用多家公司、多種類型的單片機(jī)，但在決定學(xué)習(xí)和使用哪種單片機(jī)時(shí)，應(yīng)對(duì)單片機(jī)的性能價(jià)格，開(kāi)發(fā)裝置和開(kāi)發(fā)平臺(tái)的性能價(jià)格，以及是否方便使用等，幾方面做一個(gè)綜合的評(píng)估。由于 AVR 單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器采用的是可多次下載的 Flash 存儲(chǔ)器，具有可在線下載（ISP）等的優(yōu)良特性，給學(xué)習(xí)和使用都帶來(lái)極大的方便。本章將在介紹單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)知識(shí)之后，重點(diǎn)介紹和講述本書(shū)推薦和使用的一套采用 ATMEL 公司的 AVR Studio 配合 C 高級(jí)語(yǔ)言的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)—－CodeVisionAVR（簡(jiǎn)稱 CVAVR）所構(gòu)成的開(kāi)發(fā)軟件環(huán)境，以及一套簡(jiǎn)易、開(kāi)放的，集下載編程、實(shí)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)一體的多功能 AVR51 實(shí)驗(yàn)板。 單片機(jī)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)所需的基礎(chǔ)知識(shí)和技能在 IT 行業(yè)，應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以分成兩大類，一類用于科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、企業(yè)管理、Internet 網(wǎng)站建立等；另一類用于工業(yè)過(guò)程檢測(cè)控制、智能儀表儀器和自動(dòng)化設(shè)備、小型電子系統(tǒng)、通信設(shè)備、家用電器等。對(duì)于前一類的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通常都是基于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，硬件設(shè)備也是通用的，可以從市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)，而其主要的工作是軟件開(kāi)發(fā)，使用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)以 C++、VB、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、網(wǎng)站建立開(kāi)發(fā)平臺(tái)等。而后一類應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則同前一類有很大的不同。它涉及的應(yīng)用系統(tǒng)是一個(gè)專用的系統(tǒng)，往往要從零開(kāi)始。既必須根據(jù)實(shí)際的需求，從系統(tǒng)硬件的構(gòu)成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，到相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，兩者并重，相輔相成，卻一不可。第二類應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)是：d 系統(tǒng)功能、要求、性能的多樣性和專用性。d 硬件電路和軟件設(shè)計(jì)的不可分割和專一性。d 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。d 體積小、重量輕、功耗省、投資少。d 開(kāi)發(fā)周期短，見(jiàn)效快。單片機(jī)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)歸屬于第二類應(yīng)用系統(tǒng)的范疇。因此，對(duì)于從事單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、學(xué)習(xí)的電子工程師和專業(yè)人員來(lái)講，不僅要熟悉各種電子器件和 IC 芯片的使用和特性，具備模擬電路、數(shù)字電路等各類硬件電路和硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，還必須上海 華東師范大學(xué) 電子系 馬潮 41 第 4 章 AVR 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工具具有很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)綜合應(yīng)用和軟件編程設(shè)計(jì)能力。在今天，單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件編程、系統(tǒng)仿真調(diào)試和程序的編程下載，大都是在個(gè)人電腦 PC 的支撐下實(shí)現(xiàn)的。因此，單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員所具備的另一個(gè)基本重要的技能就是要熟練掌握和使用個(gè)人電腦 PC，應(yīng)具備熟練使用個(gè)人電腦 PC 的基礎(chǔ)，具備相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)編程能力，熟悉相關(guān)軟件(如 Protel、VHDL)的使用，同時(shí)對(duì) PC 機(jī)的硬件接口（RS232 串行通信口、LPT 并行打印機(jī)接口、USB 接口等）也要有一定的了解。 早期的單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)是以 PC 的 DOS 操作系統(tǒng)為支撐的，但隨著 PC 機(jī)的發(fā)展，現(xiàn)在的單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)都已經(jīng)轉(zhuǎn)到以 Windows 平臺(tái)支撐的 PC 上。Windows 平臺(tái)具有的多任務(wù)、多窗口性能給單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)帶來(lái)極大的方便。當(dāng) 你 設(shè) 計(jì) 研 制 的 單 片 機(jī) 嵌 入 式 系 統(tǒng) 是 一 個(gè) 大 型 管 理 控 制 系 統(tǒng) 的 下 位 機(jī) ， 或 要 與Internet 或局網(wǎng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)網(wǎng)，那么你除了要熟練掌握與單片機(jī)有關(guān)的硬件（模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)等）和軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)外，你還要具備與整個(gè)大的系統(tǒng)有關(guān)的基礎(chǔ)和技術(shù)（如，數(shù)據(jù)庫(kù)、Internet 協(xié)議、VB、VC 等）。因此，對(duì)一個(gè)高級(jí)電子工程師來(lái)講，他對(duì)個(gè)人電腦PC 的熟練掌握程度，以及軟件設(shè)計(jì)和編程的能力，決不亞于計(jì)算機(jī)專業(yè)的人員，在某些方面比計(jì)算機(jī)專業(yè)的人員要求還高，還要全面。要具備較高的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力和水平，不是在短期內(nèi)通過(guò)理論和書(shū)本的學(xué)習(xí)就能得以實(shí)現(xiàn)的。它需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的學(xué)習(xí)，并且特別注重理論與實(shí)際相結(jié)合，要親自獨(dú)立的動(dòng)手去做，去實(shí)踐，才能打下良好的基礎(chǔ)。所以說(shuō)，不親自動(dòng)手實(shí)踐，你是不可能真正掌握設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的。有了良好的基礎(chǔ)，有了長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，加上緊跟世界半導(dǎo)體器件的最新發(fā)展，你才能成為一個(gè)真正的電子工程師。 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程對(duì)于單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)來(lái)講，由于涉及對(duì)象和要求的多樣性和專用性，其硬件和軟件結(jié)構(gòu)有很大差異，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的基本內(nèi)容和主要步驟是基本相同的。圖 41是單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程示意圖。在一個(gè)具體的單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，一般需要作以下幾個(gè)方面的考慮：1. 確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先必須進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的調(diào)研，包括查找資料、進(jìn)行調(diào)查、分析研究。要充分了解對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)要求、使用的環(huán)境狀況以及使用人員的技術(shù)水平。明確任務(wù)，確定系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，包括系統(tǒng)必須具有那些功能等。這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，它將貫串于整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作成敗、好壞的關(guān)鍵，因此必須認(rèn)真做好這項(xiàng)工作。2. 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)和技術(shù)指標(biāo)確定以后，即可進(jìn)行系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，一般包括：（1）單片機(jī)芯片的選擇。單片機(jī)芯片的選擇應(yīng)適合于應(yīng)用系統(tǒng)的要求。不僅要考慮單片機(jī)芯片本身的性能是否能夠滿足系統(tǒng)的需要，如：執(zhí)行速度、中斷功能、I/O 驅(qū)動(dòng)能力與數(shù)量、系統(tǒng)功耗以及抗干擾性能等，同時(shí)還要考慮開(kāi)發(fā)和使用是否方便、市場(chǎng)供應(yīng)情況與價(jià)格、封裝形式等其它因素。（2）外圍電路芯片和器件的選擇。僅僅一片單片機(jī)芯片是不能構(gòu)成一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)的。一個(gè)典型的系統(tǒng)往往由輸入部分（按鍵、A/D、各種類型的傳感器與輸入接口轉(zhuǎn)換電路），輸出部分（指示燈、LED 顯示、LCD 顯示、各種類型的傳動(dòng)控制部件），存儲(chǔ)器（用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄與保存），通信接口（用于向上位機(jī)交換數(shù)據(jù)、構(gòu)成聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用），電源供電等多個(gè)單元組成。這些不同的單元涉及到模擬、數(shù)字、弱電、強(qiáng)電以及它們相互之間的協(xié)調(diào)配合、上海 華東師范大學(xué) 電子系 馬潮 42 基于 AVR 的單片嵌入式系統(tǒng)原理與實(shí)踐應(yīng)用轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)、抗干擾等。因此，對(duì)于外圍芯片和器件的選擇，整個(gè)電路的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，接插件的選擇，甚至產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝等，都要進(jìn)行全面和細(xì)致的考慮。任何一個(gè)忽視和不完善，都會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)隱患，甚至造成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的失敗。確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)、技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)修改N硬件邏輯框圖設(shè)計(jì)選擇元器件系統(tǒng)電路圖設(shè)計(jì)PCB 設(shè)計(jì)制作硬件系統(tǒng)測(cè)試合格？Y測(cè)試軟件軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定算法程序設(shè)計(jì)與編制轉(zhuǎn)入相應(yīng)階段修改模擬、聯(lián)機(jī)仿真調(diào)試合格？Y現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試/工業(yè)實(shí)驗(yàn)合格？Y投入批量生產(chǎn)圖 41 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程NN上海 華東師范大學(xué) 電子系 馬潮 43 第 4 章 AVR 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工具（3）綜合考慮軟、硬件的