【文章內(nèi)容簡介】 ATMEL 的高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)的。FLASH 程序存儲器可以通過 SPI 串行接口或通用編程器或運(yùn)行于 AVR 核上的片內(nèi) BOOT 程序多次編程。BOOT 程序可以用任意的接口下載到應(yīng)用 FLASH 程序存儲器中。當(dāng)應(yīng)用程序區(qū)被更新時(shí) BOOT 區(qū)的軟件將繼續(xù)運(yùn)行，提供寫操作時(shí)真正可讀的功能。通過將增強(qiáng)的RISC 8位CPU與FLASH集成在一個(gè)芯片內(nèi)ATmega8為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的方案。ATmega128 具有一整套的編程和系統(tǒng)開發(fā)工具：C 編譯器、宏匯編器、調(diào)試/模擬器、JTAG ICE 在線仿真器和 MEGA128 評估板。圖7 ATmega128 的引腳示意圖 ATmega128 具有兩個(gè)主存儲器空間：數(shù)據(jù)寄存器和程序寄存器。此外ATmega128 還有一個(gè) EEPROM 存儲器以保存數(shù)據(jù)，這三個(gè)存儲器空間都是線性的。為了增加數(shù)據(jù)存儲空間，在微控制器外部還擴(kuò)展了一個(gè) 4Mb 的 SPI 串行接口 FLASH 數(shù)據(jù)存儲器 AT45DB041B。 Flash 程序存儲器ATmega128 具有 128K 字節(jié)的在線編程 Flash。因?yàn)樗械?AVR 指令為 16位或 32 位，F(xiàn)LASH 組織成 64K x 16 的形式。Flash 存儲器至少可以擦寫 10,000次。ATmega128 的程序計(jì)數(shù)器 PC 為 16 位，因此可以尋址 64K 的程序存儲器?？紤]到軟件安全性， Flash 程序存儲器分為兩個(gè)區(qū)：引導(dǎo)程序區(qū)和應(yīng)用程序區(qū)。兩個(gè)區(qū)的存儲空間大小由 BOOTSZ 熔絲位配置，F(xiàn)LASH 存儲器映像如圖 8 所示。由于兩個(gè)區(qū)使用不同的鎖定位，所以可以具有不同的加密級別。如果不需要 Boot Loader 功能，則整個(gè) Flash 都可以為應(yīng)用代碼所用。BootLoader 具有兩套可以獨(dú)立設(shè)置的 Boot 鎖定位。靈活地選擇不同的代碼保護(hù)方式。通過跳轉(zhuǎn)指令或從應(yīng)用區(qū)調(diào)用的方式可以進(jìn)入 Boot Loader。這些操作可以由一些觸發(fā)信號啟動，比如通過 USART 或 SPI 接口接收到了相關(guān)的命令。另外，可以通過編程 Boot 復(fù)位熔絲位使得復(fù)位向量指向 Boot 區(qū)的起始地址。這樣，復(fù)位后 Boot Loader 立即就啟動了。加載了應(yīng)用代碼后，程序開始執(zhí)行應(yīng)用代碼。MCU 本身不能改變?nèi)劢z位的設(shè)置。也就是說，一旦 Boot 復(fù)位熔絲位被編程，復(fù)位向量將一直指向 Boot 區(qū)的起始地址。熔絲位只能通過串行或者并行編程的方法來改變。圖 8 FLASH 存儲器映像 SRAM 數(shù)據(jù)存儲器ATmega128 支持兩種不同的 SRAM 配置：內(nèi)部 SRAM 數(shù)據(jù)存儲器共 4096個(gè)字節(jié)，或者擴(kuò)展外部 SRAM，最多達(dá) 64K 字節(jié)。ATmega128 是一個(gè)復(fù)雜的微處理器，其支持的外設(shè)要比預(yù)留的 64 個(gè) I/O(通過 IN/OUT 指令訪問) 所能支持的要多。對于擴(kuò)展的 I/O 空間$60 $FF，只能使用 ST/STS/STD 和 LD/LDS/LDD指令。在普通模式下，前 4352 個(gè)數(shù)據(jù)地址包含寄存器文件，I/O 存儲器，擴(kuò)展的 I/O 存儲器以及內(nèi)部數(shù)據(jù) SRAM。起始的 32 個(gè)地址為寄存器文件，然后是64 個(gè) I/O 存儲器，接著是 160 個(gè)擴(kuò)展的 I/O 存儲器，最后是 4096 字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù) SRAM。ATmega128 還可以訪問直到 64K 的外部數(shù)據(jù) SRAM。其起始緊跟在內(nèi)部SRAM 之后。在普通模式下，寄存器文件、I/O 存儲器、擴(kuò)展的 I/O 存儲器以及內(nèi)部數(shù)據(jù)SRAM 占據(jù)了低4352字節(jié)；而在ATmega103兼容模式下占據(jù)了4096字節(jié)(沒有擴(kuò)展 I/O)。因此，在使用外部存儲器時(shí)普通模式只能有 61184 字節(jié)，ATmega103 兼容模式只能有61440 字節(jié)。當(dāng)訪問SRAM 的地址超出內(nèi)部SRAM的地址時(shí)，MCU 將對外部 SRAM 尋址（指令相同）。訪問內(nèi)部 SRAM 時(shí)讀/ 寫鎖存信號(PG0 和 PG1) 無效。若要訪問外部 SRAM，必須置位 MCUCR 的 SRE。訪問外部 SRAM 比訪問內(nèi)部的要多一個(gè)時(shí)鐘周期，這意味著 LD、ST、LDS、STS、LDD、STD、PUSH 和 POP 指令將多一個(gè)時(shí)鐘周期。如果堆棧放置于外部 SRAM，則中斷和函數(shù)調(diào)用將花費(fèi)額外的三個(gè)時(shí)鐘周期。如果外部 SRAM 接口使用了 3 個(gè)等待周期，則訪問周期將相應(yīng)增加 4 個(gè)時(shí)鐘周期；中斷和子程序調(diào)用的開銷則增加 9 個(gè)時(shí)鐘周期。數(shù)據(jù)尋址模式分為 5 種：直接尋址，帶偏移量的間接尋址，間接尋址，預(yù)減的間接尋址，以及后加的間接尋址。寄存器 R26 到 R31 為間接尋址的指針寄存器。直接尋址訪問整個(gè)數(shù)據(jù)空間。帶偏移量的間接尋址模式尋址到 Y、Z 指針給定地址附近的 63 個(gè)地址。帶預(yù)減和后加的間接尋址模式要用到 X、Y、Z 指針。32 個(gè)通用寄存器，64 個(gè) I/O 寄存器，4096 字節(jié)的 SRAM 可以被所有的尋址模式所訪問。4 EEPROM 數(shù)據(jù)存儲器ATmega128 包含 4K 字節(jié)的 EEPROM。它是作為一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)空間而存在的，可以按字節(jié)讀寫。EEPROM 的壽命至少為 100,000 次（擦除）。EEPROM的訪問由地址寄存器，數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器決定。EEPROM 的訪問寄存器位于 I/O 空間。當(dāng)執(zhí)行 EEPROM 讀操作時(shí)，CPU 會停止工作 4 個(gè)周期，然后再執(zhí)行后續(xù)指令；當(dāng)執(zhí)行 EEPROM 寫操作時(shí)，CPU 會停止工作 2 個(gè)周期，然后再執(zhí)行后續(xù)指令。在 CPU 寫 Flash 存儲器的時(shí)候不能對 EEPROM 進(jìn)行編程。在啟動 EEPROM 寫操作之前軟件必須要檢查 Flash 寫操作是否已經(jīng)完成。圖 9是實(shí)現(xiàn) EEPROM 的寫操作的程序流程圖。 外部 Flash 數(shù)據(jù)存儲器 AT45DB041B為了增加節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲器的容量，并且考慮到設(shè)計(jì)中成本和體積的限制，選用了大容量對速度要求不很高的 SPI 串行數(shù)據(jù) FLASH 存儲器AT45DB041B。圖 10 是 AT45DB041B 與 ATmega128 的接口電路以及設(shè)計(jì)所需用的封裝示意圖。AT45DB041B 的特點(diǎn)如下：單一的 ～ 電源；串行接口結(jié)構(gòu)；頁面編程操作，單一的循環(huán)重復(fù)編程（擦除和編程，2048 頁（每頁 264 字節(jié)）主存；兩個(gè) 264 字節(jié)的 SRAM 數(shù)據(jù)緩存，允許在重編程非易失性存儲器時(shí)接收數(shù)據(jù)；內(nèi)置的編程和控制定時(shí)器；低功耗，4mA 有源讀取電流，2μACMOS 備用電流；15MHz 的最大時(shí)鐘頻率；串行外圍接口方式（SPI）——模式 0 和 3；CMOS 的TTL 兼容的輸入和輸出； 可承受的輸入，SI、SCK、CS（低電平有效）、RESET（低電平有效）。圖9 EEPROM 寫操作的程序流程圖圖 與 ATmega128 接口電路及其圖10 AT45DB041B 與 ATmega128 接口電路及其封裝示意圖采用微控制器的優(yōu)點(diǎn)是為了支持對實(shí)時(shí)任務(wù)的響應(yīng)，而中斷是微控制器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作的硬件保證。當(dāng)中斷被觸發(fā)后，當(dāng)前主程序?qū)簳r(shí)停止向下運(yùn)行，程序計(jì)數(shù)器指向中斷所對應(yīng)的中斷向量指向的地址，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，完成之后程序指針回到主程序，繼續(xù)運(yùn)行主程序。ATmega128 的中斷都是由硬件信號觸發(fā)，包括內(nèi)部中斷與外部中斷。復(fù)位和中斷向量放在程序存儲器的起始地址當(dāng)中，$0000 對應(yīng)于復(fù)位中斷，表 2 是 ATmega128 復(fù)位和中斷向量表。 外部中斷通過引腳 INT7:0 觸發(fā)。只要使能中斷，即使引腳 INT7:0 配置為輸出，只要電平發(fā)生了合適的變化，中斷也會觸發(fā)。這個(gè)特點(diǎn)可以用來產(chǎn)生軟件中斷。通過設(shè)置外部中斷控制寄存器– EICRA(INT3:0) 和 EICRB (INT7:4)，中斷可以由下降沿、上升沿，或者是低電平觸發(fā)。當(dāng)外部中斷使能并且配置為電平觸發(fā)，只要引腳電平為低，中斷就會產(chǎn)生。若要求 INT7:4 在信號下降沿或上升沿觸發(fā)，I/O 時(shí)鐘必須工作。INT3:0 的中斷條件檢測則是異步的，即這些中斷可以用來將器件從睡眠模式喚醒。在睡眠過程( 除了空閑模式) 中 I/O 時(shí)鐘是停止的。通過電平方式觸發(fā)中斷，從而將 MCU 從掉電模式喚醒時(shí)，表 2 ATmega128 復(fù)位和中斷向量表向量號程序地址中斷源中斷定義1＄0000RESET外部引腳，上電復(fù)位，掉電檢測復(fù)位，看門狗復(fù)位，以及 JTAG AVR 復(fù)位2＄0002INT0外部中斷請求03＄0004INT1外部中斷請求14＄0006INT2外部中斷請求25＄0008INT3外部中斷請求36＄000AINT4外部中斷請求47＄000CINT5外部中斷請求58＄000EINT6外部中斷請求69＄0010INT7外部中斷請求710＄0012TIMER2 COMP定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2 比較匹配11＄0014TIMER2 OVF定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2 溢出12＄0016TIMER1 CAPT定時(shí)器/計(jì)數(shù)器13＄0018TIMER1 COMPA定時(shí)器/計(jì)數(shù)器14＄001ATIMER1 COMPB定時(shí)器/計(jì)數(shù)器15＄001CTIMER1 OVF定時(shí)器/計(jì)數(shù)器16＄001ETIMER0 COMP定時(shí)器/計(jì)數(shù)器17＄0020TIMER0 OVF定時(shí)器/計(jì)數(shù)器18＄0022SPI 串行傳輸結(jié)束19＄002420＄0026USART0數(shù)據(jù)寄存器空21＄002822＄002AADCADC轉(zhuǎn)換結(jié)束23＄002CEE READYEEPROM就緒要保證電平保持一定的時(shí)間，以降低 MCU 對噪聲的敏感程度。電平以看門狗的頻率檢測兩次。在 、25176。C 的條件下，看門狗的標(biāo)稱時(shí)鐘周期為 1 μs。只要在采樣過程中出現(xiàn)了合適的電平，或是信號持續(xù)到啟動過程的末尾， MCU 就會喚醒。若信號出現(xiàn)于兩次采樣過程，但在啟動過程結(jié)束之前就消失了，MCU 仍將喚醒，但不再會引發(fā)中斷了。要求的電平必須保持足夠長的時(shí)間以使 MCU 結(jié)束喚醒過程，然后觸發(fā)電平中斷。 AVR 處理器指令集Atmel 的 AVR 全系列微控制器都是采用 Atmel 精簡指令集（RSIC），包含118 條指令，分成四個(gè)子集：算術(shù)和邏輯運(yùn)算、代碼分支、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和位測試。采用高級語言C語言編寫基于AVR指令集的應(yīng)用程序，通過AVRStudio或者IAR編譯器轉(zhuǎn)換成 16 進(jìn)制代碼，寫入程序程序存儲器中。 電源管理及睡眠模式睡眠模式可以使應(yīng)用程序關(guān)閉 MCU 中沒有使用的模塊，從而降低功耗。AVR 具有不同的睡眠模式，允許用戶根據(jù)自己的應(yīng)用要求實(shí)施剪裁。進(jìn)入睡眠模式的條件是置位寄存器 MCUCR 的 SE，然后執(zhí)行 SLEEP 指令。具體哪一種模式( 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、掉電模式、省電模式、Standby 模式和擴(kuò)展 Standby 模式) 由 MCUCR 的 SMSM1 和 SM0 決定。使能的中斷可以將進(jìn)入睡眠模式的 MCU 喚醒。經(jīng)過啟動時(shí)間，外加 4 個(gè)時(shí)鐘周期后，MCU 就可以運(yùn)行中斷例程了。然后返回到 SLEEP 的下一條指令。喚醒時(shí)不會改變寄存器文件和 SRAM 的內(nèi)容。如果在睡眠過程中發(fā)生了復(fù)位，則 MCU 喚醒后從中斷向量開始執(zhí)行。MCU 控制寄存器（MCUCR）包含了電源管理的控制位。SM2..0 是睡眠模式的選擇位，用于選擇具體的睡眠模式。表 3為對應(yīng)的睡眠模式選擇。（1）空閑模式：當(dāng) SM2..0 為 000 時(shí)，SLEEP 指令將使 MCU 進(jìn)入空閑模式。在此模式下，CPU 停止運(yùn)行，而 SPI、USART、模擬比較器、ADC、兩線接口、定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器、看門狗和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。這個(gè)睡眠模式只停止了clkCPU 和 clkFLASH，其他時(shí)鐘則繼續(xù)工作。內(nèi)外部中斷都可以喚醒 MCU。如果不需要從模擬比較器中斷喚醒 MCU，為了減少功耗，可以切斷比較器的電源。方法是置位模擬比較器控制和狀態(tài)寄存器 ACSR 的位 ACD。如果 ADC 使能，進(jìn)入此模式后將自動啟動一次轉(zhuǎn)換。（2）ADC 噪聲抑制模式：當(dāng) SM2..0 為 001 時(shí)，SLEEP 指令將使 MCU 進(jìn)入噪聲抑制模式。在此模式下，CPU 停止運(yùn)行，而 ADC、外部中斷、兩線接口地址配置、定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器 0 和看門狗繼續(xù)工作。這個(gè)睡眠模式只停止了 clkI/O、clkCPU 和 clkFLASH，其他時(shí)鐘則繼續(xù)工作。此模式提高了 ADC 的噪聲環(huán)境，使得轉(zhuǎn)換精度更高。ADC 使能的時(shí)候，進(jìn)入此模式將自動啟動一次 AD 轉(zhuǎn)換。ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷、外部復(fù)位、看門狗復(fù)位、BOD 復(fù)位、兩線接口地址匹配中斷、定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器 0 中斷、SPM/EEPROM 準(zhǔn)備好中斷、外部中斷 INT7:4，或外部中斷 INT3:0 可以將 MCU 從 ADC 噪聲抑制模式喚醒。（3）掉電模式：當(dāng) SM2..0 為 010 時(shí)，SLEEP 指令將使 MCU 進(jìn)入掉電模式。在此模式下，外部晶體停振，而外部中斷、兩線接口地址匹配及看門狗（如果使能的話）繼續(xù)工作。只有外部復(fù)位、看門狗復(fù)位、BOD 復(fù)位、兩線接口地址匹配中斷、外部電平中斷 INT7:4，或外部中斷 INT3:0 可以使 MCU 脫離掉電模式。這個(gè)睡眠模式停止了所有的時(shí)鐘，只有異步模塊可以繼續(xù)工作。當(dāng)使用外部電平中斷方式將 MCU 從掉電模式喚醒時(shí)，必須保持外部電平一定的時(shí)間。從施加掉電喚醒條件到真正喚醒有一個(gè)延遲時(shí)間，此時(shí)間用于時(shí)鐘重新啟動并穩(wěn)定下來。喚醒周期與由熔絲位 CKSEL 定義的復(fù)位周期是一樣的。表3 睡眠模式選擇SM2SM1SM0睡眠模式000空閑模式001ADC噪聲抑制模式010掉電模式