【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。 工作于空閑模式時(shí)CPU 停止工作，而USART、兩線接口、A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時(shí)終止CPU 和除了異步定時(shí)器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。 ATmega16單片機(jī)引腳 ATmega16 單片機(jī)有三種形式的封裝：40 腳雙列直插PDIP、44 腳方形的TQFP 和MLF 形式（貼片形式）。其外部引腳封裝如圖21 所示。 圖21ATmega16引腳示意圖其中，各個(gè)引腳的功能如下: （1）電源、系統(tǒng)晶振、芯片復(fù)位引腳引腳說(shuō)明： VCC 數(shù)字電路的電源 GND 地 端口（PA7..PA0） 端口A作為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。 端口A為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。 其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)性，可輸出和吸收大電流。作為輸入 使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使 系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口A處于高阻狀態(tài)。 端口B(PB7..PB0) 端口B 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口B 處于高阻狀態(tài)。 端口C(PC7..PC0) 端口C 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口C 處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活，端口C 也可以用做其他不同的特殊功能。 端口D(PD7..PD0) 端口D 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻，其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口D 處于高阻狀態(tài)。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能。 RESET 復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過(guò)最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時(shí)間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。 XTAL1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端。 XTAL2 反向振蕩放大器的輸出端。 AVCC AVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時(shí)，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用ADC時(shí)應(yīng)通過(guò)一個(gè)低通濾波器與VCC 連接。 AREF A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。 （2）32 根I/O 引腳，分成PA、PB、PC 和PD 四個(gè)8 位端口，他們?nèi)渴强删幊炭刂频碾p（多）功能復(fù)用的I/O 引腳（口）。四個(gè)端口的第一功能是通用的雙向數(shù)字輸入/輸出（I/O）口，其中每一位都可以由指令設(shè)置為獨(dú)立的輸入口，或輸出口。當(dāng)I/O 設(shè)置為輸入時(shí)，引腳內(nèi)部還配置有上拉電阻，這個(gè)內(nèi)部的上拉電阻可通過(guò)編程設(shè)置為上拉有效或上拉無(wú)效。如果AVR 的I/O 口設(shè)置為輸出方式工作，當(dāng)其輸出高電平時(shí)，能夠輸出20mA 的電流，而當(dāng)其輸出低電平時(shí)，可以吸收40mA 的電流。因此AVR 的I/O 口驅(qū)動(dòng)能力非常強(qiáng)，能夠直接驅(qū)動(dòng)LED 發(fā)光二極管、數(shù)碼管等。而早期單片機(jī)I/O 口的驅(qū)動(dòng)能力只有5mA，驅(qū)動(dòng)LED 時(shí)，還需要增加外部的驅(qū)動(dòng)電路和器件。芯片Reset 復(fù)位后，所有I/O 口的缺省狀態(tài)為輸入方式，上拉電阻無(wú)效，即I/O 為輸入高阻的三態(tài)狀態(tài)。 ATmega16單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)ATmega16的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖22所示圖22ATmega16的內(nèi)部結(jié)構(gòu)ATmega16 內(nèi)部的主要構(gòu)成部分有：AVR CPU 部分。包括：ALU 運(yùn)算邏輯單元、32 個(gè)8 位快速訪問(wèn)通用寄存器組（寄存器文件）、程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器、指令譯碼器。程序存儲(chǔ)器Flash。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM 和EEPROM。各種功能的外圍接口、I/O，以及與它們相關(guān)的數(shù)據(jù)、控制、狀態(tài)寄存器等。 AVR 中央處理器CPUAVR CPU 是單片機(jī)的核心部分，它由運(yùn)算邏輯單元ALU、程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器、指令譯碼器等部件組成。一. 運(yùn)算邏輯單元ALU運(yùn)算邏輯單元ALU 的功能是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，可對(duì)半字節(jié)（4 位）、單字節(jié)等數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。如能完成加、減、自動(dòng)加自動(dòng)減比較等算術(shù)運(yùn)算和與、或、異或、求補(bǔ)、循環(huán)移位等邏輯操作。操作結(jié)果的狀態(tài)，如產(chǎn)生進(jìn)位、結(jié)果為零等狀態(tài)信息將影響到狀態(tài)寄存器SREG 相應(yīng)的標(biāo)志位。運(yùn)算邏輯單元ALU 還包含一個(gè)布爾處理器，用來(lái)處理位操作。它可執(zhí)行置位、清零、取反等操作。ATmega16 的ALU 還能實(shí)現(xiàn)無(wú)符號(hào)數(shù)、有符號(hào)數(shù)以及浮點(diǎn)數(shù)的硬件乘法操作。一次硬件乘法操作的時(shí)間為2 個(gè)時(shí)鐘周期。二. 程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器和指令譯碼器程序計(jì)數(shù)器PC 用來(lái)存放下一條需要執(zhí)行指令在程序存儲(chǔ)器空間的地址（指向Flash 空間）。取出的指令存放在指令寄存器中，然后送入指令譯碼器產(chǎn)生各種控制信號(hào)，控制CPU的運(yùn)行（執(zhí)行指令）。AVR 一條指令的長(zhǎng)度大多數(shù)為16 位，還有少部分為32 位，因此AVR 的程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)實(shí)際上是以字（16 位）為一個(gè)存儲(chǔ)單元的。ATmega16 的程序計(jì)數(shù)器為13 位，正好滿足了對(duì)片內(nèi)8K 字（即手冊(cè)上的16K 字節(jié)）的Flash 程序存儲(chǔ)器空間直接尋址的需要，因此就不能（不支持）在外部擴(kuò)展更多的程序存儲(chǔ)器。AVR CPU 在譯碼執(zhí)行一條指令的同時(shí)，就將PC 中指定的Flash 單元中的指令取出，放入指令寄存器中（圖中的Instruction Register），構(gòu)成了一級(jí)流水線運(yùn)行方式。AVR 采用一級(jí)流水線技術(shù)，在當(dāng)前指令執(zhí)行的時(shí)候，就取出下一條將要執(zhí)行的指令，加上大多數(shù)AVR指令的長(zhǎng)度是一個(gè)字，就使得AVR CPU 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令。采用這種結(jié)構(gòu)，減少了取指令的次數(shù)，大大提高了CPU 的運(yùn)行速度，同時(shí)也提高了取指令操作的（系統(tǒng)的）可靠性。而在其它的CISC 以及類似的RISC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)中，外部振蕩器的時(shí)鐘被分頻降低到傳統(tǒng)的內(nèi)部指令執(zhí)行周期，這種分頻最大達(dá)12 倍（例如，標(biāo)準(zhǔn)8031 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)）。三. 通用工作寄存器組在AVR 中，由命名為R0～R31 的32 個(gè)8 位通用工作寄存器構(gòu)成一個(gè)“通用快速工作寄存器組”，圖25 為通用快速工作寄存器組的結(jié)構(gòu)圖。AVR CPU 中的ALU 與這32 個(gè)通用工作寄存器組直接相連，為了使ALU 能夠高效和靈活地對(duì)寄存器組進(jìn)行訪問(wèn)操作，通用寄存器組提供和支持ALU 使用4 種不同的數(shù)據(jù)輸入/輸出的操作方式：1. 提供一個(gè)8 位源操作數(shù)，并保存的一個(gè)8 位結(jié)果2. 提供兩個(gè)8 位源操作數(shù)，并保存的一個(gè)8 位結(jié)果3. 提供兩個(gè)8 位源操作數(shù)，并保存的一個(gè)16 位結(jié)果4. 提供一個(gè)16 位源操作數(shù)，并保存的一個(gè)16 位結(jié)果 系統(tǒng)時(shí)鐘部件1. 系統(tǒng)時(shí)鐘ATmega16 的片內(nèi)含有4 種頻率（1/2/4/8M）的RC 振蕩源，可直接作為系統(tǒng)的工作時(shí)鐘使用。同時(shí)片內(nèi)還設(shè)有一個(gè)由反向放大器所構(gòu)成的OSC（Oscillator）振蕩電路，外圍引腳XTAL1 和XTAL2 分別為OSC 振蕩電路的輸入端和輸出端，用于外接石英晶體等，構(gòu)成高精度的或其它標(biāo)稱頻率的系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)。系統(tǒng)時(shí)鐘為控制器提供時(shí)鐘脈沖，是控制器的心臟。系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率是單片機(jī)的重要性能指標(biāo)之一。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)的執(zhí)行節(jié)拍就越快，處理速度也越快。ATmega16最高的工作頻率為16M（16MIPS），在8 位單片機(jī)中算是佼佼者。但并不是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率越快就越好，因?yàn)楫?dāng)時(shí)鐘頻率越高時(shí)，其耗電量也越大，也容易受到干擾（或干擾別人）。因此，在具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的需要，盡量采用較低的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，這樣不僅能降低了功耗，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。2. 內(nèi)部看門狗時(shí)鐘AVR 片內(nèi)還集成了一個(gè)1MHz獨(dú)立的時(shí)鐘電路，它僅供片內(nèi)的看門狗定時(shí)器（WDT）使用。因此，AVR 片內(nèi)的WDT 是獨(dú)立硬件形式的看門狗，使用AVR 可以省掉外部的WDT 芯片。使用WDT 可以有效的提高系統(tǒng)的可靠行。 AVR 單片機(jī)最小系統(tǒng)一個(gè)單片嵌入式系統(tǒng)的核心，其實(shí)就是一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)。它僅僅由一片單片機(jī)芯片、兩個(gè)電阻、一個(gè)石英晶體和兩個(gè)電容構(gòu)成，見(jiàn)圖213。圖213 虛線框里幾個(gè)器件所構(gòu)成的最小系統(tǒng)，就是一顆單片嵌入式系統(tǒng)完整的心臟和大腦，可以工作了。當(dāng)然，沒(méi)有相應(yīng)的外圍電路，我們還是不能直觀的了解它的工作情況的。因此圖中還有一個(gè)簡(jiǎn)單的外圍電路：一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)限流保護(hù)電阻。我們可以編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，其功能讓發(fā)光二極管每間隔1 秒閃爍一次，循環(huán)往復(fù)。把程序的運(yùn)行代碼下載到ATmega16的程序存儲(chǔ)器中，一個(gè)秒節(jié)拍輸出顯示裝置就誕生了。只要一接通電源， ATmega16就以每秒４兆的工作頻率運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管每間隔1 秒閃爍一次。圖23 ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng) ATmega16單片機(jī)主要特性（1）高性能、低功耗的8位AVR微處理器ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進(jìn) 的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。（2）先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu) 131 條指令 大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期 全靜態(tài)工作工作于16 MHz 時(shí)性能高達(dá)16 MIPS只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器 32個(gè)8 位通用工作寄存器 圖24 CPU 32 個(gè)通用工作寄存器的結(jié)構(gòu) （3）非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash擦寫壽命: 10,000 次 具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot 代碼區(qū)通過(guò)片上Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的同時(shí)讀寫操作 512 字節(jié)的EEPROM擦寫壽命: 100,000 次 1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM圖25 SRAM片內(nèi)周期 （4）分支指令 對(duì)于LCALL、LJMP、ACALL、AJMP、SJMP、JMP@A+DPTR等指令，只要程序員記住這些分支指令的目的地址在程序存儲(chǔ)器大小的物理范圍內(nèi)（89C51程序地址空間為：000H一7FFH單元),這些無(wú)條件分支指令就會(huì)正確執(zhí)行,超 出物理空間的限制會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)知的程序出錯(cuò)。CJNE[……]、DJNZ[……]、JB、JNB、JC、JNC、JBC、JZ、JNZ等這些條件 轉(zhuǎn)移指令的使用與上述原則一樣,同樣,超出物理空間的限制也會(huì)引起不可預(yù)知的程序出錯(cuò)。至于中斷的使用，80C51 系列硬件結(jié)構(gòu)中已保留標(biāo)準(zhǔn)中斷服務(wù)子程序的地址。 （5） 外設(shè)特點(diǎn) 兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器（T/C0和T/C2） 一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器T/C1 具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC 四通道PWM 8路10 位ADC 8個(gè)單端通道，TQFP 封裝的7個(gè)差分通道，2個(gè)具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 面向字節(jié)的兩線接口 兩個(gè)可編程的串行USART 可工作于主機(jī)/ 從機(jī)模式的SPI 串行接口 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器 片內(nèi)模擬比較器 6種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴(kuò)展的Standby 模式。 在不同睡眠模式下活動(dòng)的時(shí)鐘以及喚醒源 （7）工作電壓: ATmega16L： ATmega16： （8） 速度等級(jí) 0 8 MHz ATmega16L 0 16 MHz ATmega16 （9）ATmega16L 在1 MHz, 3V, 2