【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 AVR 單片機(jī)主要特性 高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價(jià)位 , 是衡量單片機(jī)性能的重要指標(biāo) 。 AVR 單片機(jī)的推出，廢除了機(jī)器周期，拋棄復(fù)雜指令計(jì)算機(jī) (CISC)追求指令完備的做法；采用精簡(jiǎn)指令集，以字作為指令長(zhǎng)度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中 (指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此 )，取指周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。當(dāng)然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。 AVR 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)采取 8 位機(jī)與 16 位機(jī)的折中策略，即采用局部寄存器存堆 (32 個(gè)寄存器文件 )和單體高速輸入 /輸出的方案 (即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應(yīng)控制邏輯 )。提高了指令執(zhí)行速 度 (1Mips/MHz)，克服了瓶頸現(xiàn)象，增強(qiáng)了功能；同時(shí)又減少了對(duì)外設(shè)管理的開(kāi)銷(xiāo)，相對(duì)簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。故 AVR 單片機(jī)在軟 /硬件開(kāi)銷(xiāo)、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性價(jià)比的單片機(jī)。 AVR 單片機(jī)內(nèi)嵌高質(zhì)量的 Flash 程序存儲(chǔ)器，擦寫(xiě)方便，支持 ISP 和 IAP，便于產(chǎn)品的調(diào)試、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、更新。內(nèi)嵌長(zhǎng)壽命的 EEProm 可長(zhǎng)期保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)，避免斷電丟失。片內(nèi)大容量的 RAM 不僅能滿足一般場(chǎng)合的使用，同時(shí)也更有效的支持使用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)程序 ,并可像 MCS51 單片機(jī)那樣擴(kuò)展外部 RAM。 AVR 單片機(jī)的 I/O 線全部帶可設(shè)置的上拉電阻、可單獨(dú)設(shè)定為輸入 /輸出、可設(shè)定（初始）高阻輸入、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)（可省去功率驅(qū)動(dòng)器件）等特性，使的得 I/O 口資源靈活、功能強(qiáng)大、可充分利用。 AVR 單片機(jī)片內(nèi)具備多種獨(dú)立的時(shí)鐘分頻器，分別供 URAT、 I2C、 SPI使用。其中與 8/16 位定時(shí)器配合的具有多達(dá) 10 位的預(yù)分頻器，可通過(guò)軟件設(shè)定分頻系數(shù)提供多種檔次的定時(shí)時(shí)間。 AVR 單片機(jī)獨(dú)有的 “ 以定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器（單）雙向計(jì)數(shù)形成三角波，再與輸出比較匹配寄存器配合，生成占空比可變、頻率可變、相位 可變方波的設(shè)計(jì)方法 (即脈寬調(diào)制輸出 PWM)”更是令人耳目一新。 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 9— 增強(qiáng)性的高速同 /異步串口，具有硬件產(chǎn)生校驗(yàn)碼、硬件檢測(cè)和校驗(yàn)偵錯(cuò)、兩級(jí)接收緩沖、波特率自動(dòng)調(diào)整定位（接收時(shí)）、屏蔽數(shù)據(jù)幀等功能，提高了通信的可靠性，方便程序編寫(xiě)，更便于組成分布式網(wǎng)絡(luò)和實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用，串口功能大大超過(guò) MCS51/96 單片機(jī)的串口，加之 AVR 單片機(jī)高速，中斷服務(wù)時(shí)間短，故可實(shí)現(xiàn)高波特率通訊。面向字節(jié)的高速硬件串行接口 TWI、 SPI。 TWI 與 I2C 接口兼容，具備 ACK 信號(hào)硬件發(fā)送與識(shí)別、地址識(shí)別、總線仲裁等功能，能實(shí)現(xiàn) 主 /從機(jī)的收 /發(fā)全部 4 種組合的多機(jī)通信。 SPI 支持主 /從機(jī)等 4 種組合的多機(jī)通信。 AVR單片機(jī)有自動(dòng)上電復(fù)位電路、獨(dú)立的 看門(mén)狗 電路、低電壓檢測(cè)電路 BOD，多個(gè)復(fù)位源 (自動(dòng)上下電復(fù)位、外部復(fù)位、看門(mén)狗復(fù)位、 BOD復(fù)位 )，可設(shè)置的啟動(dòng)后延時(shí)運(yùn)行程序，增強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)的可靠性。 AVR 單片機(jī)具有多種省電休眠模式，且可寬電壓運(yùn)行（ ），抗干擾能力強(qiáng)，可降低一般 8 位 機(jī)中的軟件抗干擾設(shè)計(jì)工作量和硬件的使用量。 AVR 單片機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了單片機(jī)集多種器件 (包括 FLASH 程序存儲(chǔ)器、看門(mén)狗、 EEPROM、同 /異步串行口、 TWI、 SPI、 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器等 )和多種功能 (增強(qiáng)可靠性的復(fù)位系統(tǒng)、降低功耗抗干擾的休眠模式、品種多門(mén)類全的中斷系統(tǒng)、具輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、具替換功能的 I/O 端口 ?? ) 于一身，充分體現(xiàn)了單片機(jī)技術(shù)的從 “ 片自為戰(zhàn) ” 向 “ 片上系統(tǒng) SoC” 過(guò)渡的發(fā)展方向。 綜上所述， AVR單片機(jī)博采眾長(zhǎng)，又具獨(dú)特技術(shù)，不愧為 8 位機(jī)中 的佼佼者。 AVR 最大特點(diǎn) AVR 單片機(jī)功能強(qiáng)大，其特點(diǎn)與別的單片機(jī)不同，下面我們簡(jiǎn)單的介紹一下AVR 單片機(jī)的特點(diǎn)。 ① 哈佛結(jié)構(gòu)，具備 1MIPS / MHz 的高速運(yùn)行處理能力； ② 超功能精簡(jiǎn)指令集（ RISC），具有 32 個(gè)通用工作寄存器，克服了如 8051 MCU 采用單一 ACC 進(jìn)行處理造成的瓶頸現(xiàn)象； ③ 快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng)，大大優(yōu)化了目標(biāo)代碼的大小、執(zhí)行效率，部分型號(hào) FLASH 非常大，特別適用于使用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)； ④ 作輸出時(shí)與 PIC 的 HI/LOW 相同，可輸出 40mA（單一輸出）， 作輸入時(shí)可設(shè)置為三態(tài)高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入，具備 10mA20mA 灌電流的能力； ⑤ 片內(nèi)集成多種頻率的 RC 振蕩器、上電自動(dòng)復(fù)位、看門(mén)狗、啟動(dòng)延時(shí)等功能，外圍電路更加簡(jiǎn)單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠； ⑥ 大部分 AVR 片上資源豐富：帶 E2PROM， PWM， RTC， SPI， UART，TWI， ISP， AD， Analog Comparator， WDT 等； 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 10— ⑦ 大部分 AVR 除了有 ISP 功能外，還有 IAP 功能，方便升級(jí)或銷(xiāo)毀應(yīng)用程序 。 AVR 系列單片機(jī)的選型 AVR 單片機(jī)系列齊全 ,可適用于各種不同場(chǎng)合的要求。 AVR 單片機(jī) 有 3個(gè)檔次 : 低檔 Tiny 系列 AVR 單片機(jī) : 主要有 Tiny11/12/13/15/26/28 等； 中檔 AT90S 系列 AVR 單片機(jī) : 主要有 AT90S1200/2313/8515 等； 高檔 ATmega 系列 AVR 單片機(jī) : 主要有 ATmega8/16/32/64/128（ 存儲(chǔ)容量為 8/16/32/64/128 KB）以及 ATmega8515/8535 等。 AVR 也是自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的縮寫(xiě) 。 ATmega16 引腳功能 參照?qǐng)D 4。 VCC 電源正 。 GND 電源地 。 端口 A(PA7..PA0) 端口 A 做為 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)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 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 B 也可以用做其他不同的特殊功能 。 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(mén)限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。門(mén)限時(shí)間見(jiàn) P36Table 15。持續(xù)時(shí)間小于門(mén)限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 11— 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。 圖 4 ATmega16 引腳圖 圖 5 ATmega16內(nèi)核 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 12— ATmega16 內(nèi)核介紹 為了獲得最高的性能以及并行性， AVR 采用了 Harvard 結(jié)構(gòu) （如圖5） ，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲(chǔ)器里的指令通過(guò)一級(jí)流水線運(yùn)行。 CPU 在執(zhí)行一條指令的同時(shí)讀 取下一條指令 ( 在本文稱為預(yù)取 )。這個(gè)概念實(shí)現(xiàn)了指令的單時(shí)鐘周期運(yùn)行。程序存儲(chǔ)器是可以在線編程的 FLASH。 快速訪問(wèn)寄存器文件包括 32 個(gè) 8 位通用工作寄存器，訪問(wèn)時(shí)間為一個(gè)時(shí)鐘周期。從而實(shí)現(xiàn)了單時(shí)鐘周期的 ALU 操作。在典型的 ALU 操作中，兩個(gè)位于寄存器文件中的操作數(shù)同時(shí)被訪問(wèn)，然后執(zhí)行運(yùn)算，結(jié)果再被送回到寄存器文件。整個(gè)過(guò)程僅需一個(gè)時(shí)鐘周期。 寄存器文件里有 6 個(gè)寄存器可以用作 3 個(gè) 16 位的間接尋址寄存器指針以尋址數(shù)據(jù)空間，實(shí)現(xiàn)高效的地址運(yùn)算。其中一個(gè)指針還可以作為程序存儲(chǔ)器查詢表的地址指針。這些 附加的功能寄存器即為 16 位的 X、 Y、 Z 寄存器。 ALU 支持寄存器之間以及寄存器和常數(shù)之間的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。 ALU也可以執(zhí)行單寄存器操作。運(yùn)算完成之后狀態(tài)寄存器的內(nèi)容得到更新以反映操作結(jié)果。 程序流程通過(guò)有 / 無(wú)條件的跳轉(zhuǎn)指令和調(diào)用指令來(lái)控制，從而直接尋址整個(gè)地址空間。大多數(shù)指令長(zhǎng)度為 16 位，亦即每個(gè)程序存儲(chǔ)器地址都包含一條 16 位或 32 位的指令。 程序存儲(chǔ)器空間分為兩個(gè)區(qū)：引導(dǎo)程序區(qū) (Boot 區(qū) ) 和應(yīng)用程序區(qū)。這兩個(gè)區(qū)都有專門(mén)的鎖定位以實(shí)現(xiàn)讀和讀 / 寫(xiě)保護(hù)。用于寫(xiě)應(yīng)用程序區(qū)的 SPM 指令必須位于 引導(dǎo)程序區(qū)。 在中斷和調(diào)用子程序時(shí)返回地址的程序計(jì)數(shù)器 (PC) 保存于堆棧之中。堆棧位于通用數(shù)據(jù) SRAM，因此其深度僅受限于 SRAM 的大小。在復(fù)位例程里用戶首先要初始化堆棧指針 SP。這個(gè)指針位于 I/O 空間，可以進(jìn)行讀寫(xiě)訪問(wèn)。數(shù)據(jù) SRAM 可以通過(guò) 5 種不同的尋址模式進(jìn)行訪問(wèn)。 AVR 存儲(chǔ)器空間為線性的平面結(jié)構(gòu)。 AVR 有一個(gè)靈活的中斷模塊?？刂萍拇嫫魑挥?I/O 空間。狀態(tài)寄存器里有全局中斷使能位。每個(gè)中斷在中斷向量表里都有獨(dú)立的中斷向量。各個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)與其在中斷向量表的位置有關(guān)，中斷向量地址越低，優(yōu)先級(jí)越高。 I/O 存儲(chǔ)器空間包含 64 個(gè)可以直接尋址的地址，作為 CPU 外設(shè)的控制寄存器、 SPI，以及其他 I/O 功能。映射到數(shù)據(jù)空間即為寄存器文件之后的地址 0x20 0x5F。 數(shù)碼管 數(shù)碼管分類 數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)