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1、1,第2章 AVR单片机的基本结构,2.1 单片机的基本组成 2.2 ATmega16单片机的组成 2.3 ATmega16单片机的内部结构 2.4 存储器结构和地址空间 2.5 通用寄存器组与I/O寄存器2.6 ATmega16单片机的工作状态,2,介绍单片机的基本结构和组成，使大家对单片机芯片的内部硬件有基本了解和认识。掌握单片机的基本结构和组成，对学习、了解任何一种类型单片机的工作原理，编写单片机的系统软件以及设计外围电路都是非常重要的。,以ATmega16为主线，介绍和讲述AVR单片机内核的基本结构、引脚功能、工作方式等。,3,2.1 单片机的基本组成,图2-1 典型单片机的基本组成结
2、构,4,2.2 ATmega16单片机的组成,由Atmel公司挪威设计中心的A先生与V先生，于1997年设计出一款使用RISC(Reduced Instruction Set CPU-精简指令集CPU)指令集的8位单片机，起名为AVR。,5,2.2 ATmega16单片机的组成,8051结构的单片机采用复杂指令系统CISC(Complex Instruction Set Computer)体系。由于CISC结构存在指令系统不等长，指令数多，CPU利用效率低，执行速度慢等缺陷，已不能满足和适应设计中高档电子产品和嵌入式系统应用的需要。,6,2.2 ATmega16单片机的组成,精简指令集 RIS
3、C结构是20世纪90年代开发出来的一种综合了半导体集成技术和提高软件性能的新结构，是为了提高CPU运行的速度而设计的芯片体系。它的关键技术在于采用流水线操作和等长指令体系结构，使一条指令可以在一个单独操作中完成，从而实现在一个时钟周期里完成一条或多条指令。,7,2.2 ATmega16单片机的组成,流水线操作AVR采用流水线技术，在前一条指令执行的时候，就取出现行的指令，然后以一个周期执行指令。大大提高了CPU的运行速度。,8,2.2 ATmega16单片机的组成,同时RISC体系还采用了通用快速寄存器组的结构，大量使用寄存器之间的操作，简化了CPU中央处理器、控制器和其它功能单元的设计。因此
4、，RISC的特点就是通过简化CPU的指令功能，使指令的平均执行时间减少，从而提高CPU的性能和速度。,9,2.2 ATmega16单片机的组成,AVR单片机系列齐全,可适用于各种不同场合的要求。AVR单片机有3个档次：低档Tiny系列AVR单片机:主要有Tiny11/12/13/15/26/28等；中档AT90S系列AVR 单片机:主要有AT90S1200/2313/8515/8535等；(正在淘汰或转型到Mega中),10,2.2 ATmega16单片机的组成,高档ATmega系列AVR单片机:主要有ATmega8/16/32/64/128（存储容量为8/16/32/64/128 KB）以及
5、ATmega8515/8535。还有 ATmega48/88/168(存储容量为4/8/16K)等。AVR器件引脚从8脚到100脚,还有各种不同封装供选择。价格从几元到几十元。,11,2.2 ATmega16单片机的组成,2006年，爱特梅尔推出了 AVR32的新型专利32位架构处理器。AVR32 32位RISC处理器内核是专门针对同时要求高性能和低功耗的现代化应用而开发的。,12,2.2.1 AVR单片机的内核结构,图 2-2 AVR单片机的内核结构示意图,间接寻址,直接寻址,13,2.2.1 AVR单片机的内核结构,图 2-2 AVR单片机的内核结构示意图,14,32个8位通用工作寄存器中
6、，有6个寄存器可以合并成为3个16位的，用于对数据存储器空间进行间接寻址的间接地址寄存器（存放地址指针），以实现高效的地址计算。这3个16位的间接地址寄存器称为：X寄存器，Y寄存器和Z寄存器。其中Z寄存器还能作为间接寻址程序存储器空间的地址寄存器，用于在Flash程序存储器空间进行查表等操作。,2.2.1 AVR单片机的内核结构,15,2.2.2 ATmega16的特点,（1）采用先进RISC结构的AVR内核131条指令，且大多数指令的执行时间为单个系统时钟周期；32个8位通用工作寄存器；工作在16MHz时具有16MIPS(Million Instructions Per Second)的性能
7、。配备只需要2个时钟周期的硬件乘法器。,16,2.2.2 ATmega16的特点,（2）片内含有较大容量的非易失性的程序和数据存储器16K字节在线可编程（ISP In-System Programming）Flash程序存储器（擦除次数1万次）；1K字节的片内SRAM数据存储器;512个字节片内在线可编程EEPROM数据存储器（擦写次数10万次）；,17,2.2.2 ATmega16的特点,（3）片内含JTAG接口支持符合JTAG（Joint Test Action Group联合测试行动小组）标准的边界扫描功能用于芯片检测；支持扩展的片内在线调试功能；可通过JTAG口对片内的Flash、EE
8、PROM、配置熔丝位和锁定加密位实现下载编程；,18,2.2.2 ATmega16的特点,JTAG(Joint Test Action Group-联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试。现在，JTAG接口还常用于实现ISP（In-System Programmable-在线编程），对FLASH等器件进行编程。,19,2.2.2 ATmega16的特点,（4）外围接口2个带有分别独立并可设置预分频器的8位定时器/计数器；1个带有可设置预分频器、具有比较、捕捉功能的16位定时器/计数器；片内含独立振荡器的实时时钟RTC（Real time Clock）；4路PWM通道；8
9、路10位ADC；,20,面向字节的两线串行接口TWI（Two-Wire Serial Interface);1个可编程、增强型全双工，支持同步/异步通信的串行接口USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter-通用同步/异步串行接收/发送器)；,2.2.2 ATmega16的特点,21,2.2.2 ATmega16的特点,1个可工作于主机/从机模式的SPI（Serial Peripheral Interface-串行外设接口)串行接口（支持ISP程序下载）；片内模拟比较器；内含可编程的，具有独立片内振荡器的看门狗定时器
10、WDT(Watchdog Timer)；,22,2.2.2 ATmega16的特点,（5）其它的特点片内含上电复位电路以及可编程的掉电检测复位电路BOD(Brown-out Detection)；片内含有1M/2M/4M/8MHz经过标定的、可校正的RC振荡器，可作为系统时钟使用；多达21个各种类型的内外部中断源；有6种休眠模式支持省电方式工作；,23,2.2.2 ATmega16的特点,（6）宽电压、高速度、低功耗工作电压范围宽：ATmega16L 2.75.5v，ATmega16 4.55.5v；运行速度：ATmega16L 为08MHz，ATmega16 为016MHz；低功耗：ATme
11、ga16L工作在1MHz、3v、25度时的典型功耗为：正常工作模式 1.1mA，空闲工作模式 0.35mA，掉电工作模式 1uA。,24,2.2.3 外部引脚与封装,ATmega16单片机有3种形式的封装：40脚双列直插PDIP、44脚方形的TQFP和MLF形式（贴片形式）。其外部引脚封装如图2-3所示。,25,2.2.3 外部引脚与封装,图2-3 ATmage16 外部引脚与封装示意图,26,2.2.3 外部引脚与封装,各个引脚的功能如下:1）电源、系统晶振、芯片复位引脚Vcc:芯片供电（片内数字电路电源）输入引脚，使用时连接到电源正极。AVcc：端口A和片内ADC模拟电路电源输入引脚。不使
12、用ADC时，直接连接到电源正极。,27,2.2.3 外部引脚与封装,AREF：使用ADC时，可作为外部ADC参考源的输入引脚。GND:芯片接地引脚，使用时接地。XTAL2：片内反相振荡放大器的输出端。XTAL1：片内反相振荡放大器和内部时钟操作电路的输入端。RESET：为芯片复位输入引脚。在该引脚上施加（拉低）一个最小脉冲宽度为1.5us的低电平,将引起芯片的硬件复位（外部复位）。,28,2.2.3 外部引脚与封装,32根I/O引脚，分成PA、PB、PC和PD四个8位端口，它们全部是可编程控制的双（多）功能复用的I/O引脚（口）。如果AVR的I/O口设置为输出方式工作，当其输出高电平时，能够输
13、出20mA的电流，而当其输出低电平时，可以吸收40mA的电流。因此AVR的I/O口驱动能力非常强，能够直接驱动LED发光二极管、数码管等,29,2.3 ATmega16单片机的内部结构,图2-4 ATmage16 的结构框图,30,31,32,2.3 ATmega16单片机的内部结构,ATmega16内部的主要构成部分有：AVR CPU部分；程序存储器Flash；数据存储器RAM和EEPROM；各种功能的外围接口、I/O口，以及与它们相关的数据、控制、状态寄存器等。,33,2.3.1 中央处理器CPU,AVR CPU部分；包括：ALU运算逻辑单元、32个8位快速访问通用寄存器组、程序计数器PC
14、、指令寄存器、指令译码器。,34,图2-5 通用工作寄存器组在RAM空间的地址分配图,35,2.3.2 系统时钟部件 ATmega16的片内含有4种频率（1/2/4/8MHz）的RC振荡源，可直接作为系统的工作时钟使用。为ATmega16提供系统时钟源时，有三种主要的选择：（1）直接使用片内的1/2/4/8MHz的RC振荡源；,36,2.3.2 系统时钟部件,（2）在引脚XTAL1和XTAL2上外接由石英晶体和电容组成的谐振回路,配合片内的OSC（Oscillator）振荡电路构成的振荡源,见图2-6(a)；（3）直接使用外部的时钟源输出的脉冲信号,见图2-6(b).,37,2.3.2 系统时
15、钟部件,图2-6(a)外部接晶体的时钟电路,图2-6(b)直接使用外部时钟源,38,2.3.3 存储器,AVR单片机在片内集成了Flash程序存储器、SRAM数据存储器和EEPROM数据存储器。三个存储器空间互相独立，物理结构也不同。程序存储器为闪存存储器Flash，以16位（字）为一个存储单元，作为数据读取时，以字节为单位，而擦除、写入则是以页为单位的（不同型号AVR单片机,1页的大小也不同）。,39,2.3.3 存储器,SRAM数据存储器是以8位（字节）为一个存储单元，编址方式采用与工作寄存器组、I/O寄存器和SRAM统一寻址的方式 EEPROM数据存储器是以8位（字节）为一个存储单元，对
16、其的读写操作都以字节为单位。,40,2.3.4 I/O端口,ATmega16有四个8位的双向I/O端口PA、PB、PC、PD，它们对外对应32个I/O引脚，每一位都可以独立地用于逻辑信号的输入和输出。输出时,每个引脚可供出达20mA的驱动电流。输入时，每个引脚可吸纳最大为40mA的电流。可直接驱动发光二极管LED（一般LED的驱动电流为10mA左右）和小型继电器。,41,2.3.4 I/O端口,AVR大部分的I/O端口都具备双重功能，分别同片内的各种不同功能的外围接口电路组合成一些可以完成特殊功能的I/O 口，如定时器、计数器、串行接口、模拟比较器、捕捉器等。,42,2.4 存储器结构和地址空
17、间,2.4.1 支持ISP的Flash程序存储器,AVR单片机包括1K256K字节的片内支持ISP的Flash程序存储器，Flash存储器的使用寿命最少为1万次写/擦循环。ATmega16单片机的程序存储器为8K 16（16K8），程序计数器PC宽为13位，以此来对8K字程序存储器地址进行寻址。地址空间从$000开始。,43,2.4.2.数据存储器SRAM空间,图2-7 ATmega16存储器结构,44,2.4.2.数据存储器SRAM空间,全部共1120个数据存储器地址为线性编址,前96个地址为寄存器组（32个8位通用寄存器），I/O寄存器（64个8位I/O寄存器).32个8位通用寄存器:SR
18、AM数据地址空间$0000$001F。I/O寄存器（64个8位I/O寄存器），分配在SRAM数据地址空间的$0020$005F。1024个地址是片内数据SRAM，地址空间占用$0060$045F。,45,2.4.3 内部EEPROM存储器,AVR系列单片机还包括64B4K字节的EEPROM数据存储器。它们被组织在一个独立的数据空间中。这个数据空间采用单字节读写方式。EEPROM 的使用寿命至少为 10万次写/擦循环。ATmega16的EEPROM容量是512字节，地址范围为$0000$01FF。EEPROM数据存储器可用于存放一些需要掉电保护，而且比较固定的系统参数、表格等。,46,2.5 通
19、用寄存器组与I/O寄存器,2.5.1 通用寄存器组,图2-8 通用寄存器组结构图,47,48,2.5.1 通用寄存器组,AVR寄存器组最后的6个寄存器R26R31具有特殊的功能，这些寄存器每两个合并成一个16位的寄存器，作为对数据存储器空间（使用X、Y、Z）以及程序存储器空间（仅使用Z寄存器）间接寻址的地址指针寄存器。,49,2.5.2 I/O寄存器,50,51,52,53,2.5.2 I/O寄存器,括号外为I/O寄存器空间地址，括号内为在数据存储器空间的映射地址。AVR系列单片机所有I/O口及外围接口的功能和配置均通过I/O寄存器进行设置和使用。,54,2.5.3 状态寄存器和堆栈指针寄存器
20、,1状态寄存器SREG,2堆栈指针寄存器SP,通常初始化时将SP的指针设在SRAM最高处,55,2.5.3 状态寄存器和堆栈指针寄存器,状态寄存器SREG位7I:全局中断使能位该标志位为AVR中断总控制开关，当I位置位（“1”）时，表示CPU可以响应中断请求，而当I位清0时，则所有的中断被禁止，CPU不响应任何的中断请求。,56,2.5.3 状态寄存器和堆栈指针寄存器,AVR的SP堆栈指针寄存器指示了在数据SRAM中堆栈区域的栈顶地址，一些临时数据、局部变量，以及子程序返回地址和中断返回地址将被放置在堆栈区域中。在数据SRAM中，该堆栈空间的顶部地址必须在系统程序初始化时由初始化程序定义和设置
21、。,57,2.5.3 状态寄存器和堆栈指针寄存器,由于AVR的堆栈是向下增长的，即新数据进入堆栈时栈顶指针的数据将减小（注意：这里与51不同，51的堆栈是向上增长的，即进栈操作时栈顶指针的数据将增加），所以尽管原则上堆栈可以在SRAM的任何区域中，但通常初始化时将SP的指针设在SRAM最高处。,58,2.5.3 状态寄存器和堆栈指针寄存器,当执行PUSH指令，一个字节的数据被压入堆栈，堆栈指针（SP中的数据）将自动减1；当执行子程序调用指令CALL或CPU响应中断时，硬件会自动把返回地址（16位数据）压入堆栈中，同时将堆栈指针自动减2。反之，当执行POP指令，从堆栈顶部弹出一个字节的数据，堆栈
22、指针将自动加1；当执行从子程序RET返回或从中断RETI返回指令时，返回地址将从堆栈顶部弹出，堆栈指针自动加2,59,2.6 ATmega16单片机的工作状态,AVR单片机的工作状态通常包括：复位状态 正常程序执行工作状态 休眠节电工作状态 程序运行代码下载 熔丝位的配置。,60,2.6.1 AVR单片机最小系统,图2-10 ATmega16最小系统电路图,61,2.6.1 AVR单片机最小系统,采用了在ATmega16引脚XTAL1和XTAL2上外接由石英晶体和电容组成的谐振回路，并配合片内的OSC（Oscillator）振荡电路构成的振荡源作为系统时钟源。更简单的电路是直接使用片内的4MH
23、z的RC振荡源，这样就可以将C1、C2、R2和4MHz晶体省掉，引脚XTAL1和XTAL2悬空。,62,2.6.2 AVR的复位源和复位方式,ATmega16单片机共有5个复位源，它们是：1.上电复位。外部复位。当外部引脚RESET为低电平，且低电平持续时间大于1.5us时，MCU复位。3.掉电检测（BOD）复位。BOD使能时，且电源电压低于掉电检测复位门限（4.0v或2.7v）时，MCU复位。,63,2.6.2 AVR的复位源和复位方式,4.看门狗复位。WDT使能时，并且WDT超时溢出时，MCU复位。5.JTAG AVR复位。当使用JTAG接口时，可由JTAG口控制MCU复位。,64,1上电
24、复位,AVR内部含有上电复位POR(Power_on Reset)电路.,图2-11 MCU上电复位启动，RESET连到Vcc,65,1上电复位,图2-12 MCU上电复位启动，RESET由外部控制,66,1上电复位,一旦Vcc超过门限电压Vpot，而RESET引脚上的电压也达到VRST时，将启动芯片内部的一个可设置的延时计数器。在延时计数器溢出之前，器件一直保持复位状态（Internal Reset保持高电平）。经过tTOUT时间后，延时计数器溢出，将内部复位信号（Internal Reset）拉低，CPU才开始正式工作。,67,2外部复位,外部复位是由外加在RESET引脚上的低电平产生的。
25、当RESET引脚被拉低至VRST的时间大于1.5s时，即触发复位过程。,图2-13 外部RESET复位,68,2外部复位,当RESET引脚电平高于VRST 时，将启动内部可设置的延时计数器。在延时计数器溢出之前，器件一直保持复位状态（Internal Reset保持高电平）。经过tTOUT 时间后，延时计数器溢出，将内部复位信号（Internal Reset）拉低，CPU才开始正式工作。,69,3掉电检测（BOD）复位,ATmega16有一个片内的BOD（Brown-out Detection）电源检测电路，用于在系统运行时对系统电压VCC的检测，并与一个固定的阈值电压相比较。BOD检测阈值电
26、压可以通过BODLEVEL熔丝位设定为2.7V或4.0V。BOD检测阈值电压有迟滞效应，以避免系统电源的尖峰毛刺误触发BOD检测器。,图2-14 掉电检测BOD复位,70,3掉电检测（BOD）复位,BOD检测电路可以通过编程BODEN熔丝位来设置成有效或者无效。当BOD被设置成有效且VCC电压跌到下阈值电压VBOT-以下时，即触发复位过程，CPU进入复位状态。当VCC回升，而且超过上阈值电压VBOT+后，再经过设定的启动延时时间，CPU重新启动运行。,71,4看门狗复位,ATmega16片内还集成一个独立的看门狗定时器WDT。该WDT由片内独立的1MHz振荡器提供时钟信号，并且可用专用的熔丝位
27、或由用户通过指令控制WDT的启动和关闭，以及设置和清零计数值。当WDT启动计数后，一旦发生计数溢出，它将触发产生一个时钟周期宽度的复位脉冲。,72,4看门狗复位,脉冲的上升沿将使器件进入复位状态，脉冲的下降沿启动延时计数器计数，经过设定的启动延时时间，CPU重新开始运行。使用WDT功能，可以防止系统受到干扰而引起的程序运行紊乱和跑飞，提高了系统的可靠性。,73,4看门狗复位,图2-15 WDT溢出复位,74,2.6.3 对AVR的编程下载,对单片机的编程操作,通常也称为程序下载,是指以特殊手段和软硬件工具,对单片机进行特殊的操作，以实现下面的3种功能：,(1)将在PC机上生成的该单片机系统程序
28、的运行代码写入单片机的程序存储器中。(2)用于对片内的Flash、EEPROM进行擦除、数据的写入（包括运行代码）、和数据的读出。(3)实现对AVR配置熔丝位的设置；芯片型号的读取；加密位的锁定等。,75,2.6.3 对AVR的编程下载,AVR单片机支持多种形式的编程下载方式：高压并行编程方式,这种编程方式需要占用芯片众多的引脚和12V的电压，所以必须采用专用的编程器单独对芯片操作。这样AVR芯片必须从PCB板上取下来，不可以实现芯片在线（板）的编程操作，因此这种方式不适合系统调试过程以及产品的批量生产需要。,76,串行编程方式（ISP）,串行编程方式是通过AVR芯片本身的SPI或JTAG串行
29、口实现的，由于编程时只需要占用比较少的外围引脚，所以可以实现芯片的在线编程（In System Programmable），不需要将芯片从PCB板上取下来，所以串行编程方式也是最方便和最常用的编程方式。,2.6.3 对AVR的编程下载,77,串行编程方式还细分成SPI、JTAG方式:前者表示通过芯片的SPI串口实现对AVR芯片的编程操作，后者则是通过JTAG串口来实现的。AVR的许多芯片都同时集成有SPI和JTAG两种串口，因此可以同时支持SPI和JTAG的编程。,78,2.6.3 对AVR的编程下载,使用JTAG方式编程的优点:通过JTAG口还可以实现系统的在片实时仿真调试（On Chip
30、Debug），缺点是需要占用AVR的4个I/O引脚。采用SPI方式编程，只需要一跟简单的编程电缆，同时可以方便地实现I/O口的共用，因此是最常使用的方式。其不足之处是不能实现系统的在片实时仿真调试。,79,其它编程方式,一些型号的AVR还支持串行高压编程方式和IAP(In Application Programmable)在运行编程方式。串行高压编程是替代并行高压编程的一种方式，主要针对8个引脚的Tiny系列的AVR使用。IAP在运行编程方式则是采用了ATMEL称为自引导加载（Boot Load）技术实现的，往往在一些需要进行远程修改、更新系统程序，或动态改变系统程序的应用中才采用。,80,2
31、.6.3 对AVR的编程下载,ATmega16片内集成了16K字节的支持系统在线可编程（ISP）和在应用可编程（IAP）的Flash程序存储器，以及512个字节的EEPROM数据存储器。另外在它的内部，还有一些专用的可编程单元熔丝位，用于加密锁定和对芯片的配置等。对ATmega16编程下载操作，就是在片外对上述的存储器和熔丝单元进行读/写（烧入）以及擦除的操作。,81,2.6.4 AVR单片机的工作状态,复位状态、常规工作状态、编程状态1.RESET引脚电平为高 AVR处在常规工作状态时，有两种工作方式：正常程序执行工作方式和休眠节电工作方式。1)正常程序执行工作方式,82,2.6.4 AVR
32、单片机的工作状态,正常程序执行工作方式是单片机的基本工作方式。由于硬件的复位操作将程序计数器置为零（PC=$0000），因此程序的执行总是从Flash地址的$0000开始的。对于ATmega16来讲，Flash地址的$0002到$0028是中断向量区,所以真正实际要开始运行的程序代码一般放在从$002A以后的程序地址空间中。标准的做法是在Flash的$0000单元中放置一条转移指令JMP或RJMP，使得CPU在复位重新启动后，首先执行该转移指令，跳过中断向量区，转到执行实际程序的开始处。,83,典型的程序结构如下：,84,2)休眠节电工作方式,休眠节电工作方式是使单片机处于低功耗节电的一种工作
33、方式。当单片机需要处于长时间等待外部触发信号，待有外部触发后才做相应的处理，或每隔一段时间才需要做处理的情况时，可以使用休眠节电工作方式，以减小对电源的消耗。,85,2)休眠节电工作方式,ATmega16有6种不同的休眠模式，每一种模式对应的电源消耗也不同，被唤醒的方式也有多种类型，用户可以根据实际的需要进行选择。休眠节电工作方式对使用电池供电的系统非常重要，AVR提供了更多的休眠模式，更加符合和适应实际的需要。如ATmega16处在掉电休眠模式状态，其本身的电流小于1A。,86,2.RESET引脚电平为低,一旦RESET脚的电平被外部拉低，当满足某些特殊条件后，芯片将进入编程状态。例如，如果
34、芯片带有SPI接口，支持SPI串行编程，则通过以下方式将使芯片进入SPI编程状态：,87,2.RESET引脚电平为低,外部将SPI口的SCK引脚拉低，然后在RESET引脚上施加一个至少为2个系统周期以上低电平脉冲；延时等待20ms后，由外部通过AVR的SPI口向芯片下发允许SPI编程的指令；,88,2.6.5 支持ISP编程的最小系统设计,图2-16 支持ISP编程的最小系统设计,89,增加了一个ISP编程下载口，该口的2、3、4、5脚同芯片SPI接口的MOSI（PB5）、MISO（PB6）、SCK（PB7）和RESET引脚连接。当需要改动AVR的熔丝位配置，或将编译好的运行代码烧入到AVR的,2.6.5 支持ISP编程的最小系统设计,90,2.6.5 支持ISP编程的最小系统设计,Flash ROM中时，就不需要将芯片从PCB板上取下。只要将一根简单的编程线插在该编程下载口上，利用PC机就可以方便地实现上面的操作了。,91,2.6.5 支持ISP编程的最小系统设计,AVR的PB5、PB6、PB7与编程下载口连接，在编程状态时这3个引脚用于下载操作。编程完成拔掉下载线，芯片进入正常工作后，PB5、PB6、PB7仍可作为普通的I/O口或AVR的SPI口使用，受AVR的控制，这是使用SPI口实现ISP功能的优点之一。AVR单片机ISP下载编程软件 AVR_fighter,
