avr基本原理与应用

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1、- 1 -,第2章,AVR基本原理及应用,- 2 -,本章目标, 了解ATmega16的特点、外部引脚 理解ATmega16的存储器映像 了解AVR熔丝位作用 掌握ATmega16通用I/O口的配置和使用 掌握ATmega16中断的配置和使用 掌握ATmega16定时器的配置和使用 掌握USART和SPI的配置和使用,- 3 -,2.2 通用I/O接口,2.3 中断系统,2.4 定时器,2.5 USART,2.6 SPI,- 4 -,2.1 ATmega16概述,ATmega16是一款中档功能的AVR单片机,较全面地体现了AVR的特点,不仅适合对AVR的入门学习，也满足一般应用,AVR的3大系

2、列：tinyAVR、megaAVR和XMEGA,- 5 -,2.1 ATmega16概述,ATmega16特点 ATmega16外部引脚 ATmega16结构 系统时钟与熔丝位 复位源与复位方式,- 6 -,2.1.1 ATmega16特点,采用先进RISC结构的AVR内核，大多数指令的执行时间为单个指令周期； 片内含16KB的Flash程序存储器、1KB的SRAM数据存储器及512字节EEPROM数 据存储器； 片内含JTAG接口，支持扩展的片内ISP调试功能，可实现对片内Flash、EEPROM、 熔丝位配置等的下载编程； 丰富的外围接口：3个定时/计数器接口、模拟比较器和模数转换器接口、

3、面向字节 的两线接口TWI（兼容IIC硬件接口），1个USART和1个SPI串行接口等； 宽电压：ATmega16L为2.75.5V，ATmega16为4.55.5V，ATmega16A为 2.75.5V； 高速度：ATmega16L为08MHz，ATmega16为016MHz，ATmega16A为 016MHz； 低功耗：ATmega16L工作在1MHz、3V、25度时的典型功耗：正常模式为1.1mA， 空间模式为0.35mA，掉电模式为1 A。 多达21种类型的内外部中断源； 片内含上电复位电路以及可编程的掉电检测复位电路BOD； 片内含有1/2/4/8MHz经过标定的、可校正的RC振荡器

4、，可作为系统时钟使用； 有6种休眠模式支持节电方式工作。,ATmega16功能丰富、性能较高，具有下述主要特点：,- 7 -,本教材配套开发板采用的单片机型号是ATmega16A ATmega16A电压范围更宽，速度更快，同时功耗更低 基本结构及功能与ATmega16和ATmega16L相同 在后续的讲解中，以ATmega16为例讲解相关结构及原理,注意：,2.1.1 ATmega16特点,- 8 -,ATmega16有3种典型的封装形式：,2.1.2 ATmega16外部引脚,PDIP-40（双列直插） TQFP-44（方形） MLF-44（贴片形式）,双列直插,方形/贴片,- 9 -,2.

5、1.2 ATmega16外部引脚,引脚分类：特殊功能引脚和I/O引脚 特殊功能引脚主要包括： 电源引脚 系统晶振引脚 芯片复位引脚 I/O引脚：4个8位端口PA，PB，PC，PD,- 10 -,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。不使用ADC时，直接 连接到电源正极；使用ADC时，应通过一个低通电源滤波器与Vcc相连。 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。,1）电源引脚,2.1.2 ATmega16外部引脚特殊功能引脚,电源引脚包括Vcc、AVcc、AR

6、EF和GND，其功能分别概括如下：,- 11 -,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。,2）系统晶振引脚,2.1.2 ATmega16外部引脚特殊功能引脚,系统晶振引脚为XTAL2和XTAL1，其功能分别概括如下：,3）芯片复位引脚,复位引脚为RESET引脚，其主要功能是引起芯片的硬件复位，其具体做法为在该引脚上施加一个最小脉冲宽度为1.5s的低电平。,- 12 -,ATmega16的I/O引脚有4个8位端口，分成PA，PB，PC和PD，全部是 可编程控制的双（多）功能复用的I/O引脚。 4个端口的第一功能均是通用双向数字输入/输

7、出（I/O）口，每一位都可 以由指令设置为独立的输入或输出口。 除了作为通用输入/输出引脚外，每个I/O引脚还具有第二功能，芯片引 脚图中括号内的名称即代表其第二功能，需通过设置相应的寄存器使能 位开启。 默认情况下，按第一功能处理。,2.1.2 ATmega16外部引脚I/O引脚,- 13 -,当I/O口设置为输入方式时，引脚内部还配置有上拉电阻，可通过编程 设置为上拉有效或上拉无效。 芯片RESET复位后，所有I/O口的默认状态为输入方式，上拉电阻无 效，即I/O为输入三态高阻状态。 当I/O口设置为输出方式时，在5V工作电压下，若其输出为高电平，可 以输出20mA的电流；若其输出为低电平

8、，最大可以吸收40mA的电流。,2.1.2 ATmega16外部引脚I/O引脚,对各引脚第一功能作如下说明：,- 14 -,ATmega16主要构成：,2.1.3 ATmega16结构,AVR CPU（内核） 存储器（Flash、SRAM、EEPROM） 各种功能的外围和I/O接口 相关的数据、控制和状态寄存器,- 15 -,AVR内核是ATmega16的核心部分，由算术逻辑单元ALU、程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器和32个8位通用寄存器组成。,2.1.3 ATmega16结构内核结构,ATmega16的32个8位通用寄存器R0R31构成一个“快速访问通用寄存器组”，访问时间为1个时钟

9、周期,- 16 -,ATmega16的存储器结构包括： Flash程序存储器 SRAM数据存储器 EEPROM数据存储器 这3个存储器空间相互独立，物理结构也不同,2.1.3 ATmega16结构存储器结构,- 17 -,1）Flash程序存储器,2.1.3 ATmega16结构存储器结构,ATmega16具有16K8或8K16的支持ISP的Flash存储器 用于存放程序指令代码 以16位（字）为一个存储单元 作为数据读取时，以字节为单位 地址空间为0x0000-0x1FFF,- 18 -,2）SRAM数据存储器,2.1.3 ATmega16结构存储器结构,ATmega16共有1120个数据存

10、储器，包含片内SRAM，及映射到数据存储器空间的32个8位通用寄存器和64个8位I/O寄存器，均以8位（字节）为一个存储单元。其中： 32个通用寄存器：映射到数据存储器空间的地址为0x00000x001F。 64个I/O寄存器：I/O空间地址为0x000x3F，映射到数据存储器空间的地 址为0x00200x005F，其寄存器空间分配表详见附录1。 片内SRAM：数据存储器空间地址为0x00600x045F。,- 19 -,3）EEPROM数据存储器,2.1.3 ATmega16结构存储器结构,ATmega16包含512字节的EEPROM数据存储器 EEPROM用于保存系统的设定参数、固定表格和

11、掉电后的数据等 可以提高系统的保密性 以8位（字节）为一个存储单元 地址范围为0x00000x01FF 按字节读写,- 20 -,SREG是一个8位状态寄存器 用来存放指令执行后的有关状态和结果的标志 SREG的每一位状态标志位均代表不同的含义，其状态通常是在程序执行 中自动形成的，也可根据需要人为修改 SREG在I/O空间的地址为0x3F（0x005F）,2.1.3 ATmega16结构SREG,I：全局中断使能位。I位置1时，使能全局中断，CPU可以响应中断请求；I位清0时，全局中断禁止，CPU不响应任何中断要求。,- 21 -,2.1.4 系统时钟与熔丝位系统时钟,系统时钟为控制器提供时

12、钟脉冲，是控制器的心脏 系统时钟频率越高，单片机的执行节拍越快，处理速度也 越快 ATmega16的最高工作频率为16MHz,- 22 -,2.1.4 系统时钟与熔丝位系统时钟,ATmega16的系统时钟源可以选择下述3种方式提供： 直接使用片内的1/2/4/8MHz的RC振荡源。由于RC振荡源本身的频 率与标称值有较大的误差，而且受温度变化影响较大，会影响系统 稳定性，实际中较少使用。 在引脚XTAL1和XTAL2上外接由晶振和电容构成的谐振电路，配合 片内的OSC振荡电路构成的振荡源。可提供016MHz的频率，灵活 性高，精度和稳定度也高。是常用的系统时钟驱动方式。 直接使用外部的时钟源输

13、出的脉冲信号。 本教材的开发板采用7.3728MHz的外部晶振作为系统时钟源,- 23 -,AVR单片机中有一组专用的与芯片功能、特性、参数配置相关的可编 程熔丝位。 其中，几个专门的熔丝位用于配置芯片要使用的系统时钟源的类型。 AVR的熔丝位有0和1两种状态。 0：允许编程。 1：禁止编程。 熔丝位的配置（编程）可以通过并行方式、ISP串行方式和JTAG串行 方式实现，可多次编程。 ATmega16出厂时的缺省配置为使用内部1MHz的RC振荡源作为系统 时钟。因此，在第一次使用前，必须先正确配置熔丝位，使其与使用 的系统源类型相匹配。,2.1.4 系统时钟与熔丝位熔丝位及配置,- 24 -,

14、复位是单片机芯片本身的硬件初始化操作 复位的主要功能是把程序计数器的PC初始化为0x0000，使单片机从 0x0000单元开始执行程序，同时绝大部分的寄存器（通用寄存器和 I/O寄存器）也被复位操作清0。,2.1.5 复位源与复位方式,- 25 -,系统上电复位。ATmega16内部含上电复位电路，当系统电源电压Vcc 低于上电复位门限电平时，单片机复位。 外部复位。由外加在RESET引脚上的低电平产生的。当RESET引脚为 拉至低电平且低电平持续时间大于1.5us时，单片机复位。 掉电检测复位。ATmega16有一个片内BOD（电源检测）电路，用于 对运行中的系统电压Vcc检测。当BOD使能

15、，且Vcc低于掉电检测复位 门限（4V或2.7V，通过熔丝位设置）时，单片机复位。 看门狗复位。ATmega16内部集成了一个看门狗定时器WDT。当WDT 使能且WDT超时溢出时，单片机复位。 JTAG复位。当使用JTAG接口时，可由JTAG口控制单片机复位。,2.1.5 复位源与复位方式,ATmega16的5种复位方式：,- 26 -,2.2 通用I/O口,ATmega16有4组8位的通用I/O接口，分别是PORTA，PORTB，PORTC，PORTD（简称PA，PB，PC，PD），对应芯片上的32个I/O引脚。 其第一功能可作为数字通用I/O接口使用，而复用功能可分别用于中断、定时/计数器

16、等应用。,- 27 -,2.2 通用I/O口,基本结构 寄存器 通用I/O编程,- 28 -,2.2.1 基本结构,通用I/O口的工作方式和表现特征由I/O寄存器来控制 每组通用I/O口都配备有3个8位寄存器： （其中n表示A，B，C，D） 方向控制寄存器DDRn：控制I/O口的输入输出方向 数据寄存器PORTn：决定输出电平 输入引脚寄存器PINn 所有的端口引脚都有上拉电阻，可使I/O引脚保持高电平，防止外界干 扰影响电平变化,- 29 -,2.2.1 基本结构,当设置为输出（DDRn=1）时：内部上拉电阻无效，此时PORTn中的数据通过一个推挽电路输出到外部引脚。当PORTn=1时，IO引脚呈现高电平，同时可以输出20mA的电流；而当PORTn=0时，IO引脚呈现低电平，同时可以吸纳20mA的电流。 当设置为输入（DDRn=0）时：读取外部引脚电平时应读取PINn的值，读得的值即为外部引脚上的真实电平。在该方式下，PORTn可以控