AVR单片机教程新h

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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 1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。 22.1 单片机的基本组成 外部时钟源外部事件计数振荡器和 时序电

2、路CPU中断 控制程序存储 器数据存储 器定时器计 数器总 线 扩 展控制器并行I/O 接口内 部 中 断串行I/O 接口外部中断外部数据/地址总 线操作管理 寄存器内部总线图2-1 典型单片机的基本组成结构32.2 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。42.2 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

3、。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。 52.2 ATmega16单片机的组成 精简指令集 RISC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。62.2 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

4、后以 一个周期执行指令。大大提高了CPU的 运行速度。72.2 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， 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。82.2 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AT90S12

5、00/2313/8515/8535等； (正 在淘汰或转型到Mega中)92.2 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 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 。102.2 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

6、同时要求 高性能和低功耗的现代化应用而开发的 。112.2.1 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122.2.1 AVR单片机的内核结构图 2-2 AVR单片机的内核结构示意图1332个8位通用工作寄存器中，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 142

7、.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。 配备只需要2个时钟周期的硬件乘法器 。 152.2.2 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

8、据存储器（擦写次数10万次 ）；162.2.2 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、 EEPROM、配置熔丝位和锁定加密位 实现下载编程； 172.2.2 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），

9、 对FLASH等器件进行编程。 182.2.2 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路10位ADC；19 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

10、同步/异步串 行接收/发送器) ；2.2.2 ATmega16的特点202.2.2 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WDT(Watchdog Timer) ；212.2.2 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

11、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；222.2.2 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：ATmega16L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 。232.2.3 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

12、（贴片形式）。其外部引脚封 装如图2-3所示。 242.2.3 外部引脚与封装图2-3 ATmage16 外部引脚与封装示意图252.2.3 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。不使用ADC时，直接连接 到电源正极。262.2.3 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

13、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）。272.2.3 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 282.3 ATmega16单片机的内部结构 图2-4 ATmage16 的结构框图2930

14、312.3 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 。322.3.1 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 、指令寄存器、指令译码器。33图2-5 通用工作寄存器组在RAM空间的地址分配图 342.3.2 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ATmeg

15、a16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；352.3.2 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).362.3.2 系统时钟部件图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 372.3.3 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）。 382.3.3 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，对其的 读写操作都以字节为单位。 392.3.4 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