[转]AVR单片机入门 - L-liwen - 博客园

ATMEL公司有基于8051内核、基于AVR内核和基于ARM内核的三大系列单片机产品。

先进的EEPROM电可擦除和Flash ROM闪速存储器技术。

8051单片机采用复杂指令系统：CISC；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；AVR单片机采用精简指令系统：RISC；RISC采用流水线操作(Pipelining)，和等长指令体系结构。

AVR单片机吸取了PIC及8051等单片机的优点，改进：

1、程序存储器为价格低廉、可擦写1万次以上、指令长度单元为16位(字)的FlashROM（即程序存储器宽度为16位，按8位字节计算时应乘2）。而数据存贮器为8位。因此AVR还是属于8位单片机。

2、采用CMOS技术和RISC架构，实现高速(50ns)、低功耗(μA)、具有SLEEP(休眠)功能。AVR的一条指令执行速度可达50ns(20MHz)，而耗电则在1uA～2.5mA间。AVR采用Harvard结构，以及一级流水线的预取指令功能，即对程序的读取和数据的操作使用不同的数据总线，因此，当执行某一指令时，下一指令被预先从程序存储器中取出，这使得指令可以在每一个时钟周期内被执行。

3、工业级产品。具有大电流10～20mA(输出电流)或40mA(吸电流)的特点，可直接驱动LED、SSR或继电器。有看门狗定时器(WDT)安全保护，可防止程序走飞，提高产品的抗干扰能力。

4、通用数字I/O口的输入输出特性与PIC的HI/LOW输出及三态高阻抗HI-Z输入类同，同时可设定类同与8051结构内部有上拉电阻的输入端功能，便于作为各种应用特性所需(多功能I/O口)，AVR的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口的输入/输出的真实情况。

5、像8051一样，有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断，而不是像PIC一样所有中断都在同一向量地址，需要以程序判别后才可响应，这会浪费且失去控制时机的最隹机会。

单片机结构：

 

AVR单片机特点（ATmega16）：

1、131条机器指令，且大多数指令的执行时间为单个系统时钟周期；

2、32个8位通用工作寄存器；

3、工作在16MHz时具有16MIPS的性能；

4、配备只需要2个时钟周期的硬件乘法器。

IO口：

四个端口的第一功能是通用的双向数字输入/输出（I/O）口，其中每一位都可以由指令设置为独立的输入口，或输出口。当I/O设置为输入时，引脚内部还配置有上拉电阻，这个内部的上拉电阻可通过编程设置为上拉有效或上拉无效。
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。而早期单片机I/O口的驱动能力只有5mA，驱动LED时，还需要增加外部的驱动电路和器件。
芯片Reset复位后，所有I/O口的缺省状态为输入方式，上拉电阻无效，即I/O为输入高阻的三态状态。

系统时钟：

ATmega16的片内含有4种频率（1/2/4/8M）的RC振荡源，可直接作为系统的工作时钟使用。同时片内还设有一个由反向放大器所构成的OSC（Oscillator）振荡电路，外围引脚XTAL1和XTAL2分别为OSC振荡电路的输入端和输出端，用于外接石英晶体等，构成高精度的或其它标称频率的系统时钟系统。

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1/2/4/8M的RC振荡源；（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；（3）直接使用外部的时钟源输出的脉冲信号。方式2和方式3的电路连接见图2-6(a)和2-6(b)。

内部看门狗：

在AVR片内还集成了一个1MHz独立的时钟电路，它仅供片内的看门狗定时器（WDT）使用。因此，AVR片内的WDT是独立硬件形式的看门狗，使用AVR可以省掉外部的WDT芯片。使用WDT可以有效的提高系统的可靠行。

 工作流程：

AVR CPU的工作是由系统时钟直接驱动的，在片内不再进行分频。图2-7所示为Harvard结构和快速访问寄存器组的并行指令存取和指令执行时序。CPU在启动后第一个时钟周期T1取出第一条指令，在T2周期便执行取出的指令，并同时又取出第二条指令，依次进行。这种基于流水线形式的取指方式，使AVR可以以非常高的速度执行指令，获得高达1MIPS／MHz的效率。

存储器：

            

  

 

 所有的I/O寄存器可以通过IN(I/O口输入)和OUT(输出到I/O口)指令访问，这些指令是在32个通用寄存器与I/O寄存器空间之间传输交换数据，指令周期为1个时钟周期。此外，I/O寄存器地址范围在$00-$1F之间的寄存器（前32个）还可通过指令实现bit位操作和bit位判断跳转。SBI(I/O寄存器中指定位置1)和CBI(I/O寄存器中指定位清零)指令可直接对I/O寄存器中的每一位进行位操作。使用SBIS(I/O寄存器中指定位为1跳行)和SBIC(I/O寄存器中指定位为0跳行)指令能够对这些I/O寄存器中的每一位的值进行检验判断，实现跳过一条指令执行下一条指令的跳转。

在I/O寄存器专用指令IN、OUT、SBI、CBI、SBIS和SBIC中使用I/O寄存器地址$OO～$3F。
当以SRAM方式寻址I/0寄存器时，必须将该其地址加上$0020，映射成在数据存储器空间的地址。

两个重要的寄存器：状态寄存器SREG和堆栈指针寄存器SP

 

堆栈是数据结构中所使用的专用名词，它是由一块连续的SRAM空间和一个堆栈指针寄存器组成，主要应用于快速便捷的保存临时数据、局部变量和中断调用或子程序调用的返回地址。堆栈在系统程序的设计和运行中起者非常重要的作用，只要程序中使用了中断和子程序调用，就必须正确的设置堆栈指针寄存器SP，在SRAM空间建立堆栈区。

处在I/O地址空间的$3E($005E)和$3D($005D)的两个8位寄存器构成了AVR单片机的16位堆栈指针寄存器SP。AVR单片机复位后堆栈寄存器的初始值为SPH=$00、SPL=$00，因此建议用户程序必须首先对堆栈指针寄存器SP进行初始化设置。

AVR的堆栈区是建立在SRAM空间的，16位的SP寄存器可以寻址的空间为64K。

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。

对于具体的ATmega16芯片，堆栈指针必须指向高于$0060的SRAM 地址空间，因为低于$0060的区域为寄存器空间。ATmega16片内集成有1K的SRAM，不支持外部扩展SRAM，所以堆栈指针寄存器SP的初始值应设在SRAM的最高端：$045F处。

根据上面所讲述，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。

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。

 

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作者：L-liwen
来源：CNBLOGS
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