AVR單片機

1997年，由ATMEL公司挪威設計中心的A先生與V先生利用ATMEL公司的Flash新技術，共同研發出RISC精簡指令集的高速8位單片機，簡稱AVR。

RISC 優先選取使用頻率最高的簡單指令，避免複雜指令：並固定指令寬度，減少指令格式和定址方式的種類，從而縮短指令周期，提高運行速度。由於 AVR 採用了 RISC 的這種結構，使AVR系列單片機都具備了1MIPS/MHz（百萬條指令每秒/兆赫茲）的高速處理能力。

早期單片機主要由於工藝及設計水平不高、功耗高和抗干擾性能差等原因，所以採取穩妥方案：即採用較高的分頻係數對時鐘分頻，使得指令周期長，執行速度慢。以後的CMOS單片機雖然採用提高時鐘頻率和縮小分頻係數等措施，但這種狀態並未被徹底改觀(51以及51兼容)。此間雖有某些精簡指令集單片機(RISC)問世，但依然沿襲對時鐘分頻的作法。

AVR單片機的推出，徹底打破這種舊設計格局，廢除了機器周期，拋棄複雜指令計算機(CISC)追求指令完備的做法；採用精簡指令集，以字作為指令長度單位，將內容豐富的操作數與操作碼安排在一字之中(指令集中佔大多數的單周期指令都是如此)，取指周期短，又可預取指令，實現流水作業，故可高速執行指令。當然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其後盾的。

AVR單片機硬體結構採取8位機與16位機的折中策略，即採用局部寄存器存堆(32個寄存器文件)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控制邏輯)。提高了指令執行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶頸現象，增強了功能；同時又減少了對外設管理的開銷，相對簡化了硬體結構，降低了成本。故AVR單片機在軟/硬體開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優化平衡，是高性價比的單片機。

AVR單片機內嵌高質量的Flash程序存儲器，擦寫方便，支持ISP和IAP，便於產品的調試、開發、生產、更新。內嵌長壽命的EEProm可長期保存關鍵數據，避免斷電丟失。片內大容量的RAM不僅能滿足一般場合的使用，同時也更有效的支持使用高級語言開發系統程序，並可像MCS-51單片機那樣擴展外部RAM。

AVR單片機的I/O線全部帶可設置的上拉電阻、可單獨設定為輸入/輸出、可設定（初始）高阻輸入、驅動能力強（可省去功率驅動器件）等特性，使的得I/O口資源靈活、功能強大、可充分利用。

AVR單片機片內具備多種獨立的時鐘分頻器，分別供URAT、I2C、SPI使用。其中與8/16位定時器配合的具有多達10位的預分頻器，可通過軟體設定分頻係數提供多種檔次的定時時間。

AVR單片機獨有的“以定時器/計數器（單）雙向計數形成三角波，再與輸出比較匹配寄存器配合，生成占空比可變、頻率可變、相位可變方波的設計方法(即脈寬調製輸出PWM)更是令人耳目一新。

增強性的高速同/非同步串口，具有硬體產生校驗碼、硬體檢測和校驗偵錯、兩級接收緩衝、波特率自動調整定位（接收時）、屏蔽數據幀等功能，提高了通信的可靠性，方便程序編寫，更便於組成分散式網路和實現多機通信系統的複雜應用，串口功能大大超過MCS-51/96單片機的串口，加之AVR單片機高速，中斷服務時間短，故可實現高波特率通訊。

面向位元組的高速硬體串列介面TWI、SPI。TWI與I2C介面兼容，具備ACK信號硬體發送與識別、地址識別、匯流排仲裁等功能，能實現主/從機的收/發全部4種組合的多機通信。SPI支持主/從機等4種組合的多機通信。

AVR單片機有自動上電複位電路、獨立的看門狗電路、低電壓檢測電路BOD，多個複位源(自動上下電複位、外部複位、看門狗複位、BOD複位)，可設置的啟動后延時運行程序，增強了嵌入式系統的可靠性。

AVR單片機具有多種省電休眠模式，且可寬電壓運行（5-2.7V），抗干擾能力強，可降低一般8位機中的軟體抗干擾設計工作量和硬體的使用量。

AVR系列單片機的選型

AVR單片機系列齊全，可適用於各種不同場合的要求。

AVR單片機有3個檔次：

低檔Tiny系列：主要有Tiny11/12/13/15/26/28等；

中檔AT90S系列：主要有AT90S1200/2313/8515/8535等；(正在淘汰或轉型到Mega中)

高檔ATmega：主要有ATmega8/16/32/64/128（存儲容量為8/16/32/64/128KB）以及ATmega8515/8535等。

AVR器件引腳從8腳到64腳，還有各種不同封裝供選擇。

高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位，一直是衡量單片機性能的重要指標，也是單片機佔領市場、賴以生存的必要條件。

與其它8-Bit MCU相比，AVR 8-Bit MCU最大的特點是：

1.哈佛結構，具備1MIPS / MHz的高速運行處理能力；

2.超功能精簡指令集（RISC），具有32個通用工作寄存器，克服了如8051 MCU採用單一ACC進行處理造成的瓶頸現象；

3.特別適用於使用高級語言進行開發；

4.作輸出時與PIC的HI/LOW相同，可輸出40mA（單一輸出），作輸入時可設置為三態高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入，具備10mA-20mA灌電流的能力；

5.片內集成多種頻率的RC振蕩器、上電自動複位、看門狗、啟動延時等功能，外圍電路更加簡單，系統更加穩定可靠；

6.大部分AVR片上資源豐富：帶E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等；

7.方便升級或銷毀應用程序。

⒈型號緊跟的字母，表示電壓工作範圍。帶“V”：1.8-5.5V；若預設，不帶“V”：2.7-5.5V。

例：ATmega48-20AU，不帶“V”表示工作電壓為2.7-5.5V。

⒉後綴的數字部分，表示支持的最高系統時鐘。

例：ATmega48-20AU，“20”表示可支持最高為20MHZ的系統時鐘。

⒊後綴第一（第二）個字母，表示封裝。“P”：DIP封裝，“A”：TQFP封裝，“M”：MLF封裝。

例：ATmega48-20AU，“A”表示TQFP封裝。

⒋後綴最後一個字母，表示應用級別。“C”：商業級，“I”：工業級（有鉛）、“U”工業級（無鉛）。

例：ATmega48-20AU，“U”表示無鉛工業級。ATmega48-20AI，“I”表示有鉛工業級。

USB介面以其數據傳輸快、連接簡單、易於擴展、支持熱插拔等特點已成為外設與PC通信的主要方式之一。隨著嵌入式系統的發展，嵌入式微處理器需增加通用的USB介面，以便實現與PC等USB主機系統的通信。針對這樣的需求，這裡採用PHILIPS公司的USB介面器件PDIUSBD12和Atmel公司的AVR系列單片機ATmega8設計一種通用的USB介面模塊。該模塊可方便為各種嵌入式微處理器增加USB介面，從而實現與USB主機系統的高速通信。

該系統模塊的控制核心是AVR高速單片機ATmega8。AVR單片機是新一代基於哈佛結構的高速RISC微控制器，具有速度快、價格低、可靠性高，I/O口線驅動能力強和片內集成外設資源豐富等特點，其內部集成有可進行ISP下載編程的Flash，EEPROM、熔絲位和鎖定位。AVR單片機的ISP下載電纜製作簡單、成本低廉，還有免費的下載軟體（例如PonyProg）支持。PDIUSBD12是一款高性價比USB介面器件，完全符合USB1.l規範，易於與各種微處理器介面。

系統模塊AVR單片機與PDIUSBD12的電路連接如圖1所示。

由圖1看出，由於AVR單片機具有高速性，可利用I/O埠線以軟體方式模擬PDIUSBD12的時序，對其讀寫。這種方式可根據不同的微處理器速度靈活控制PDIUSBD12的時序和地址，無需解碼電路，從而簡化硬體設計，降低成本。

由於ATmega8片內集成了UART，SPI，I2C等介面，該介面模塊可利用這些介面與其他系統通信，使得該介面模塊成為通用的介面轉換器。其系統硬體結構框圖如圖2所示。

USB固件程序設計

本系統模塊的USB固件程序採用符合ANSI C標準的GCC編譯器設計，結合分層次的模塊化結構，可移植性強，只需稍微修改硬體介面層即可將其移植到別的硬體平台，可重複利用代碼。USB固件程序設計是基於狀態機和標準的前後台式程序架構。整個同件程序的模塊化層次結構如圖3所示。首先編寫硬體介面層hal.c和PDIUSBD12器件的命令介面層，以供上層模塊調用。硬體介面層含有對PDIUSBD12寫指令和讀寫數據的函數，以供上層模塊調用。當CPU不同時，只需修改這些函數即可。由於CPU訪問PDIUS-BD12與普通存儲器一樣，只需根據硬體連接關係，在硬體抽象層中編寫對PDIUSBD12寫指令、寫讀數據的函數，供上層調用即可。實現PDIUSBD12的命令介面層需調用硬體抽象層函數，供上層模塊調用。再設計前後台程序及標準設備請求程序模塊。

• 性價比：AVR大部分型號的性價比較高，性價比表現突出的型號有：atmega48、atmega8、atmega16、atmega169P。

• 供貨方面：通用型號的AVR供貨較為穩定，非常規型號的AVR樣品及供貨仍存在問題。

• 市場佔有率：AVR的市場佔有率還是不如PIC與51，但AVR的優點使得AVR的市場佔有一直在擴展，AVR的年用量也一直在上漲。

AVR已被廣泛用於：

• 空調控制板

• 印表機控制板

•智能電錶

• 智能手電筒

• LED控制屏

• 醫療設備

• GPS

寫用PORTx,讀取用PINx

實驗時，盡量不要把管腳直接接到GND/VCC,當設定不當，IO口將會輸出/灌入 80mA(Vcc=5V)的大電流，導致器件損壞。

作輸入時：

1通常要使能內部上拉電阻，懸空(高阻態)將會很容易受干擾。(表面看好像是51的抗干擾能力強，是因為51永遠有內部電阻上拉，)

2盡量不要讓輸入懸空或模擬輸入電平接近VCC/2，將會消耗太多的電流，特別是低功耗應用場合------CMOS電路的特點

3讀取軟體賦予的引腳電平時需要在賦值指令out 和讀取指令in 之間有一個時鐘周期的間隔，如nop 指令。

4功能模塊(中斷，定時器)的輸入可以是低電平觸發，也可以是上升沿觸發或下降沿觸發。

5用於高阻模擬信號輸入，切記不要使能內部上拉電阻，影響精確度。例如ADC數模轉換器輸入，模擬比較器輸入

作輸出時：

採用必要的限流措施，例如驅動LED要串入限流電阻

複位時：

複位時內部上拉電阻將被禁用。如果應用中(例如電機控制)需要嚴格的電平控制，請使用外接電阻固定電平

休眠時：

作輸出的，依然維持狀態不變

作輸入的，一般無效，但如果使能了第二功能(中斷使能)，其輸入功能有效。例如 外部中斷的喚醒功能。