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AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践》.pdf

AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践》

daiwei
2009-09-10 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践》pdf》,可适用于IT/计算机领域

基于AVR的单片嵌入式系统原理与实践应用第章单片嵌入式系统概述在各种不同类型的嵌入式系统中以单片微控制器(Microcontroller)作为系统的主要控制核心所构成的单片嵌入式系统(国内通常称为单片机系统)占据着非常重要的地位。本书将介绍以AVR系列单片微控制器为核心的单片嵌入式系统的原理、硬软件设计、调试等应用方法。单片嵌入式系统的硬件基本构成可分成两大部分:单片微控制器芯片和外围的接口与控制电路。其中单片微控制器是构成单片嵌入式系统的核心。单片微控制器又被称为单片微型计算机(SingleChipMicrocomputre或OneChipMicrocomputre)或者嵌入式微控制器(EmbeddedMicrocontroller)。而在国内普遍采用的名字为“单片机”。尽管单片机的“机”的含义并不十分恰当比较模糊但考虑到多年来国内习惯了单片机的叫法为了符合我国的实际情况本书仍采用单片机的名称。所谓的单片微控制器-即单片机它的外表通常只是一片大规模集成电路芯片。但在芯片的内部却集成了中央处理器单元(CPU)各种存储器(RAM、ROM、EPROM、EPROM和FlashROM等)各种输入输出接口(定时器计数器、并行IO、串行IO以及AD转换接口等)等众多的功能部件。因此一片芯片就构成了一个基本的微型计算机系统。由于单片机芯片的微小体积极低的成本和面向控制的设计使的它作为智能控制的核心器件被广泛地应用于嵌入到工业控制、智能仪器仪表、家用电器、电子通信产品等各个领域中的电子设备和电子产品中。可以说由单片机为核心构成的单片嵌入式系统已成为现代电子系统中最重要的组成部分。嵌入式系统简介嵌入式计算机系统计算机的出现首先是应用于数值计算。随着计算机技术的不断发展计算机的处理速度越来越快存储容量越来越大外围设备的性能越来越好满足了高速数值计算和海量数据处理的需要形成了高性能的通用计算机系统。什么是嵌入式系统以往我们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域将其分为大型计算机、中型机、小型机和微型计算机并以此来组织学科和产业分工这种分类沿袭了约年。近年来随着计算机技术的迅速发展以及计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透使得以应用为中心的分类方法变得更为切合实际。具体的说就是按计算机的非嵌入式应用和嵌入式应用将其分为通用计算机系统和嵌入式计算机系统。通用计算机具有计算机的标准形态通过装配不同的应用软件以类同面目出现并应用在社会的各个方面。现在我们在办公室里、家庭中最广泛普及使用的PC机就是通用计算机其最典型的代表。而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中的。在许多的应用领域中如工业控制、智能仪器仪表、家用电器、电子通信设备等电子系统和电子产品中对计算机的应用有着不同的要求。这些要求的主要特征为:()面对控制对象。面对物理量传感器变换的信号输入面对人机交互的操作控制面对对象的伺服驱动和控制。华东师范大学电子科学技术系马潮第章单片嵌入式系统概述()嵌入到应用系统。体积小、低功耗、价格低廉可方便地嵌入到应用系统和电子产品中。()能在工业现场环境中可靠运行。()优良的控制功能。对外部的各种模拟和数字信号能及时地捕捉对多种不同的控制对象能灵活地进行实时控制。可以看出满足上述要求的计算机系统与通用计算机系统是不同的。换句话讲能够满足和适合以上这些应用的计算机系统与通用计算机系统在应用目标上有巨大的差异。我们将具备高速计算能力和海量存储用于高速数值计算和海量数据处理的计算机称为通用计算机系统。而将面对工控领域对象嵌入到各种控制应用系统、各类电子系统和电子产品中实现嵌入式应用的计算机系统称之为嵌入式计算机系统简称嵌入式系统(EmbeddedSystem)。特定的环境、特定的功能要求计算机系统与所嵌入的应用环境成为一个统一的整体并且往往要满足紧凑、高可靠性、实时性好、低功耗等技术要求。对于这样一种面向具体专用应用目标的计算机系统的应用以及系统的设计方法和开发技术构成了今天嵌入式系统的重要内涵也是嵌入式系统发展成为一个相对独立的计算机研究和学习领域的原因。嵌入式系统的特点与应用因此嵌入式系统就是指用于实现独立功能的专用计算机系统。它由包括微处理器、微控制器、定时器、传感器等一系列微电子芯片与器件以及嵌入在存储器中的微型操作系统或控制系统软件组成完成诸如实时控制、监测管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。嵌入式系统是以应用为核心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、安全性、成本、体积、重量、功耗、环境等方面有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统将应用程序和操作系统与计算机硬件集成在一起简单讲就是系统的应用软件与系统的硬件一体化。这种系统具有软件代码小高度自动化响应速度快等特点特别适应与面向对象的要求实时的和多任务的应用。嵌入式计算机系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机系统一台通用计算机系统如PC机的外部设备中就包含了个嵌入式系统:键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。通用计算机系统和嵌入式计算机系统形成了计算机技术的两大分支。与通用计算机系统相比嵌入式系统最显著的特性是面对工控领域的测控对象。工控领域的测量对象都是一些物理量如压力、温度、速度、位移等控制对象则包括马达、电磁开关等。嵌入式计算机系统对这些参量的采集、处理、控制速度是有限的而对控制方式和能力的要求则是多种多样的。显然这一特性形成并决定了嵌入式计算机系统和通用计算机系统在系统结构、技术、学习、开发和应用等诸方面的差别也使得嵌入式系统成为计算机技术发展中的一个重要分支。嵌入式计算机系统以其独特的结构和性能越来越多地应用的国民经济的各个领域。单片嵌入式系统嵌入式计算机系统的构成根据其核心控制部分的不同可分为几种不同的类型:a各种类型的工控机华东师范大学电子科学技术系马潮基于AVR的单片嵌入式系统原理与实践应用b可编程逻辑控制器PLCc以通用微处理器或数字信号处理器构成的嵌入式系统d单片嵌入式系统采用上述不同类型的核心控制部件所构成的系统都实现了嵌入式系统的应用成为嵌入式系统应用的庞大家族。以单片机作为控制核心的单片嵌入式系统大部分应用于专业性极强的工业控制系统中。其主要特点是:结构和功能相对单一、存储容量较小、计算能力和效率比较低简单的用户接口。由于这种嵌入式系统功能专一可靠、价格便宜因此在工业控制、电子智能仪器设备等领域有着广泛的应用。作为单片嵌入式系统的核心控制部件单片机它从体系结构到指令系统都是按照嵌入式系统的应用特点专门设计的它能最好地满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行和优良的控制功能要求。因此单片嵌入式应用是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统也有着广泛的应用前景。由于单片机具有嵌入式系统应用的专用体系结构和指令系统因此在其基本体系结构上可衍生出能满足各种不同应用系统要求的系统和产品。用户可根据应用系统的各种不同要求和功能选择最佳型号的单片机。作为一个典型的嵌入式系统――单片嵌入式系统在我国大规模应用已有几十年的历史。它不但是在中、小型工控领域、智能仪器仪表、家用电器、电子通信设备和电子系统中最重要的工具和最普遍的应用手段同时正是由于单片嵌入式系统的广泛应用和不断发展也大大推动了嵌入式系统技术的快速发展。因此对于电子、通信、工业控制、智能仪器仪表等相关专业的学生来讲深入学习和掌握单片嵌入式系统的原理与应用不仅能对自己所学的基础知识进行检验而且能够培养和锻炼自己的问题分析、综合应用、和动手实践的能力掌握真正的专业技能和应用技术。同时深入学习和掌握单片嵌入式系统的原理与应用也为更好的掌握其它嵌入式系统的打下重要的基础这个特点尤其表现在硬件设计方面。单片机的发展历史年微型计算机研制成功后随后就出现了单片机。美国Inter公司在年推出了位单片机年推出了雏形位单片机。特别是在年推出MCS单片机以后的三十年中单片机的发展和其相关的技术经历了数次的更新换代。其发展速度大约每三四年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。尽管单片机出现的历史并不长但以位单片机的推出为起点那么单片机的发展大致可分为四个阶段。第一阶段(年年):初级单片机阶段。以Inter公司MCS为代表。这个系列的单片机内集成有位CPU、IO接口、位定时器计数器寻址范围不大于K字节简单的中断功能无串行接口。第二阶段(年年):单片机完善阶段。在这一阶段推出的单片机其功能有较大的加强能够应用于更多的场合。这个阶段的单片机普遍带有串行IO口、有多级中断处理系统、位定时器计数器片内集成的RAM、ROM容量加大寻址范围可达K字节。一些单片机片内还集成了AD转换接口。这类单片机的典型代表有Inter公司的MCS、Motorola公司的和Zilog公司的Z等。第三阶段(年年):位单片机巩固发展及位高级单片机发展阶段。在此阶段尽管位单片机的应用已广泛普及但为了更好满足测控系统的嵌入式应用的要求单片机集成的外围接口电路有了更大的扩充。这个阶段单片机的代表为系列。许多半导体公司和生产厂以MCS的为内核推出了满足各种嵌入式应用的多种类型和型号华东师范大学电子科学技术系马潮第章单片嵌入式系统概述的单片机。其主要技术发展有:()外围功能集成。满足模拟量直接输入的ADC接口满足伺服驱动输出的PWM保证程序可靠运行的程序监控定时器WDT(俗称看门狗电路)。()出现了为满足串行外围扩展要求的串行扩展总线和接口如SPI、ICBus、单总线(Wire)等。()出现了为满足分布式系统突出控制功能的现场总线接口如CANBus等。()在程序存储器方面广泛使用了片内程序存储器技术出现了片内集成EPROM、EEPROM、FlashROM以及MaskROM、OTPROM等各种类型的单片机以满足不同产品的开发和生产的需要也为最终取消外部程序存储器扩展奠定了良好的基础。与此同时一些公司面向更高层次的应用发展推出了位的单片机典型代表有Inter公司的MCS系列的单片机。第四阶段(年现在):百花齐放阶段。现阶段单片机发展的显著特点是百花齐放、技术创新以满足日益增长的广泛需求。其主要方面有:()单片嵌入式系统的应用是面对最底层的电子技术应用从简单的玩具、小家电到复杂的工业控制系统、智能仪表、电器控制以及发展到机器人、个人通信信息终端、机顶盒等。因此面对不同的应用对象不断推出适合不同领域要求的从简易性能到多全功能的单片机系列。()大力发展专用型单片机。早期的单片机是以通用型为主的。由于单片机设计生产技术的提高、周期缩短、成本下降以及许多特定类型电子产品如家电类产品的巨大的市场需求能力推动了专用单片机的发展。在这类产品中采用专用单片机具有低成本、资源有效利用、系统外围电路少、可靠性高的优点。因此专用单片机也是单片机发展的一个主要方向。()致力于提高单片机的综合品质。采用更先进的技术来提高单片机的综合品质如提高IO口的驱动能力增加抗静电和抗干扰措施宽(低)电压低功耗等。单片机的发展趋势综观三十年的发展过程作为单片嵌入式系统的核心――单片机正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强IO功能等方向发展。其进一步的发展趋势是多方面的。()全盘CMOS化。CMOS电路具有许多优点如极宽的工作电压范围极佳的低功耗及功耗管理特性等。CMOS化已成为目前单片机及其外围器件流行的半导体工艺。()采用RISC体系结构。早期的单片机大多采用CISC结构体系指令复杂指令代码、周期数不统一指令运行很难实现流水线操作大大阻碍了运行速度的提高。如MCS系列单片机当外部时钟为MHz时其单周期指令运行速度也仅为MIPS。采用RISC体系结构和精简指令后单片机的指令绝大部分成为单周期指令而通过增加程序存储器的宽度(如从位增加到位)实现了一个地址单元存放一条指令。在这种体系结构中很容易实现并行流水线操作大大提高了指令运行速度。目前一些RISC结构的单片机如美国ATMEL公司的AVR系列单片机已实现了一个时钟周期执行一条指令。与MCS相比在相同的MHz外部时钟下单周期指令运行速度可达MIPS。一方面可获得很高的指令运行速度另一方面在相同的运行速度下可大大降低时钟频率有利于获得良好的电磁兼容效果。()多功能集成化。单片机在内部已集成了越来越多的部件这些部件不仅包括一般常用的电路如:定时计数器模拟比较器AD转换器DA转换器串行通信接口WDT电路LCD控制器等还有的单片机为了构成控制网络或形成局部网内部含有局部网络控华东师范大学电子科学技术系马潮基于AVR的单片嵌入式系统原理与实践应用制模块CAN总线以方便地构成一个控制网络。为了能在变频控制中方便使用单片机形成最具经济效益的嵌入式控制系统。有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路PWM。()片内存储器的改进与发展。目前新型的单片机一般在片内集成两种类型的存储器:随机读写存储器SRAM做为临时数据存储器存放工作数据用只读存储器ROM做为程序存储器存放系统控制程序和固定不变的数据。片内存储器的改进与发展的方向是扩大容量、ROM数据的易写和保密等。z片内存储容量的增加。新型的单片机一般在片内集成的SRAM在字节至K字节ROM的容量一般为K字节至K字节。为了适应网络、音视频等高端产品的需要高挡的单片机在片内集成了更大容量的RAM和ROM存储器。如ATMEL公司的ATmega片内的SRAM为K字节FlashROM为K字节。而该系列的高端产品ATmega片内集成了K字节的SRAMK字节的FlashROM和K字节的EEPROM。z片内程序存储器由EPROM型向FlashROM发展。早期的单片机在片内往往没有程序存储器或片内集成EPROM型的程序存储器。将程序存储器集成在单片机内可以大大提高单片机的抗干扰性能、提高程序的保密性、减少硬件的设计的复杂性和空间等许多优点因此片内集成程序存储器已成为新型单片机的标准方式。但由于EPROM需要使用v高电压编程写入、紫外线光照擦除、重写入次数有限等缺点这给使用带来了不便。新型的单片机则采用FlashROM以及MaskROM、OTPROM做为片内的程序存储器。FlashROM在通常电压(如vv)下就可以实现编程写入和擦除操作重写次数在次以上并可实现在线编程写入ISP技术的优点为使用带来了及大的方便。采用MaskROM的微控制器称为掩模芯片它是在芯片制造过程中就将程序“写入”了并永远不能改写。采用OTPROM的微控制器其芯片出厂时片内的程序存储器是“空的”它允许用户将自己编写好的程序一次性的编程写入之后便再也无法修改了。后两种类型的单片机适合于大批量产品生产的使用而前两种类型的微控制器则适合产品的设计开发、批量生产以及学习培训的应用。z程序保密化。一个单片嵌入式系统的系统程序是系统的最重要的部分是知识产权保护的核心。为了片内的程序防止被非法读出复制新型的单片机往往采用对片内的程序存储器采用加锁保密。系统程序编程写入片内的程序存储器后可以再对加密保护单元编程使芯片加锁。加锁加密后从芯片的外部则无法读取片内的系统程序代码若将加密单元擦除则片内的程序也同时擦除掉这样便达到了程序保密的目的。()ISP、IAP及基于ISP、IAP技术的开发和应用。ISP(InSystemProgrammable)称为在线系统可编程技术。随着微控制器在片内集成EEPROM、FlashROM的发展导致了ISP技术在单片机中的应用。首先实现了系统程序的串行编程写入(下载)使得不必将焊接在PCB印刷电路板上的芯片取下就可直接将程序下载到单片机的程序存储器中淘汰了专用的程序下载写入设备。其次基于ISP技术的实现使模拟仿真开发技术重新兴起。在单时钟、单指令运行的RISC结构的单片机中可实现PC机通过串行电缆对目标系统的在线仿真调试。在ISP技术应用的基础上又发展了IAP(InApplicationProgrammable)技术也称在应用可编程技术。利用IAP技术实现了用户可随时根据需要对原有的系统方便的在线更新软件、修改软件还能实现对系统软件的远程诊断、远程调试和远程更新。()实现全面功耗管理。采用CMOS工艺后单片机具有极佳的低功耗和功耗管理功能。它包括:z传统的CMOS单片机的低功耗运行方式既闲置方式(IdleMode)、掉电方式(PowerDownMode)。z双时钟技术。配置有高速(主)和低速(子)两个时钟系统。在不需要高速运行时则转入子时钟控制下以节省功耗。华东师范大学电子科学技术系马潮第章单片嵌入式系统概述z片内外围电路的电源管理。对集成在片内的外围接口电路实行供电管理当该外围电路不运行时关闭其供电。z低电压节能技术。CMOS电路的功耗与电源电压有关降低系统的供电电压能大幅度减少器件的功耗。新型的单片机往往具有宽电压(V-V)或低电压(V)运行的特点。低电压低功耗是手持便携式系统重要的追求目标也是绿色电子的发展方向。()以串行总线方式为主的外围扩展。目前单片机与外围器件接口技术发展的一个重要方面是由并行外围总线接口向串行外围总线接口的发展。采用串行总线方式为主的外围扩展技术具有方便、灵活、电路系统简单、占用IO资源少等特点。采用串行接口虽然比采用并行接口数据传输速度慢但随着半导体集成电路技术的发展大批采用标准串行总线通信协议(如:SPI、IC、Wire等)的外围芯片器件的出现串行传输速度也在不断提高(可达到M-M的速率)片内集成程序存储器而不必外部并行扩展程序存储器加之单片嵌入式系统有限速度的要求使得以串行总线方式为主的外围扩展方式能够满足大多数系统的需求成为流行的扩展方式而采用并行接口的扩展技术则成为辅助方式。()单片机向片上系统SOC的发展。SOC(SystemOnChip)是一种高度集成化、固件化的芯片级集成技术其核心思想是把除了无法集成的某些外部电路和机械部分之外的所有电子系统电路全部集成在一片芯片中。现在一些新型的单片机(如AVR系列单片机)已经是SOC的雏形在一片芯片中集成了各种类型和更大容量的存储器更多性能更加完善和强大的功能电路接口这使得原来需要几片甚至十几片芯片组成的系统现在只用一片就可以实现。其优点不仅是减小了系统的体积和成本而且也大大提高了系统硬件的可靠性和稳定性。单片嵌入式系统的结构与应用领域单片嵌入式系统结构仅由一片单片机芯片是不能构成一个应用系统的。系统的核心控制芯片往往还需要与一些外围芯片、器件和控制电路机构有机的连接在一起才构成了一个实际的单片机系统进而再嵌入到应用对象的环境体系中作为其中的核心智能化控制单元而构成典型的单片嵌入式应用系统如洗衣机、电视机、空调、智能仪器、智能仪表等等。单片嵌入式系统的结构如图所示通常包括三大部分:既能实现嵌入式对象各种应用要求的单片机、全部系统的硬件电路和应用软件。.单片机:单片机是单片嵌入式系统的核心控制芯片由它实现对控制对象的测控、系统运行管理控制和数据运算处理等功能。.系统硬件电路:根据系统采用单片机的特性以及嵌入对象要实现的功能要求而配备的外围芯片、器件所构成的全部硬件电路。通常包括以下几部分:z基本系统电路。提供和满足单片机系统运行所需要的时钟电路、复位电路、系统供电电路、驱动电路、扩展的存储器等。z前向通道接口电路。这是应用系统面向对象的输入接口通常是各种物理量的测量传感器、变换器输入通道。根据现实世界物理量转换成电量输出信号的类型如模拟电压电流、开关信号、数字脉冲信号等的不同接口电路也不同。常见的有传感器、信号调理器、模数转换器ADC、开关输入、频率测量接口等。z后向通道接口电路。这是应用系统面向对象的输出控制电路接口。根据应用对象伺服和控制要求通常有数模转换器DAC、开关量输出、功率驱动接口、PWM输出控制等。z人机交互通道接口电路。人机交互通道接口是满足应用系统人机交互需要的电路有键盘、拨动开关、LED发光二极管、数码管、LCD液晶显示器、打印机等多种输入输出接口华东师范大学电子科学技术系马潮基于AVR的单片嵌入式系统原理与实践应用电路。z数据通信接口电路。数据通信接口电路是满足远程数据通信或构成多机网络应用系统的接口。通常有RS、PSI、IC、CAN总线、USB总线等通信接口电路。.系统的应用软件:系统应用软件的核心就是下载到单片机中的系统运行程序。整个嵌入式系统全部硬件的相互协调工作、智能管理和控制都由系统运行程序决定。它可认为是单片嵌入式系统核心的核心。一个系统应用软件设计的好坏往往也决定了整个系统性能的好坏。系统软件是根据系统功能要求设计的一个嵌入式系统的运行程序实际上就是该系统的监控与管理程序。对于小型系统的应用程序一般采用汇编语言编写。而对于中型和大型系统的应用程序往往采用高级程序设计语言如C语言、Basic语言来编写。编写嵌入式系统应用程序与编写其它类型的软件程序(如基于PC的应用软件设计开发)有很大的不同嵌入式系统应用程序更加面向硬件低层和控制而且还要面对有限的资源(如有限的RAM)。因为嵌入式系统的应用软件不仅要直接面对单片机和与它连接的各种不同种类和设计的外围硬件电路编程还要面对系统的具体应用和功能编程。整个运行程序常常是输入、输出接口设计存储器外围芯片中断处理等多项功能交织在一起。因此除了硬件系统的设计系统应用软件的设计也是嵌入式系统开发研制过程中重要和困难的任务。需要强调说明的是针对单片嵌入式系统的硬件设计和软件设计两者之间的关系是十分紧密互相依赖和制约的。因此通常要求嵌入式系统的开发人员即要具备扎实的硬件设计单片嵌入式系统系统硬件电路单片机系统软件基本系统电路前向通道接口电路后向通道接口电路人机交互通道接口数据通信接口电路图单片嵌入式系统结构华东师范大学电子科学技术系马潮第章单片嵌入式系统概述能力同时也要具备相当优秀的软件程序设计能力。单片嵌入式系统的应用领域以单片机为核心构成的单片嵌入式系统已成为现代电子系统中最重要的组成部分。在现代的数字化世界中单片嵌入式系统已经大量地渗透到我们生活的各个领域几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置飞机上各种仪表的控制计算机的网络通信与数据传输工业自动化过程的时实控制和数据处理生产流水线上的机器人医院里先进的医疗器械和仪器广泛使用的各种智能IC卡小朋友的程控玩具和电子宠物都是典型的单片嵌入式系统应用。由于单片机芯片的微小体积极低的成本和面向控制的设计使的它作为智能控制的核心器件被广泛地用于嵌入到工业控制、智能仪器仪表、家用电器、电子通信产品等各个领域中的电子设备和电子产品中主要的应用领域有以下几个方面。()智能家用电器。俗程带“电脑”的家用电器如电冰箱、空调、微波炉、电饭锅、电视机、洗衣机等。传统的家用电器中嵌入了单片机系统后使产品性能特点都得到很大的改善实现了运行智能化、温度的自动控制和调节、节约电能等。()智能机电一体化产品。单片机嵌入式系统与传统的机械产品相结合使传统的机械产品结构简化控制智能化构成新一代的机电一体化产品。这些产品已在纺织、机械、化工、食品等工业生产中发挥出巨大的作用。()智能仪表仪器。用单片机嵌入式系统改造原有的测量、控制仪表和仪器能促使仪表仪器向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。由单片机系统构成的智能仪器仪表可以集测量、处理、控制功能与一体赋予传统的仪器仪表以崭新的面貌。()测控系统。用单片机嵌入式系统可以构成各种工业控制系统、适应控制系统、数据采集系统等。例如温室人工气候控制、汽车数据采集与自动控制系统。AVR单片机简介ATMEL公司的单片机产品ATMEL公司是世界上著名的生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种数字模拟IC芯片的半导体制造公司。在单片微控制器方面ATMEL公司有基于内核、基于AVR内核和基于ARM内核的三大系列单片机产品(确切的讲最后一款应称为嵌入式微处理器)。ATMEL公司在它的单片机产品中融入了先进的EEPROM电可擦除和FlashROM闪速存储器技术使得该公司的单片机具备了优秀的品质在结构、性能和功能等方面都有明显的优势。ATMEL公司把内核与其擅长的Flash存储器技术相结合是国际上最早推出片内集成可重复擦写次以上Flash程序存储器、采用低功耗CMOS工艺的兼容单片机的生产商之一。市场上家喻户晓的ATC、ATC、ATC、ATC就是ATMEL公司生产的基于内核系列单片机中的典型产品(现在已升级换代为ATSxx系列采用ISP在线编程技术)。该系列单片机一直在我国的单片机市场上占有相当大的份额。结构的单片机采用复杂指令系统CISC(ComplexInstructionSetComputer)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。ATMEL公司发挥其Flash存储器技术的特长于年研发和推出了全新配置采用精简指令集RISC(ReducedInstructionSetCPU)结构的新型单片机简称AVR单片机。华东师范大学电子科学技术系马潮基于AVR的单片嵌入式系统原理与实践应用精简指令集RISC结构是世纪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(Pipelining)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。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。在使用相同的晶片技术和相同的运行时钟下RISC系统的运行速度是CISC的~倍。正由于RISC体系所具有的优势使得它在高端系统得到了广泛的应用。例如ARM以及大多数位的处理器都采用RISC体系结构。ATMEL公司的AVR是位单片机中第一个真正的RISC结构的单片机。它采用了大型快速存取寄存器组、快速的单周期指令系统以及单级流水线等先进技术使得AVR单片机具有高达MIPS/MHz的高速运行处理能力。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。而在其它的CISC以及类似的RISC结构的单片机中外部振荡器的时钟被分频降低到传统的内部指令执行周期这种分频最大达倍()。另外一点传统的基于累加器的结构单片机(如)需要大量的程序代码来完成和实现在累加器和存储器之间的数据传送。而在AVR单片机中由于采用个通用工作寄存器构成快速存取寄存器组用个通用工作寄存器代替了累加器从而避免了在传统结构中累加器和存储器之间数据传送造成的瓶颈现象进一步提高了指令的运行效率和速度。随着电子产品更新换代的周期缩短以及不断向高端发展为了加快产品进入市场的时间和简化系统的设计、开发、维护和支持对于以单片机为核心所组成的高端嵌入式系统来说用高级语言编程已成为一种标准设计方法。AVR单片机采用RISC结构其目的就是在于能够更好地采用高级语言(例如C语言、BASIC语言)来编写嵌入式系统的系统程序从而能高效地开发出目标代码。AVR单片机采用低功率、非挥发的CMOS工艺制造内部分别集成Flash、EEPROM和SRAM三种不同性能和用途的存储器。除了可以通过使用一般的编程器(并行高压方式)对AVR单片机的Flash程序存储器和EEPROM数据存储器进行编程外大多数的AVR单片机还具有ISP在线编程的特点以及IAP在应用编程的特点。这些优点为使用AVR单片机开发设计和生产产品提供了及大的方便。在产品的设计生产中可以“先装配后编程”从而缩短了研发周期、工艺流程并且还可以节约购买开发仿真编程器的费用。同样对于学习和使用AVR单片机的用户来说也不必购买昂贵的开发仿真硬件设备只需要具备一套好的AVR开发软件平台就可以从事AVR单片机系统的学习、设计和开发工作了。AVR单片机的主要特点AVR单片机吸取了PIC及等单片机的优点同时在内部结构上还作了一些重大改进其主要的优点如下:z程序存储器为价格低廉、可擦写万次以上、指令长度单元为位(字)的FlashROM(即程序存储器宽度为位按位字节计算时应乘)。而数据存贮器为位。因此AVR还是属于位单片机。z采用CMOS技术和RISC架构实现高速(ns)、低功耗(μA)、具有SLEEP(休眠)功能。AVR的一条指令执行速度可达ns(MHz)而耗电则在uA~mA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华东师范大学电子科学技术系马潮第章单片嵌入式系统概述时钟周期内被执行。z高度保密。可多次烧写的Flash且具有多重密码保护锁定(LOCK)功能因此可低价快速完成产品商品化且可多次更改程序(产品升级)方便了系统调试而且不必浪费IC或电路板大大提高了产品质量及竞争力。z工业级产品。具有大电流~mA(输出电流)或mA(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。z超功能精简指令。具有个通用工作寄存器(相当于中的个累加器)克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象。片内含有K字节SRAM可灵活使用指令运算适合使用功能很强的C语言编程易学、易写、易移植。z程序写入器件时可以使用并行方式写入(用编程器写入)也可使用串行在线下载(ISP)、在应用下载(IAP)方法下载写入。也就是说不必将单片机芯片从系统板上拆下拿到万用编程器上烧录而可直接在电路板上进行程序的修改、烧录等操作方便产品升级尤其是对于使用SMD表贴封装器件更利于产品微型化。z通用数字IO口的输入输出特性与PIC的HILOW输出及三态高阻抗HIZ输入类同同时可设定类同与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IO口)AVR的IO口是真正的IO口能正确反映IO口的输入输出的真实情况。z单片机内集成有模拟比较器可组成廉价的AD转换器。z像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。z同PIC一样带有可设置的启动复位延时计数器。AVR单片机内部有电源上电启动计数器当系统RESET复位上电后利用内部的RC看门狗定时器可延迟MCU正式开始读取指令执行程序的时间。这种延时启动的特性可使MCU在系统电源、外部电路达到稳定后再正式开始执行程序提高了系统工作的可靠性同时也可节省外加的复位延时电路。z具有多种不同方式的休眠省电功能和低功耗的工作方式。z许多AVR单片机具有内部的RC振荡器提供MHz的工作时钟使该类单片机无需外加时钟电路元器件即可工作非常简单和方便。z有多个带预分频器的位和位功能强大的计数器定时器(CT)除了实现普通的定时和计数功能外还具有输入捕获、产生PWM输出等更多的功能。z性能优良的串行同异步通讯USART口不占用定时器。可实现高速同异步通信。zMega及Mega等芯片具有可并行扩展的外部接口扩展能力达KB。z工作电压范围宽V~V具有系统电源低电压检测功能电源抗干扰性能强。z有多通道的位AD及实时时钟RTC。许多AVR芯片内部集成了路位AD接口如:mega、mega、mega等。zAVR单片机还在片内集成了可擦写万次的EEPROM数据存储器等于又增加了一个芯片可用于保存系统的设定参数、固定表格和掉电后的数据的保存。即方便了使用减小了系统的空间又大大提高了系统的保密性。AVR系列单片机简介ATMEL公司的AVR单片机有三个系列的产品。为满足不同的需求和应用ATMEL公司对AVR单片机的内部资源进行了相应的扩展和删减推出了tinyAVR、lowpowerAVR和megaAVR分别对应低、中、高三个不同档次数十种型号的产品(表)。华东师范大学电子科学技术系马潮基于AVR的单片嵌入式系统原理与实践应用表AVR单片机分类表位AVR单片机RISC结构存储器配备(Bytes)系列封装FlashSRAMEPROMtinyAVRpinKuptouptolowpowerAVRpinKuptoKuptomegaAVRpinKuptoKuptoK三个系列的所有型号的AVR单片机其内核都是相同的指令系统兼容。只是在内部资源的配备(存储器容量的大小等)、以及片内集成的外围接口的数量和功能上有所不同。这些不同型号AVR单片机的封装形式也不一样引脚数从到脚价格从几元到几十元可以满足不同场合、不同应用的需求用户可以根据需要选择。表至为AVR三个系列单片机的选型表。自年以来ATMEL公司对AVR单片机产品线进行了调整逐步停止了性能重叠的中档lowpowerAVR单片机中ATs系列的生产而用性能更加优越的mega系列代替。如停止ATS、ATS等芯片的生产用ATmega替代ATS用ATmega替代ATS用ATmega代替ATS等。由于mega系列单片机的性能更加完美使用更加方便功能更加强大因此ATMEL公司今后将以mega系列作为AVR单片机的主流产品逐步减少和停止中档AVR单片机(ATSXXXX)的生产。从表至中可以看出目前tinyAVR和mega系列的单片机已成为了AVR的主流。tinyAVR系列的AVR内部的资源相对少一些引脚也少。适合应用在家用电器、简单的控制方面的应用如:空调、冰箱、微波炉、烟雾报警器等(见表)。mega系列单片机的性能不仅优越同时也有非常好的性能价格比。引脚数最少(个引脚)的ATmega目前在我国国内市场上的价格不超过元人民币却有K的SRAM、K的Flash、个字节的EPROM个位和个位共个超强功能的定时器计数器以及USART、SPI、路位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI(IC)、片内高精度RC振荡器等多种功能的接口和特性(表)。ATmega是目前AVR中配置最全、功能最强的一款。它的引脚数最多(个引脚)在片内集成了K字节的SRAM、K字节的Flash、K字节的EEPROM支持K空间的外部并行扩展个位和个位共个超强功能的定时器计数器以及路USART、SPI、多路位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI(IC)、片内高精度RC振荡器等多种功能的接口和特性适合高档电子产品的应用(表)。华东师范大学电子科学技术系马潮第章单片嵌入式系统概述表tinyAVR系列单片机(部分)ATtinyATtinyATtinyATtinyLATtinyATtinyATtinyLATtinyATtinyFlash(KB)EPROM(B)快速寄存器SRAM(B)IOPins中断数目外部中断口()()SPIUSIUSIUSIUSIUSARTTWIUSIUSI硬件乘法器位定时器位定时器PWM通道模拟比较器YYYYYYYYY位AD通道掉电检测BODYYYYYYYWatchdogYYYYYYYYY片内系统时钟YYYYYYYYY在线编程ISPYYYYYYY自编程SPMYYdebugWIREYYVcc(V)(最低)(最高)系统时钟(M)封装形式PDIPSOICPDIPSOICPDIPSOICPDIPSOICPDIPSOICMLFPDIPSOICMLFPDIPTQFPMLFPDIPSOICMLFPDIPSOICMLF华东师范大学电子科学技术系马潮基于AVR的单片嵌入式系统原理与实践应用表megaAVR系列单片机(低配置部分)ATmegaATmegaATmegaATmegaFlash(KB)EPROM(B)快速寄存器SRAM(B)KKKMaxIOPins中断数目外部中断口SPIUSARTUSARTUSARTUARTTWI硬件乘法器YYYY位定时器位定时器PWM通道实时时钟RTCYYYY位AD通道模拟比较器YYYY掉电检测BODYYYYWatchdogYYYY片内系统时钟YYYYdebugWIREYYY在线编程ISPYYYY自编程SPMYYYYVcc(v)(最低)(最高)系统时钟(MHz)封装形式PDIPMLFTQFPPDIPMLFTQFPPDIPMLFTQFPPDIPMLFTQFP在AVR系列单片机中ATmega是一款中档功能的AVR芯片它的引脚数为(TQFP)在片内集成了K字节的SRAM、K字节的Flash、个字节的EEPROM个位、个位共个超强功能的定时器计数器以及USART、SPI、多路位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI(IC)、片内高精度RC振荡器等多种功能的接口和特性较全面的体现了AVR的特点不仅适合对AVR了解和使用的入门起步学习同时也满足一般的普通应用在产品中得到了大量的使用。在本书中我们将以AVR的ATmega为主线逐步介绍AVR单片机的内部结构以及各功能部件的使用方法。同时我们与wwwouravrcom网站合作共同研制开发制作了“AVR多功能实验板”与本书配套。书中的实验均可在该板上实现。该实验板具有非常高的性价比不仅能够配合AVR单片机使用同时也能完全适合类型的单片机使用非常适合初学者使用学习和实验。读者可以通过访问wwwouravrcom网站购买。华东师范大学电子科学技术系马潮第章单片嵌入式系统概述表megaAVR系列单片机(中高部分)ATmegaATmegaATmegaATmegaATmegaATmegaATmegaATmegaATmegaATmegaLFlash(KB)EPRO

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