AVR单片机教程新h.ppt
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1、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,2,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。,3,2.1 单片机的基本组成,图2-1 典型单片机的基本组成结
2、构,4,2.2 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。,5,2.2 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。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。,6,2.2 ATmega16单片机的组成,精简指令集 RIS
3、C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。,7,2.2 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,然后以一个周期执行指令。大大提高了CPU的运行速度。,8,2.2 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
4、,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。,9,2.2 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AT90S1200/2313/8515/8535等;(正在淘汰或转型到Mega中),10,2.2 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
5、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。,11,2.2 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同时要求高性能和低功耗的现代化应用而开发的。,12,2.2.1 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,13,2.2.1 AVR单片机的内核结构,图 2-2 AVR单片机的内核结构示意图,14,32个8位通用工作寄存器中
6、,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,15,2.2.2 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
7、。配备只需要2个时钟周期的硬件乘法器。,16,2.2.2 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数据存储器(擦写次数10万次);,17,2.2.2 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、EE
8、PROM、配置熔丝位和锁定加密位实现下载编程;,18,2.2.2 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),对FLASH等器件进行编程。,19,2.2.2 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
9、路10位ADC;,20,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-通用同步/异步串行接收/发送器);,2.2.2 ATmega16的特点,21,2.2.2 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
10、WDT(Watchdog Timer);,22,2.2.2 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;,23,2.2.2 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:ATme
11、ga16L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。,24,2.2.3 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(贴片形式)。其外部引脚封装如图2-3所示。,25,2.2.3 外部引脚与封装,图2-3 ATmage16 外部引脚与封装示意图,26,2.2.3 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
12、用ADC时,直接连接到电源正极。,27,2.2.3 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)。,28,2.2.3 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
13、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,29,2.3 ATmega16单片机的内部结构,图2-4 ATmage16 的结构框图,30,31,32,2.3 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。,33,2.3.1 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
14、、指令寄存器、指令译码器。,34,图2-5 通用工作寄存器组在RAM空间的地址分配图,35,2.3.2 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1/2/4/8MHz的RC振荡源;,36,2.3.2 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).,37,2.3.2 系统时
15、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,38,2.3.3 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)。,39,2.3.3 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
16、其的读写操作都以字节为单位。,40,2.3.4 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,每个引脚可供出达20mA的驱动电流。输入时,每个引脚可吸纳最大为40mA的电流。可直接驱动发光二极管LED(一般LED的驱动电流为10mA左右)和小型继电器。,41,2.3.4 I/O端口,AVR大部分的I/O端口都具备双重功能,分别同片内的各种不同功能的外围接口电路组合成一些可以完成特殊功能的I/O 口,如定时器、计数器、串行接口、模拟比较器、捕捉器等。,42,2.4 存储器结构和地址空
17、间,2.4.1 支持ISP的Flash程序存储器,AVR单片机包括1K256K字节的片内支持ISP的Flash程序存储器,Flash存储器的使用寿命最少为1万次写/擦循环。ATmega16单片机的程序存储器为8K 16(16K8),程序计数器PC宽为13位,以此来对8K字程序存储器地址进行寻址。地址空间从$000开始。,43,2.4.2.数据存储器SRAM空间,图2-7 ATmega16存储器结构,44,2.4.2.数据存储器SRAM空间,全部共1120个数据存储器地址为线性编址,前96个地址为寄存器组(32个8位通用寄存器),I/O寄存器(64个8位I/O寄存器).32个8位通用寄存器:SR
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