第1章 AVR单片机概述
AVR单片机是Atmel公司于20世纪90年代中后期开发出的一种8位单片机。这种单片机采用RISC内核，具有使用灵活、高性能、低功耗等特点。此外，在某些情况下，AVR处理器甚至可以独自成为一种片上系统，完成极其复杂的功能。目前，该型号单片机已经展示出极其强大的生命力，在国防、工业、农业、企业管理、交通运输、日常生活等各个领域得到了广泛应用。
本章主要介绍AVR单片机的发展历史及其主要应用，围绕ATmega128（L）单片机，分析其结构、主要特点、性能封装和引脚定义。
1.1 AVR与51单片机
单片机嵌入式系统的硬件基本构成分为两大部分：单片微控制器芯片和外围的接口电路。其中，单片微控制器是构成单片机嵌入式系统的核心。
为了强调其控制属性，也可以把单片机称为微控制器MCU。在国际上，“微控制器”的叫法似乎更通用一些，而我国比较习惯使用“单片机”这一名称。单片机因将计算机的主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体地说就是把中央处理单元CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要微型机部件集成在一块芯片上。因此，一片芯片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，使得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机嵌入式系统已成为现代电子系统中最重要的组成部分。
早期的单片机都是8位或4位的，其中最成功的是Intel的8031，因为其简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后，在8031上发展出了MCS-51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。20世纪90年代后随着消费电子产品的大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着Intel i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，因此，8位单片机将在未来很长时间里继续发展。
MCS-51单片机作为目目前，高校单片机教学中大都以MCS-51为首选机型进行讲解，
前最具代表性的主流机型。然而，随着单片机的应用进入SOC时代，其不足和缺陷也显而易见。这些缺陷和不足表现在以下几个方面： （1）片上资源不够丰富。
（2）系统开发调试不足。
? 连接问题：设计系统的PCB板时要考虑在线仿真器与其的连接，否则无法进行总
线调试。
? 时序限制：指目标系统在设计时要求在处理器、目标内存或目标系统中的其他存
储器映射FO设备之间有非常陡的时序边缘，使用在线仿真器就可能会产生问题。 ? 在线调试时工作频率受限：在仿真调试中的工作频率不高于20MHz。
（3）功耗问题的限制。MCS-51是5V供电的，功耗较大，难以满足许多系统低功耗的要求。
AVR单片机是美国Atmel公司设计的，AVR单片机对原51单片机内核进行了较大改造，采用精简指令集RISC（Reduced Instruction Set CPU）的AVR结构，废除了原51单片机中的机器周期，由原来12个时钟执行一条指令改进为一个时钟执行一条单周期指令，大多数指令执行所需的时钟周期数与指令的字节数相同，使得AVR单片机的运行速度大大 提高。
AVR单片机的设计者除了改造51内核外，E2PROM、A/D、RTC、Watchdog、还将Flash、
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定时器、IC、SPI、PWM和片内振荡器等集合为一体，可以真正做到单片。AVR单片机兼容51指令集，能够沿用过去开发的51应用程序，使得一直用51单片机教学的高校和从事51单片机开发应用者可以继往开来。
AVR技术创新主要体现在以下几个方面： ? 高性能，采用精简指令集CPU（RISC）和哈佛（Harvard）结构的流水线技术，
拥有32个通用工作寄存器。
? 片内集成了非易失性程序和数据存储器以及工作存储器。
? 丰富的外设，如I2C、SPI、E2PROM、RTC、看门狗定时器、A/D转换器、PWM
和片内振荡器等。
? 宽工作电压：1.8～6V之间。
? 低功耗，具有6种休眠模式，能够从低功耗模式迅速唤醒。
? 编译好的目标文件可通过在线编程（ISP）直接写入程序存储器，实现芯片在系统
编程调试，无须购买昂贵的仿真器和编程器，从而节省了系统开发成本。 ? 输入/输出口资源丰富，设计灵活，驱动力强。 ? 具有多复位源、多中断源方式。
? 串口通信不占用定时器，采用独特的波特率发生器。 ? 保密性强，Flash程序存储器具有保密锁死功能。
由于AVR单片机具有上述这些优点，给用户带来了前所未有的好处。越来越多的设计人员把目光转向AVR单片机，把AVR单片机作为8位单片机的最佳选择，从而使AVR单片机进入大批量的应用领域。
ATmega系列单片机属于AVR中的高档产品，它具有AVR单片机所具有的特点，并在此基础上增加了更多的接口功能，提供更充足的程序和数据存储器，而且在省电性能、稳定性、抗干扰性以及灵活性方面考虑得更加周全和完善。本书采用ATmega128单片机，它属于ATmega系列单片机的一个子集（ATmega32/64/128），指令系统完全兼容，所以学会
了ATmega128的应用，掌握其他的ATmega系列单片机就会轻车熟路。
ATmega系列单片机已成为MCS-51的升级替代产品，随着单片机技术的发展，必然会
成为经典单片机教学的方向。
1.2 AVR单片机及其发展
Atmel公司把8051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1000次以上Flash程序存储器、采用低功耗CMOS工艺的8051兼容单片机的生产商之一。
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结构存在指令数多，CPU利用效率低，执行速度慢等缺陷，已不能满足和适应
Atmel公司发挥其Flash存储器技术的特长，设计中高档电子产品和嵌入式系统应用的需要。
于1997年研发和推出了全新配置采用精简指令集RISC（Reduced Instruction Set CPU）结构的新型单片机，简称AVR单片机。
1.2.1 AVR单片机简介
AVR单片机是1997年由Atmel公司挪威设计中心利用Atmel公司的Flash新技术研发出的RISC精简指令集的高速8位单片机。其中，A与V分别代表两位充满工作激情与灵感的挪威年轻研发者姓名的第一个字母，R代表该芯片为RISC架构，因此，该系列单片机简称AVR。
Atmel公司的AVR单片机有3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、low power AVR和megaAVR，分别对应低、中、高3个不同档次数十种型号的产品，如表1-1所示。
表1-1 AVR单片机分类
8位AVR单片机RISC结构 系列 tinyAVR low power AVR megaAVR 封装 8～32pin 8～44pin 28～64pin Flash 1～2K 1～8K 8～128K 存储器配备（Bytes） SRAM up to 128 up to 1K up to 4K EPROM up to 128 up to 512 up to 4K 2 3个系列的所有型号单片机，其内核都是相同的AVR内核，它们的指令系统兼容。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。不同型号的AVR单片机也不一样，引脚数从8到64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。这3个系列单片机的选型表读者可从网上下载。
自2002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low power AVR单片机中AT90s系列的生产，而用性能更加优越的mega系列代替。
例如，停止AT90S4414、AT90S8515等芯片的生产，用ATmega8515替代AT90S8515，用ATmega8535替代AT90S8535，用ATmega8替代AT90S4433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（AT90SXXXX）的生产。目前tinyAVR和mega系列的单片机已成为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。
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（28个引脚）的ATmega8，在我国国内市场上的价格不超过15元人民币，却有1K的SRAM、8KB的Flash、512个字节的E2PROM，两个8位和一个16位共3个超强功能的定时器/计
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数器，以及USART、SPI、8路10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。
ATmega128是目前常用的AVR单片机中配置全、功能强的一款。在片内集成了4KB
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的RAM、128KB的Flash、4KB的EPROM，支持64KB空间的外部并行扩展，两个8位和两个16位共4个超强功能的定时器/计数器，以及2路USART、SPI、多路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI（I2C）、片内高精度RC振荡器等多种功能的接口和特性，适合在中高档电子产品中应用。
1.2.2 AVR单片机的特点
自从Atmel公司推出AVR单片机以来，产品受到越来越多单片机开发者的关注，主要因为AVR单片机具有以下特点：
? 可多次擦写。AVR程序存储器为可擦写1000次的Flash构成，并具有可擦写10000
次以上的E2PROM，因此可低价快速完成产品的商品化，可多次更改程序而不必浪费单片机或电路板，大大提高了产品的质量和竞争力。 ? 执行周期短。作为高速单片机，AVR处理器可以达到一个时钟周期执行一条指令，
绝大部分指令都为单周期指令。而PIC单片机要4个时钟周期执行一条指令，MSC-51执行一条指令要12个时钟周期。此外，AVR处理器支持多种外部时钟源，高端AVR处理器最高可达到16MHz。
? 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。
? I/O口功能强、驱动能力大。AVR器件引脚从8脚到64脚再到100脚，还有各种
不同封装供选择。详细的选型信息可以参考相关网站，AVR单片机的输入/输出口是真正的输入/输出口，能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。AVR单片机的I/O口有输入/输出、三态高阻输入，也可设定内部上拉电阻作输入端的功能，以适应各种应用的需要（多功能I/O口）。在工业级产品中，支持大电流（灌电流）设置，通常为10～40mA，从而可直接驱动可控硅SSR或继电器，节省了外围驱动器件。
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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。 超功能精简指令。具有32个通用工作寄存器（相当于8051中的32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128-4K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。 写入方式多样。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）方法或JTAG口下载写入，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。
I/O口功能强大。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。单片机内集成有模拟比较器，可组成廉价的A/D转换器。
中断入口多。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佳机会。
复位延时。同PIC一样，带有可设置的启动复位延时。AVR单片机内部有电源开关启动计数器，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开始运行执行程序的时间。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，因此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。
低功耗。具有多种不同方式的休眠省电功能和低功耗的工作方式。
时钟多样。许多AVR单片机具有内部的RC振荡器，提供1/2/4/8MHz的工作时钟，使该类单片机无须外加时钟电路元器件即可工作，非常简单和方便。 PWM功能多。带预分频器的8位和16位计数器/定时器（C/T），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。
通信性能优良。具有性能优良的串行同/异步通信USART口，不占用定时器，可实现高速同/异步通信。 扩展范围大。mega8515及mega128等芯片具有可并行扩展的外部接口，扩展能力达64KB。
电压范围宽。工作电压范围宽2.7～6.0V，具有系统电源低电压检测功能，电源抗干扰性能强。
A/D通道多。有多通道的10位A/D及实时时钟RTC。许多AVR芯片内部集成了8路10位A/D接口，如mega8、mega16、mega8535等。
1.2.3 AVR单片机的分类
AVR单片机可以广泛应用于工业实时控制、仪器仪表、通信、数据检测和家用电器等
第1章AVR单片机概述
