第1章　AVR单片机系统的设计与开发环境

自从1946年美国宾夕法尼亚大学研制了世界上第一台数字电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）以来，计算机的发展经历了四个时代。在短短的几十年中，已发展出大规模/超大规模集成电路的计算机，其运算速度每秒钟可达上万亿次以上。近年来，计算机正朝着巨型化、智能化、网络化、微型化的方向发展。

微型化的发展也就是微型计算机的发展。在微型计算机中，单片微型计算机（简称单片机）是其重要的成员。单片机的发展也非常迅速，它依靠一定的硬件基础，根据特定环境，能完成一定的需求。因其结构比较简单、工作任务针对性较强，使得在国民经济的各个领域中都能看见它的踪迹。

自从1974年美国仙童（Fairchild）公司运用计算机技术生产了世界上第一块单片机（F8）以来，在短短的几十年中，作为微型计算机中的一个重要分支，单片机的应用面极广，发展速度也很惊人。

1.1 ATMEL单片机简介

ATMEL公司创建于1984年，总部位于美国的圣何塞，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。

ATMEL公司的单片机是目前世界上一种独具特色而性能卓越的单片机，它在计算机外部设备、通信设备、自动化工业控制、宇航设备、仪器仪表和各种消费类产品中都有着广泛的应用前景。该公司的单片机主要有基于8051内核、AVR内核和ARM内核的三大系列产品。ATMEL公司最令人注目的是它的EEPROM电可擦除技术、闪速Flash存储器技术、高可靠性的生产技术。在COMS器件生产领域中，ATMEL的先进设计水平、优秀的生产工艺及封闭技术一直处于世界的领先地位。ATMEL公司在其单片机产品中融入了先进的EEPROM电可擦除和Flash ROM存储器技术，使其单片机产品具备了优秀的品质，在结构、性能的功能等方面都具有明显的优势。

1.AT89系列单片机简介

ATMEL公司拥有广泛的基于8051内核的微控制器，这些微处理器统称AT89系列。ATMEL公司将8051内核与其先进的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次以上的Flash ROM，以及采用低功耗CMOS工艺的8051兼容单片机的生产商之一。

1）AT89系列单片机的特点

（1）片内包含Flash存储器：AT89系列单片机的片内包含Flash存储器，使用户在系统开发过程中可以很容易地修改程序，从而大大缩短了系统的开发周期。同时，在系统工作过程中可以有效地保存一些数据信息，即使系统突然断电，保存在系统中的信息也不会丢失。

（2）与8051单片机兼容：AT89系列单片机的引脚定义与8051单片机的引脚定义完全相同，因此用户可以直接在AT89系列中选择合适的型号及封装形式的单片机来代替所使用的8051单片机。

（3）静态时钟方式：AT89系列单片机采用静态时钟方式，可以节省电能，从而使得在许多便携式的产品中都可以使用该系列的单片机。

（4）可重复擦写程序：早期的单片机一般为一次性用户可编程（即OPT），若用户将错误的程序烧录到单片机后，该单片机就会变成废品，或者当用户更改系统功能时，必须将修改好的程序烧录到另一块单片机中，这样会给用户带来不便。

AT89系列单片机由于片内采用了Flash存储器，所以允许用户多次将程序烧录在同一块单片机芯片中。这样，即使用户将错误程序烧录到单片机中也不用担心了，用户可以重新编程，直到正确为止，不存在废品。若系统升级或更改系统功能时，用户可以反复进行系统试验，且每次均可以将编写好的程序重新烧录到单片机中，从而可保证用户的系统设计达到最优。

2）AT89系列单片机的命名规则 AT89系列单片机目前有多种型号，分别为AT89C1051,AT89C2051,AT89C4051,AT89C51,AT89LV51,AT89C52,AT89LV52,AT89S8252, AT89C55,AT89LV55,AT89S51,AT89LS51,AT89S52,AT89LS52,AT89S53,AT89LS53等。

尽管AT89系列单片机型号较多，但是这些单片机的命名均遵循一定的规律。AT89系列单片机的型号命名由三部分组成，即前缀、型号和后缀。现以AT89CXXXXXXXX为例讲述其命名方法。

（1）前缀：“AT”为前缀，表示该器件是ATMEL公司的产品。

（2）型号：型号可用“89CXXXX”,“89LVXXXX”,“89SXXXX”或“89LSXXXX”等表示。在型号中“9”表示内部包含Flash存储器；“C”表示CMOS产品；“LV”表示低电压产品；“S”表示具有ISP在线编程技术的产品；“LS”表示具有ISP在线编程技术的低电压产品。在“XXXX”中，第一个“5”表示内核为8051，该“5”后面的数字可认为是该产品存储器容量的大小（“1”表示片内RAM为128B（B表示字节），片内ROM为4KB Flash；“2”表示片内RAM为256B，片内ROM为8KB Flash；“3”表示片内RAM为256B，片内ROM为12KB Flash；“5”表示片内RAM为256B，片内ROM为20KB Flash）。例如，AT89S51的片内RAM为128B，片内ROM为4KB Flash；AT89S8252的片内RAM为256B，片内ROM为8KB Flash。

（3）后缀：由“XXXX”四个参数组成，每个参数表示的意义不同。型号与后缀部分用“-”隔开。

后缀中的第一个参数“X”表示速度：X=12，表示速度为12MHz；X=16，表示速度为16MHz；X=20，表示速度为20MHz；X=24，表示速度为24MHz。

后缀中的第二个参数“X”表示封装形式：X=D，表示陶瓷封装；X=Q，表示PQFP（Plastic Quad Flat Package的缩写，即塑料方块平面封装）封装；X=J，表示PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier的缩写，即塑封J引线芯片封装）封装；X=A，表示TQFP（Thin Quad Flat Package的缩写，即薄型四方扁平封装）封装；X=P，表示DIP（Dual In-line Package的缩写，即双直列直插式封装）封装；X=W，表示裸芯片；X=S，表示SOIC（Small Outline Integrated Circuit Package的缩写，即小外形集成电路封装）封装。

后缀中的第三个参数“X”表示温度范围：X=C，表示商业用产品，温度范围为0～+70℃；X=I，表示工业用产品，温度范围为-40～+85℃；X=A，表示汽车用产品，温度范围为-40～+125℃；X=M，表示军用产品，温度范围为-55～+150℃；

后缀中的第四个参数“X”用于说明产品的处理情况：X为空，表示处理工艺是标准工艺；X=/883，表示处理工艺采用的是MIL-STD-883标准。

2.AVR单片机简介

基于8051内核的微控制器采用了复杂指令系统CISC（Complex Instruction Set Computing）体系。CISC结构的单片机是传统的冯·诺依曼（Von-Neumann）结构，这种结构又称普林斯顿（Princeton）体系结构。其片内程序空间和数据空间合在一起，取指令和操作数都是通过同一簇总线分时进行的，当高速运算时，取指令和操作数不能同时进行，还将会造成传输通道上的瓶颈现象。

1997年，ATMEL公司挪威设计中心的A先生和V先生出于市场需求的考虑，推出了增强型内置Flash的8位精简指令集微处理器（RISC，Reduced Instruction Set CPU），命名为AVR。

RISC结构的AVR单片机是新型的哈佛（Harvard）结构，采用了双总线结构。AVR单片机的快速存取寄存器文件由32个通用寄存器组成。传统的基于累加器的结构需要大量的程序代码，以实现累加器的存储器之间的数据传送。在AVR单片机中，32个寄存器全部直接与运算逻辑单元（ALU）相连，每个通用工作寄存器都代替了累加器。这样，使微处理器在前一条指令执行时，就取出现行的指令，从而可以避免传统CISC单片机的累加器和存储器之间传送数据时的瓶颈现象，提高了系统性能。

1）AVR单片机的特点

（1）片内含高质量的Flash程序存储器，并具有高保密性。AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新；片内含有长寿命的EEPROM，可长期保存关键数据，避免断电丢失；片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效地支持使用高级语言开发系统程序，并可像MCS-51单片机那样扩展外部RAM。

Flash程序存储器具有保密锁死（Lock）功能，并且深藏于芯片内部，可以通过自编程（Self Programming）方式远程下载被加密的更新代码。

（2）具有真正的I/O端口，能正确反映I/O端口的输入/输出真实情况。AVR单片机通用数字I/O端口的输入/输出特性与PIC单片机的HI/LOW输出及三态高阻抗HI-Z输入相似，同时可设定类似于8051单片机内部有上拉电阻的输入端功能。AVR的I/O端口资源灵活、功能强大，可以单独设定为输入/输出、也可以设定（初始）高阻输入，具有驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性。

（3）高速度、低功耗，具有SLEEP（省电休眠）功能。AVR单片机一条指令的执行速度可达50ns（20MHz），而耗电则在1μA～2.5mA之间。由于它采用新型的哈佛（Harvard）结构，具有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，所以当执行某一指令时，下一指令会被预先从程序存储器中取出，使得指令可以在每一个时钟周期内被执行。AVR单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行（2.7～5.5V），抗干扰能力强，可降低一般8位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。AVR单片机具有6种休眠功能，能够从低功耗模式迅速唤醒。

（4）具有多种独立的时钟分频器。AVR单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供URAT、I2C、SPI使用。其中与8/16位定时器配合的单片机具有多达10位的预分频器，可通过软件设定分频系数以提供多种挡次的定时时间。AVR单片机中的定时器/计数器（单）可双向计数形成三角波，再与输出比较匹配寄存器配合，生成占空比可变、频率可变、相位可变的方波，该设计方法（即脉宽调制输出PWM）令人耳目一新。

（5）定位于工业级产品。AVR单片机具有大电流10～20mA（输出电流）或40mA（吸收电流），可直接驱动LED、SSR或继电器；具有看门狗定时器（WDT）安全保护功能，可防止程序跑飞，以提高产品的抗干扰能力。

（6）具有超功能精简指令。AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于8051单片机中的32个累加器，克服了由单一累加器数据处理造成的瓶颈现象；片内含有128B～8KB个SRAM，可灵活使用指令运算，适合用C语言进行程序开发，易学、易写、易移植，并且具有很高的代码效率。

（7）通信方便、快捷、可靠，支持多机通信。其增强性的高速同/异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验帧错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便了程序的编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用。其串口功能大大超过MCS-51/96单片机的串口功能，加上AVR单片机能高速运行，中断服务时间短，因此可实现高波特率通信。

具有面向字节的高速硬件串行接口TWI、SPI。TWI与I2C接口兼容，具备ACK信号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主/从机的收/发的全部4种组合的多机通信。SPI支持主/从机的4种组合的多机通信。

（8）增强了嵌入式系统的可靠性。AVR单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路BOD，多个复位源（自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位），可设置的启动后延时运行程序，从而增强了嵌入式系统的可靠性。

AVR单片机技术集多种器件（包括FLASH程序存储器、看门狗、EEPROM、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D模数转换器、定时器/计数器等）和多种功能（增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具有输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器/计数器、具有替换功能的I/O端口……）于一身，充分体现了单片机技术从“片自为战”向“片上系统SoC”过渡的发展方向。

2）AVR单片机的分类及性能 AVR单片机系列齐全，适用于各种不同场合。它主要有低档的Tiny系列、中档的AT90系列和高档的ATmega系列的产品。

（1）低档的Tiny系列：低档的Tiny系列AVR单片机是专门为需要小型微控制的简单应用优化设计的，具有很高的性价比，主要有8个引脚的Tiny11/12/13/15/45/85、14个引脚的Tiny24/44/84、20个引脚的Tiny26/261/461/861/2313等。

（2）中档的AT90系列：中档的AT90系列AVR单片机主要有20个引脚的AT90S1200/2313/2323/2343、28个引脚的AT90S4433、40个引脚的AT90S4414/4434/8515/8535等。

（3）高档的ATmega系列：高档的ATmega系列AVR单片机主要有28个引脚的ATmega8/48/88/168、40个引脚的ATmega16/32/162/644/8535、64个引脚的ATmega128/165/325/64/645/1281/2561、100个引脚的ATmega3250/6450/640/1280/2560等。

AVR单片机从8引脚到100引脚，还有各种不同封装供用户选择，表1-1～表1-3列出了目前主流AVR单片机的各系列的性能参数。

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低功耗AVR单片机中AT90系列的单片机的生产。目前，AT90系列某些型号的单片机已经被性能更加优越的Tiny系列或ATmega系列相应的AVR单片机替代（如表1-4所示），因此在实际开发中建议不要再使用该系统。

3）AVR单片机的命名规则下面以ATmega48V-10A为例，讲述AVR单片机型号的命名规则。ATmega48V-10A型号标识说明如下。

（1）“V”代表低/宽电压版本。对于新出的AVR（如ATmega48/88/168,Tiny13/2313等）产品来说，带“V”表示工作电压为1.8～5.5V；不带“V”表示工作电压为2.7～5.5V。对于一些较老型号的AVR的单片机而言，用“L”来表示电压。“L”是“Low”的缩写，带“L”表示它可以支持低电压，其支持的电压范围为2.7～5.5V；不带“L”的则表示其支持电压范围为4.5～5.5V。

（2）后缀的数字部分代表单片机可以支持的最高系统时钟，如ATmega48V-10A指的是可以支持到10MHz的系统时钟。ATmega64-16AU及ATmega64-16AI指的是可以支持到16MHz的系统时钟。

（3）后缀的第一个字母代表单片机的封装形式，其中“P”表示DIP封装；“A”表示TQFP封装；“S”表示SOIC封装；“M”表示MLF封装。例如，ATmega48V-10A为TQFP封装。

（4）后缀的第二个字母代表单片机的应用级别，其中“C”表示商业级；“I”表示工业级；“A”表示汽车级；“E”表示扩展级（温度范围为-40～105℃）；“U”表示工业级，符合ROHS。例如，ATmega64L-8AC带“C”表示它为商业级，ATmega64L-8AI带“I”表示它为工业级。需要说明的是，由于现欧美要求使用无铅IC，所以ATMEL未来将只推出带“U”的AVR MCU，它将取代原来带“I”的型号，如ATmge8L-8AU将取代原来的ATmega64L-8AI。