第4章 ATmega16通用I/O控制

AVR单片机是ATMEL公司于1997年推出的一款RISC指令架构的高性能、低功耗的8位单片机。AVR单片机系列齐全，可适用于各种不同场合的要求，现主要有低档的Tiny系列、中档的AT90系列和高档的ATmega系列的产品。本章将以ATmega16单片机为例讲述AVR单片机的基本结构及简单I/O端口的应用。

4.1 ATmega16的基本结构

ATmega16是ATmega系列中比较典型的AVR单片机。这款单片机具备了AVR单片机的主要特点和功能，不仅适用于产品设计，也便于初学者尽快入门。

1.ATmega16的特点

ATmega16单片机内部接口丰富、功能齐全，并具有较高的性价比。具体而言，它具有以下特点。

1）采用先进的RISC结构

（1）由131条指令构成8位精简指令集，且大多数指令执行时间为单个时钟周期。

（2）具有32个8位通用工作寄存器。

（3）工作于16MHz时，性能达到16MIPS（Million Instructions Per Second的缩写，指每秒处理的百万级的机器语言指令数，是衡量CPU速度的一个指标）。

（4）配备只需两个时钟周期的硬件乘法器。

2）片内含有较大容量、非易失性的程序和数据存储器

（1）16KB的在系统可编程（ISP）的Flash存储器，其擦写次数为1万次。

（2）具有独立锁定位的可选Boot代码区，可通过片上的Boot程序实现系统内编程（IAP），真正实现了同时进行读写操作。

（3）具有1KB的片内SRAM数据存储器，可实现3级锁定的程序加密。

（4）具有512B片内在线可编程E2PROM数据存储器，其擦写次数为10万次。

3）片内含JTAG（与IEEE1149.1标准兼容）

（1）支持符合JTAG标准的边界扫描功能，用于芯片检测。

（2）支持扩展的片内在线调试功能。

（3）可通过JTAG接口实现对Flash、E2PROM、熔丝位和锁定位的编程。

4）外围器件特点

（1）两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器。

（2）一个具有预分频器、比较功能的捕捉功能的16位定时器/计数器。

（3）具有独立振荡器的实时计数器RTC。

（4）具有四通道PWM。

（5）具有8路10位ADC，8个单端通道，TQFP封装的7个差分通道，两个具有可编程增益（1x、10x或200x）的差分通道。

（6）具有面向字节的两线接口TWI（兼容I2C硬件接口）。

（7）具有两个可编程的串行USART。

（8）具有可工作于主机/人机模式的SPI串行接口。

（9）具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器WDT。

（10）具有片内模拟比较器。

5）特殊的处理器特点

（1）片内含上电复位电路及可编程的掉电检测复位电路BOD。

（2）片内含有1/2/4/8MHz经过标定的、可校正的RC振荡器，可作为系统时钟使用。（3）具有多达21个各种类型的片内/片外中断源。

（4）有6种睡眠模式：空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式及扩展的Standby模式。

6）I/O的封装

（1）具有32个可编程的I/O口。

（2）具有40引脚PDIP封装，44引脚TQFP封装与44引脚MLF封装。

7）工作电压

（1）ATmega16L为2.7～5.5V。

（2）ATmega16为4.5～5.5V。

8）运行速度

（1）ATmega16L为0～8MHz。

（2）ATmega16为0～16MHz。

9）ATmega16L在1MHz、3V、25℃时的功耗

（1）正常模式：1.1mA。

（2）空闲模式：0.35mA。

（3）掉电模式：<1μA。

2.ATmega16的外部引脚及配置

ATmega16单片机有3种形式的封装：PDIP-40（双列直插）、TQFP-44（方形）和MLF-44（贴片形式），其外部封装形式如图4-1所示。

PDIP-40（双列直插）封装的ATmega16单片机的外部引脚功能配置如表4-1所示。

3.ATmega16的内部结构

ATmega16的内部结构框图如图4-2所示，从图中可以看出，它主要由AVR CPU、Flash程序存储器、数据存储器RAM、E2PROM、各种功能的外围接口、I/O口，以及相关的数据、控制、状态寄存器等组成。

AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑单元（ALU，又称算逻单元）相连接，使得一条指令可以在1个时钟周期内同时访问2个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器快最高10倍的数据吞吐率。

ATmega16是以ATMEL高密度、非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash允许程序存储器通过ISP串行接口或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区（Application Flash Memory）中。在更新应用Flash存储区时引导Flash区（Boot Flash Memory）的程序继续运行，实现了系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW）操作。通过将8位RISC CPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。

4.ATmega16的CPU结构

CPU的主要任务是保证程序的正确执行。因此，它必须能够访问存储器（SRAM、E2PROM、Flash程序存储器）、执行运算、控制外设及处理中断。ATmega16的CPU结构框图如图4-3所示，它由运算逻辑单元ALU、程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器的32个8位快速访问通用寄存器组成。

AVR采用Harvard结构，具有独立的数据和程序总线。Flash程序存储器里的指令通过一级流水线运行。CPU在执行一条指令的同时读取下一条指令。这种结构实现了指令的单时钟周期运行，从而显著提高了指令的执行速度。

CPU内的快速访问通用寄存器文件包括32个8位通用寄存器，访问时间为1个时钟周期，从而实现了单时钟周期的ALU操作。在典型的ALU操作中，两个位于寄存器文件中的操作数同时被访问，然后执行运算，结果再被送回到寄存器文件中，整个过程仅需1个时钟周期。寄存器文件里有6个寄存器可以用做3个16位的间接寻址寄存器指针以寻址数据空间，实现高效的地址运算。其中1个指针还可以用做程序存储器查询表的地址指针。这些附加的功能寄存器即为16位的X、Y、Z寄存器。

ALU与32个8位通用寄存器直接相连，支持通用寄存器之间及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。ALU也可以执行单寄存器操作。运算完成之后状态寄存器的内容会得到更新，以反映操作结果。

程序流程通过有/无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而直接寻址整个地址空间。大多数指令长度为16位，即每个程序存储器地址都包含1条16位或32位的指令。

程序存储器空间分为两个区：引导程序区（Boot区）和应用程序区。这两个区都有专门的锁定位以实现读/写保护。用于写应用程序区的SPM指令必须位于引导程序区。

在中断和调用子程序时，返回地址的程序计数器（PC）保存于堆栈之中。堆栈位于通用数据SRAM中，因此其深度仅受限于SRAM的大小。在AVR单片机上电复位时，堆栈指针SP初始化为0x00，因此用户应该注意在程序开始时就初始化16位堆栈指针寄存器SP来指向SRAM。这个SP指针位于I/O空间中，可以进行读/写访问。数据SRAM可以通过5种不同的寻址模式进行访问。

1）状态寄存器SREG状态寄存器SREG是一个8位标志寄存器，用来存放执行算术指令后的结果信息。这些信息可以用来改变程序流程以实现条件操作。状态寄存器的内容只有在ALU运算出来后才会更新。这样，在许多情况下就不需要专门的比较指令了，从而使系统运行更快速，代码效率更高。在进入中断服务程序时，状态寄存器中的内容不会自动保存，中断返回时也不会自动恢复。这些工作需要由软件来处理。

ATmega16的状态寄存器SREG在I/O空间的地址为0x3F(0x005F)，各标志位的定义如下所示。

（1）I（bit7）：全局中断使能位。该标志位为AVR中断总控制开关，单独的中断使能由其他独立的寄存器控制。当I置为“1”时，表示CPU可以响应中断请求；当I清“0”时，不管单独中断标志位的状态是“0”还是“1”，都不会产生中断。当响应任意一个中断后，I位由硬件清“0”，而执行RETI指令后，I将恢复置位为“1”以便重新使能中断。I也可以通过SEI和CLI指令来软件置“1”和清“0”。

（2）T（bit6）：位复制存储位。位复制指令BLD和BST将T作为目的或源地址。通用寄存器组中任何一个寄存器中的一位可以通过BST指令复制到T中，而用BLD指令可以将T中的位值复制到通用寄存器组中的任何一个寄存器的一位中。

（3）H（bit5）：半进位标志位。半进位标志H表示在一些算术操作过程中有无半进位（即低4位向高4位进位或借位）的产生。此标志位对于BCD运算而言非常有用。

（4）S（bit4）：符号标志位。S=N⊕V，即S为负数标志N与2的补码溢出标志V的“异或”值。

（5）V（bit3）：2的补码溢出标志。该标志位支持2的补码运算，用于指示算术运算中是否产生溢出。溢出表示运算结果超出了正数（或负数）所能表示的范围。

（6）N（bit2）：负数标志位。该标志位为运算结果的最高位。N=1，表示运算结果为负数；N=0，表示运算结果为正数。

（7）Z（bit1）：零标志位。该位表示在CPU的运算和逻辑操作后，其结果是否为“0”。Z=0，表示结果为零。

（8）C（bit0）：进位/借位标志位。该标志位表示在CPU的运算和逻辑操作过程中，是否产生了进位或借位。

2）堆栈指针SP堆栈指针SP主要用来保存临时数据、局部变量和中断或子程序的返回地址。堆栈指针总是指向堆栈的顶部。AVR的堆栈是向下生长的，即新数据推入堆栈时，堆栈指针的数值将减小。堆栈指针指向数据SRAM堆栈区，在此聚集了子程序堆栈和中断堆栈。调用子程序和使能中断之前必须定义堆栈空间，且堆栈指针必须指向高于0x60的地址空间。使用PUSH指令将数据推入堆栈时，指针减1；而将子程序或中断返回地址推入堆栈时，指针将减2。使用POP指令将数据弹出堆栈时，堆栈指针加1；而用RET或RETI指令从子程序或中断返回时，堆栈指针加2。

AVR的堆栈指针由I/O地址空间中的两个8位寄存器SPH和SPL实现。SPH的地址空间为0x3E（0x005E）；SPL的地址空间为0x3D（0x005D）。AVR堆栈指针SP实际使用的位数与具体器件有关：对于ATmega16而言，由于低于0x0060的区域为寄存器空间，所以堆栈指针必须指向高于0x0060的SRAM地址空间。ATmega16片内集成了1KB的SRAM，不支持外部扩展SRAM，因此堆栈指针寄存器SP的初始值设在SRAM的最高端，即0x045F处。

5.ATmega16的存储器组织

ATmega16单片机片内集成了Flash程序存储器、SRAM数据存储器和E2PROM数据存储器。这3个存储器空间互相独立，物理结构也不相同。虽然它们的物理结构不同，但是这3个存储器的空间均采用了线性的平面结构，如图4-4所示。

1）Flash程序存储器 ATmega16具有16KB的在线编程Flash，用于存放程序指令代码。因为所有的AVR指令为16位或32位，所以Flash组织为8K×16位的形式。Flash程序存储器被分为两个区：引导(Boot)程序区和应用程序区。

Flash程序存储器至少可以擦写1万次。ATmega16的程序计数器（PC）为13位，因此可以寻址8KB的程序存储器空间。

2）SRAM数据存储器 ATmega16具有1120字节的片内SRAM，由通用寄存器（R0～R31）、I/O寄存器和SRAM数据存储器组成。

ATmega16单片机的SRAM的起始地址段0x0000～0x001F（即96个地址）为寄存器文件（R0～R31共32个8位通用寄存器），其中最后6个寄存器R26～R31组成X、Y、Z 3个16位寄存器，用于存放间接寻址的地址指针。R26和R27组成X寄存器，R26为X寄存器的低8位，R27为X寄存器的高8位；R28和R29组成Y寄存器，R28为Y寄存器的低8位，R29为Y寄存器的高8位；R30和R31组成Z寄存器，R30为Z寄存器的低8位，R31为Z寄存器的高8位。

ATmega16单片机的SRAM的地址段0x0020～0x005F为I/O寄存器，I/O寄存器支持专用的I/O指令访问和SRAM地址访问。如果使用IN和OUT指令访问I/O寄存器时，地址单元为0x00～0x3F；而将I/O寄存器作为普通SRAM访问时，地址单元则为0x0020～0x005F。

ATmega16单片机的I/O寄存器的地址空间分配、名称和功能描述如表4-2所示。

直接给用户使用的SRAM单元为0x006F～0x045F，共1024B，这部分SRAM单元用于存放在程序执行过程中定义的各种变量。

3）E2PROM数据存储器 ATmega16包含512B的E2PROM数据存储器。它是作为一个独立的数据空间而存在的，可以通过相关的寄存器按字节对其进行读/写操作。EEPROM的擦除次数达10万次以上。E2PROM的访问由地址寄存器、数据寄存器和控制寄存器决定。

6.ATmega16的系统控制

1）时钟系统

（1）时钟系统和时钟分配：ATmega16的主要时钟系统及其分布如图4-5所示，这些时钟并不需要同时工作。为了降低功耗，可以使用不同的睡眠模式来禁止无须工作的模块时钟。

ATmega16的时钟系统将产生的时钟信号主要有：clkCPU（CPU时钟）、clkI/O（I/O时钟）、clkFlash（Flash时钟）、clkASY（异步定时器时钟）、clkADC（ADC时钟）。

clkCPU（CPU时钟）与操作AVR内核的子系统相连，如通用寄存器文件、状态寄存器及保存堆栈指针的数据存储器。如果终止CPU时钟，将使CPU内核停止工作和计算。

clkI/O（I/O时钟）用于主要的I/O模块，如定时器/计数器、SPI和USART。clkI/O还用于外部中断模块。由于有些外部中断是通过异步逻辑检测的，所以即使clkI/O停止了，这些中断仍然可以得到监控。此外，TWI模块的地址识别功能在没有clkI/O的情况下也是异步实现的，使得这个功能在任何睡眠模式下都可以正常工作。

clkFlash控制Flash接口的操作。此时钟通常与CPU时钟同时挂起或激活。

clkASY允许异步定时器/计数器与LCD控制器直接由外部32kHz时钟晶体驱动，使得此定时器/计数器即使在睡眠模式下仍然可以为系统提供一个实时时钟。

ADC具有专门的时钟clkADC，这样可以在ADC工作时停止CPU和I/O时钟以降低数字电路产生的噪声，从而提高ADC的转换精度。

（2）时钟源：ATmega16芯片可以通过Flash熔丝位来选择系统的时钟源，如表4-3所示。对于所有的熔丝位，“1”表示未编程；“0”表示已编程。时钟先输入到AVR时钟发生器，再分配给相应的模块。器件出厂时，默认设置为CKSEL=“0010”，SUT=“10”。这种默认设置的时钟源为1MHz的内部RC振荡器，启动时间最长，可以保证用户通过ISP或者并行编程器得到所需的时钟源。

（3）外部晶体振荡器：XTAL1与XTAL2分别为片内振荡器的反向放大器的输入和输出。在XTAL1与XTAL2引脚上外接振荡器和电容可组成谐振回路（如图4-6所示），配合片内的OSC振荡回路还可构成稳定的自激振荡器，这个振荡器可以使用石英晶体，也可以使用陶瓷谐振器。熔丝位CKOPT用来选择这两种放大器模式的其中之一。当CKOPT被编程时，振荡器在输出引脚产生满幅度的振荡。这种模式适合于噪声环境，以及需要通过XTAL2驱动第二个时钟缓冲器的情况，而且这种模式的频率范围比较宽。当保持CKOPT为未编程状态时，振荡器的输出信号幅度比较小。其优点是大大降低了功耗，但是频率范围比较窄，而且不能驱动其他时钟缓冲器。

对于谐振器，其频率可在0～16MHz之间选择。CKOPT未编程时的选择谐振器的最高频率为8MHz，CKOPT编程时选择谐振器的最高频率为16MHz。C1和C2的数值要一样，不管使用的是晶体还是谐振器。其最佳的数值与使用的晶体或谐振器有关，还与杂散电容和环境的电磁噪声有关。振荡器可以工作在3种不同的模式下，每一种模式都有一个优化的频率范围，如表4-4所示。

表4-5列出了熔丝位CKSEL[0]及SUT[1..0]用于选择的启动时间。

（4）外部低频晶体振荡器：为了使用32.768kHz钟表晶体作为器件的时钟源，必须将熔丝位CKSEL设置为“1001”以选择低频晶体振荡器。外部低频晶体振荡器的连接也可采用如图4-6所示的方式。通过对熔丝位CKOPT的编程，用户可以使能XTAL1和XTAL2的内部电容（内部电容的标定数值为36pF），从而去除外部电容。选择了这个振荡器之后，启动时间由熔丝位SUT确定，如表4-6所示。

（5）外部RC振荡器：对于时间不敏感的应用可以使用如图4-7所示的外部RC振荡器。频率可以通过方程f=1/(3RC)进行粗略的估计。电容C至少要为22pF。通过编程熔丝位CKOPT，用户可以使能XTAL1和GND之间的片内36pF电容，从而省去外部电容。

振荡器可以工作在4个不同的模式下，每个模式有自己的优化频率。工作模式通过熔丝位CKSEL[3..0]选取，如表4-7所示。

选择了这个振荡器后，启动时间由熔丝位SUT确定，如表4-8所示。注意，当SUT[1..0]为“11”时，只能用于工作频率不太接近于最大频率时的情况。

（6）标定的片内RC振荡器：标定的片内RC振荡器提供了固定的1.0MHz，2.0MHz，4.0MHz或8.0MHz时钟。这些频率都是在5V、25℃条件下的标定值。这些固定频率的时钟也可以作为系统时钟，只要按照表4-9所示对熔丝位CKSEL进行编程即可。选择这些固定频率时钟（此时不能对CKOPT进行编程）之后就无须外部器件了。复位时硬件将标定字节加载到OSCCAL寄存器中，自动完成对RC振荡器的标定。在5V、25℃和频率为1.0 MHz的条件下，这种标定可以提供在标称频率的±1%范围内的精度。当使用这个振荡器作为系统时钟时，看门狗仍然使用自己的看门狗定时器作为溢出复位的依据。

选择了这个振荡器之后，启动时间由熔丝位SUT确定，如表4-10所示。XTAL1和XTAL2要保持为空。

振荡器标定寄存器OSCCAL定义如下所示。

CAL7～CAL0（bit7～bit0）为振荡器标定数值。

将标定数值写入寄存器OSCCAL中可以对内部振荡器进行调节，以消除由生产工艺所带来的振荡器频率偏差。复位时，1MHz的标定数据（标识数据的高字节，地址为0x00）会自动加载到OSCCAL寄存器中。如果需要片内RC振荡器工作于其他频率，标定数据必须人工加载：首先通过编程器读取标识数据，然后将标定数据保存到Flash或E2PROM之中。这些数据可以先通过软件读取，然后再加载到OSCCAL寄存器中。当OSCCAL为“0x00”时，振荡器以最低频率工作；当对其写不为“0”的数据时，内部振荡器的频率将增长；写入0xFF时，即得到最高频率。标定的振荡器用来访问E2PROM和Flash定时。有写E2PROM和Flash的操作时，不要将频率标定到超过标称频率的10%，否则写操作有可能失败。要注意振荡器只对1.0MHz、2.0MHz、4.0MHz和8.0MHz这4种频率进行了标定，其他频率则无法保证，如表4-11所示。

（7）外部时钟源：为了从外部时钟源驱动芯片，XTAL1必须按如图4-8所示的方法进行连接。同时，熔丝位CKSEL必须编程为“0000”。若熔丝位CKOPT也被编程，用户就可以使用内部的XTAL1和GND之间的36pF电容了。选择了这个外部时钟源之后，启动时间由熔丝位SUT确定，如表4-12所示。

为了保证MCU能够稳定工作，不能突然改变外部时钟源的振荡频率。工作频率突变超过2%时将会产生异常现象。应该在MCU保持复位状态时改变外部时钟的振荡频率。

（8）定时/计数器振荡器：对于拥有定时器/振荡器引脚（TOSC1和TOSC2）的AVR微处理器而言，晶体可以直接与这两个引脚连接，无须外部电容。此振荡器针对32.768kHz的钟表晶体做了优化。建议不在TOSC1引脚输入振荡信号。

2）电源管理—睡眠模式睡眠模式可以使应用程序关闭MCU中没有使用的模块，从而降低功耗。AVR具有不同的睡眠模式，允许用户根据自己的应用要求进行设置。进入睡眠模式的条件是先置位寄存器MCUCR的SE，然后执行SLEEP指令。具体哪一种模式（空闲模式、ADC噪声抑制模式、掉电模式、省电模式、Standby模式或扩展Standby模式）由MCUCR的SM2、SM1和SM0决定，如表4-13所示。使能的中断可以将进入睡眠模式的MCU唤醒。经过启动时间，外加4个时钟周期后，MCU就可以运行中断服务程序了，然后会返回到SLEEP的下一条指令。唤醒时不会改变寄存器文件和SRAM的内容。如果在睡眠过程中发生了复位，则MCU唤醒后从中断向量开始执行。

ATmega16控制寄存器MCUCR包含了电源管理的控制位，各位的定义如下所示。

（1）SM2～SM0（bit7、bit5、bit4）：休眠模式选择位。

（2）SE（bit6）：休眠使能。为了使MCU在执行SLEEP指令后进入休眠模式，SE必须置“1”。为了确保进入休眠模式，建议在SLEEP指令的前1条指令将SE置“1”。MCU一旦唤醒会立即清除SE位。

3）复位系统 ATmega16有5个复位源：上电复位、外部复位、看门狗复位、掉电检测复位和JTAG复位。复位时所有的I/O寄存器都被设置为初始值，程序从复位向量处开始执行。所有的复位信号消失之后，芯片内部的1个延迟计数器被激活，将内部复位的时间延长。这种处理方式使得在MCU正常工作之前有一定的时间让电源达到稳定的电平。

MCUCSR为MCU控制和状态寄存器，它提供了有关引起MCU复位的复位源的信息，各位的定义如下所示。

（1）JTD（bit7）：禁止/允许JTAG接口。此位为“0”时，如果JTAGEN熔丝位被编程则JTAG接口使能；如果此位为“1”，则JTAG接口禁止。

（2）ISC2（bit6）：外部中断2（INT2）触发方式选择位。此位为“0”时，INT2下降沿中断；如果此位为“1”，INT2上升沿中断。

（3）JTRF（bit4）：JTAG复位标志。通过JTAG指令AVR_RESET可以使JTAG复位寄存器置位，引发MCU复位，并使JTRF置“1”。上电复位将使其清“0”，也可以通过软件清“0”。

（4）WDRF（bit3）：看门狗复位标志。看门狗复位发生时置“1”。上电复位将使其清“0”，也可以通过软件清“0”。

（5）BORF（bit2）：掉电检测复位标志。掉电检测复位发生时置“1”。上电复位将使其清“0”，也可以通过软件清“0”。

（6）EXTRF（bit1）：外部复位标志。外部复位发生时置“1”。上电复位将使其清“0”，也可以通过软件清“0”。

（7）PORF（bit0）：上电复位标志。上电复位发生时置“1”，只能通过软件清“0”。