AVR单片机

AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(ReducedInstructionSetCPU)精简指令集高速8位单片机。可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。AVR单片机是Atmel公司1997年推出的RISC单片机。RISC(精简指令系统计算机)是相对于CISC(复杂指令系统计算机)而言的。RISC并非只是简单地去减少指令，而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的。

中文名：AVR单片机

特点：高可靠性、功能强、低功耗

起源时间：1997年

种类：3

结构：哈佛结构

别名：高速嵌入式单片机

应用范围：计算机设备、通讯设备、家用电器

1、发展起源

AVR单片机

名字由来

1997年，由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术，共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。

功能特点

RISC优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令：并固定指令宽度，减少指令格式和寻址方式的种类，从而缩短指令周期，提高运行速度。由于AVR采用了RISC的这种结构，使AVR系列单片机都具备了1MIPS/MHz(百万条指令每秒/兆赫兹)的高速处理能力。

早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，所以采取稳妥方案：即采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。以后的CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底改观(51以及51兼容)。此间虽有某些精简指令集单片机(RISC)问世，但依然沿袭对时钟分频的作法。

AVR单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法;采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此)，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。

AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆(32个寄存器文件)和单体高速输入/输出的方案(即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑)。提高了指令执行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶颈现象，增强了功能;同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。

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。内嵌长寿命的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，同时也更有效的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。

AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设定(初始)高阻输入、驱动能力强(可省去功率驱动器件)等特性，使的得I/O口资源灵活、功能强大、可充分利用。

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位定时器配合的具有多达10位的预分频器，可通过软件设定分频系数提供多种档次的定时时间。

AVR单片机独有的“以定时器/计数器(单)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、相位可变方波的设计方法(即脉宽调制输出PWM)更是令人耳目一新。

增强性的高速同/异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、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，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能大大超过MCS-51/96单片机的串口，加之AVR单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率通讯。

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/发全部4种组合的多机通信。SPI支持主/从机等4种组合的多机通信。

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，增强了嵌入式系统的可靠性。

AVR单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行(5-2.7V)，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。

2、AVR系列选型

AVR单片机

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：主要有Tiny11/12/13/15/26/28等;

中档AT90S系列：主要有AT90S1200/2313/8515/8535等;(正在淘汰或转型到Mega中)

高档ATmega：主要有ATmega8/16/32/64/128(存储容量为8/16/32/64/128KB)以及ATmega8515/8535等。

AVR器件引脚从8脚到64脚，还有各种不同封装供选择。

优势特征

高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位,一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。

最大特点

与其它8-BitMCU相比，AVR8-BitMCU最大的特点是：

哈佛结构，具备1MIPS/MHz的高速运行处理能力;

超功能精简指令集(RISC)，具有32个通用工作寄存器，克服了如8051MCU采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象;

快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开发;

作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA(单一输出)，作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力;

片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠;

大部分AVR片上资源丰富：带E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，AnalogComparator，WDT等;

大部分AVR除了有ISP功能外，还有IAP功能，方便升级或销毁应用程序。

3、结构分类

型号标识

⒈型号紧跟的字母，表示电压工作范围。带“V”：1.8-5.5V;若缺省，不带“V”：2.7-5.5V。

例：ATmega48-20AU，不带“V”表示工作电压为2.7-5.5V。

⒉后缀的数字部分，表示支持的最高系统时钟。

例：ATmega48-20AU，“20”表示可支持最高为20MHZ的系统时钟。

⒊后缀第一(第二)个字母，表示封装。“P”：DIP封装，“A”：TQFP封装，“M”：MLF封装。

例：ATmega48-20AU，“A”表示TQFP封装。

⒋后缀最后一个字母，表示应用级别。“C”：商业级，“I”：工业级(有铅)、“U”工业级(无铅)。

例：ATmega48-20AU，“U”表示无铅工业级。ATmega48-20AI，“I”表示有铅工业级。

接口设计

USB接口以其数据传输快、连接简单、易于扩展、支持热插拔等特点已成为外设与PC通信的主要方式之一。随着嵌入式系统的发展，嵌入式微处理器需增加通用的USB接口，以便实现与PC等USB主机系统的通信。针对这样的需求，这里采用PHILIPS公司的USB接口器件PDIUSBD12和Atmel公司的AVR系列单片机ATmega8设计一种通用的USB接口模块。该模块可方便为各种嵌入式微处理器增加USB接口，从而实现与USB主机系统的高速通信。

系统硬件设计

该系统模块的控制核心是AVR高速单片机ATmega8。AVR单片机是新一代基于哈佛结构的高速RISC微控制器，具有速度快、价格低、可靠性高，I/O口线驱动能力强和片内集成外设资源丰富等特点，其内部集成有可进行ISP下载编程的Flash，EEPROM、熔丝位和锁定位。AVR单片机的ISP下载电缆制作简单、成本低廉，还有免费的下载软件(例如PonyProg)支持。PDIUSBD12是一款高性价比USB接口器件，完全符合USB1.l规范，易于与各种微处理器接口。

系统模块AVR单片机与PDIUSBD12的电路连接如图1所示。

由图1看出，由于AVR单片机具有高速性，可利用I/O端口线以软件方式模拟PDIUSBD12的时序，对其读写。这种方式可根据不同的微处理器速度灵活控制PDIUSBD12的时序和地址，无需译码电路，从而简化硬件设计，降低成本。

由于ATmega8片内集成了UART，SPI，I2C等接口，该接口模块可利用这些接口与其他系统通信，使得该接口模块成为通用的接口转换器。其系统硬件结构框图如图2所示。

USB固件程序

USB固件程序设计

本系统模块的USB固件程序采用符合ANSIC标准的GCC编译器设计，结合分层次的模块化结构，可移植性强，只需稍微修改硬件接口层即可将其移植到别的硬件平台，可重复利用代码。USB固件程序设计是基于状态机和标准的前后台式程序架构。整个同件程序的模块化层次结构如图3所示。首先编写硬件接口层hal.c和PDIUSBD12器件的命令接口层，以供上层模块调用。硬件接口层含有对PDIUSBD12写指令和读写数据的函数，以供上层模块调用。当CPU不同时，只需修改这些函数即可。由于CPU访问PDIUS-BD12与普通存储器一样，只需根据硬件连接关系，在硬件抽象层中编写对PDIUSBD12写指令、写读数据的函数，供上层调用即可。实现PDIUSBD12的命令接口层需调用硬件抽象层函数，供上层模块调用。再设计前后台程序及标准设备请求程序模块。

4、用途应用

AVR单片机

市场角度

性价比：AVR大部分型号的性价比较高，性价比表现突出的型号有：atmega48、atmega8、atmega16、atmega169P。

供货方面：通用型号的AVR供货较为稳定，非常规型号的AVR样品及供货仍存在问题。

市场占有率：AVR的市场占有率还是不如PIC与51，但AVR的优点使得AVR的市场占有一直在扩展，AVR的年用量也一直在上涨。

应用区域

AVR已被广泛用于：

空调控制板

打印机控制板

智能电表

智能手电筒

LED控制屏

医疗设备

GPS

5、注意问题

写用PORTx,读取用PINx实验时，尽量不要把管脚直接接到GND/VCC,当设定不当，IO口将会输出/灌入80mA(Vcc=5V)的大电流,导致器件损坏。

作输入时

1通常要使能内部上拉电阻，悬空(高阻态)将会很容易受干扰。(表面看好像是51的抗干扰能力强，是因为51永远有内部电阻上拉，)

2尽量不要让输入悬空或模拟输入电平接近VCC/2，将会消耗太多的电流，特别是低功耗应用场合------CMOS电路的特点

3读取软件赋予的引脚电平时需要在赋值指令out和读取指令in之间有一个时钟周期的间隔，如nop指令。

4功能模块(中断，定时器)的输入可以是低电平触发，也可以是上升沿触发或下降沿触发。

5用于高阻模拟信号输入，切记不要使能内部上拉电阻，影响精确度。例如ADC数模转换器输入,模拟比较器输入

作输出时

采用必要的限流措施，例如驱动LED要串入限流电阻

复位时

复位时内部上拉电阻将被禁用。如果应用中(例如电机控制)需要严格的电平控制，请使用外接电阻固定电平

休眠时

作输出的，依然维持状态不变

作输入的，一般无效，但如果使能了第二功能(中断使能)，其输入功能有效。例如外部中断的唤醒功能。