基本介紹
- 中文名：AVR單片機
- 特點：高可靠性、功能強、低功耗
- 起源時間：1997年
- 種類：3
- 結構：哈佛結構
- 別名：高速嵌入式單片機
- 套用範圍：計算機設備、通訊設備、家用電器
發展起源,名字由來,功能特點,優勢特徵,最大特點,結構分類,型號標識,接口設計,系統硬體設計,USB固件程式,用途套用,市場角度,套用區域,注意問題,
發展起源
名字由來
1997年，由ATMEL公司挪威設計中心的A先生與V先生利用ATMEL公司的Flash新技術，共同研發出RISC精簡指令集的高速8位單片機，簡稱AVR。
功能特點
RISC 優先選取使用頻率最高的簡單指令，避免複雜指令：並固定指令寬度，減少指令格式和定址方式的種類，從而縮短指令周期，提高運行速度。由於 AVR 採用了 RISC 的這種結構，使AVR系列單片機都具備了1MIPS/MHz（百萬條指令每秒/兆赫茲）的高速處理能力。
早期單片機主要由於工藝及設計水平不高、功耗高和抗干擾性能差等原因，所以採取穩妥方案：即採用較高的分頻係數對時鐘分頻，使得指令周期長，執行速度慢。以後的CMOS單片機雖然採用提高時鐘頻率和縮小分頻係數等措施，但這種狀態並未被徹底改觀(51以及51兼容)。此間雖有某些精簡指令集單片機(RISC)問世，但依然沿襲對時鐘分頻的作法。
AVR單片機的推出，徹底打破這種舊設計格局，廢除了機器周期，拋棄複雜指令計算機(CISC)追求指令完備的做法；採用精簡指令集，以字作為指令長度單位，將內容豐富的運算元與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數的單周期指令都是如此)，取指周期短，又可預取指令，實現流水作業，故可高速執行指令。當然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其後盾的。
AVR單片機硬體結構採取8位機與16位機的折中策略，即採用局部暫存器存堆(32個暫存器檔案)和單體高速輸入/輸出的方案(即輸入捕獲暫存器、輸出比較匹配暫存器及相應控制邏輯)。提高了指令執行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶頸現象，增強了功能；同時又減少了對外設管理的開銷，相對簡化了硬體結構，降低了成本。故AVR單片機在軟/硬體開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了最佳化平衡，是高性價比的單片機。
AVR單片機內嵌高質量的Flash程式存儲器，擦寫方便，支持ISP和IAP，便於產品的調試、開發、生產、更新。內嵌長壽命的EEProm可長期保存關鍵數據，避免斷電丟失。片內大容量的RAM不僅能滿足一般場合的使用，同時也更有效的支持使用高級語言開發系統程式，並可像MCS-51單片機那樣擴展外部RAM。
AVR單片機的I/O線全部帶可設定的上拉電阻、可單獨設定為輸入/輸出、可設定（初始）高阻輸入、驅動能力強（可省去功率驅動器件）等特性，使的得I/O口資源靈活、功能強大、可充分利用。
AVR單片機片內具備多種獨立的時鐘分頻器，分別供URAT、I2C、SPI使用。其中與8/16位定時器配合的具有多達10位的預分頻器，可通過軟體設定分頻係數提供多種檔次的定時時間。
AVR單片機獨有的“以定時器/計數器（單）雙向計數形成三角波，再與輸出比較匹配暫存器配合，生成占空比可變、頻率可變、相位可變方波的設計方法(即脈寬調製輸出PWM)更是令人耳目一新。
增強性的高速同/異步串口，具有硬體產生校驗碼、硬體檢測和校驗偵錯、兩級接收緩衝、波特率自動調整定位（接收時）、禁止數據幀等功能，提高了通信的可靠性，方便程式編寫，更便於組成分散式網路和實現多機通信系統的複雜套用，串口功能大大超過MCS-51/96單片機的串口，加之AVR單片機高速，中斷服務時間短，故可實現高波特率通訊。
面向位元組的高速硬體串列接口TWI、SPI。TWI與I2C接口兼容，具備ACK信號硬體傳送與識別、地址識別、匯流排仲裁等功能，能實現主/從機的收/發全部4種組合的多機通信。SPI支持主/從機等4種組合的多機通信。
AVR單片機有自動上電復位電路、獨立的看門狗電路、低電壓檢測電路BOD，多個復位源(自動上下電復位、外部復位、看門狗復位、BOD復位)，可設定的啟動後延時運行程式，增強了嵌入式系統的可靠性。
AVR系列單片機的選型
AVR單片機系列齊全,可適用於各種不同場合的要求。
AVR單片機有3個檔次：
低檔Tiny系列：主要有Tiny11/12/13/15/26/28等；
中檔AT90S系列：主要有AT90S1200/2313/8515/8535等；(正在淘汰或轉型到Mega中)
高檔ATmega：主要有ATmega8/16/32/64/128（存儲容量為8/16/32/64/128KB）以及ATmega8515/8535等。
AVR器件引腳從8腳到64腳，還有各種不同封裝供選擇。
優勢特徵
高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位,一直是衡量單片機性能的重要指標，也是單片機占領市場、賴以生存的必要條件。
最大特點
與其它8-Bit MCU相比，AVR 8-Bit MCU最大的特點是：
- 哈佛結構，具備1MIPS / MHz的高速運行處理能力；
- 超功能精簡指令集（RISC），具有32個通用工作暫存器，克服了如8051 MCU採用單一ACC進行處理造成的瓶頸現象；
- 快速的存取暫存器組、單周期指令系統，大大最佳化了目標代碼的大小、執行效率，部分型號FLASH非常大，特別適用於使用高級語言進行開發；
- 作輸出時與PIC的HI/LOW相同，可輸出40mA（單一輸出），作輸入時可設定為三態高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入，具備10mA-20mA灌電流的能力；
- 片內集成多種頻率的RC振盪器、上電自動復位、看門狗、啟動延時等功能，外圍電路更加簡單，系統更加穩定可靠；
- 大部分AVR除了有ISP功能外，還有IAP功能，方便升級或銷毀應用程式。
結構分類
型號標識
⒈型號緊跟的字母，表示電壓工作範圍。帶“V”：1.8-5.5V；若預設，不帶“V”：2.7-5.5V。
例：ATmega48-20AU，不帶“V”表示工作電壓為2.7-5.5V。
⒉後綴的數字部分，表示支持的最高系統時鐘。
例：ATmega48-20AU，“20”表示可支持最高為20MHZ的系統時鐘。
⒊後綴第一（第二）個字母，表示封裝。“P”：DIP封裝，“A”：TQFP封裝，“M”：MLF封裝。
例：ATmega48-20AU，“A”表示TQFP封裝。
⒋後綴最後一個字母，表示套用級別。“C”：商業級，“I”：工業級（有鉛）、“U”工業級（無鉛）。
例：ATmega48-20AU，“U”表示無鉛工業級。ATmega48-20AI，“I”表示有鉛工業級。
接口設計
USB接口以其數據傳輸快、連線簡單、易於擴展、支持熱插拔等特點已成為外設與PC通信的主要方式之一。隨著嵌入式系統的發展，嵌入式微處理器需增加通用的USB接口，以便實現與PC等USB主機系統的通信。針對這樣的需求，這裡採用PHILIPS公司的USB接口器件PDIUSBD12和Atmel公司的AVR系列單片機ATmega8設計一種通用的USB接口模組。該模組可方便為各種嵌入式微處理器增加USB接口，從而實現與USB主機系統的高速通信。
系統硬體設計
該系統模組的控制核心是AVR高速單片機ATmega8。AVR單片機是新一代基於哈佛結構的高速RISC微控制器，具有速度快、價格低、可靠性高，I/O口線驅動能力強和片內集成外設資源豐富等特點，其內部集成有可進行ISP下載編程的Flash，EEPROM、熔絲位和鎖定位。AVR單片機的ISP下載電纜製作簡單、成本低廉，還有免費的下載軟體（例如PonyProg）支持。PDIUSBD12是一款高性價比USB接口器件，完全符合USB1.l規範，易於與各種微處理器接口。
系統模組AVR單片機與PDIUSBD12的電路連線如圖1所示。
由圖1看出，由於AVR單片機具有高速性，可利用I/O連線埠線以軟體方式模擬PDIUSBD12的時序，對其讀寫。這種方式可根據不同的微處理器速度靈活控制PDIUSBD12的時序和地址，無需解碼電路，從而簡化硬體設計，降低成本。
由於ATmega8片內集成了UART，SPI，I2C等接口，該接口模組可利用這些接口與其他系統通信，使得該接口模組成為通用的接口轉換器。其系統硬體結構框圖如圖2所示。
USB固件程式
USB固件程式設計
本系統模組的USB固件程式採用符合ANSI C標準的GCC編譯器設計，結合分層次的模組化結構，可移植性強，只需稍微修改硬體接口層即可將其移植到別的硬體平台，可重複利用代碼。USB固件程式設計是基於狀態機和標準的前後台式程式架構。整個同件程式的模組化層次結構如圖3所示。首先編寫硬體接口層hal.c和PDIUSBD12器件的命令接口層，以供上層模組調用。硬體接口層含有對PDIUSBD12寫指令和讀寫數據的函式，以供上層模組調用。當CPU不同時，只需修改這些函式即可。由於CPU訪問PDIUS-BD12與普通存儲器一樣，只需根據硬體連線關係，在硬體抽象層中編寫對PDIUSBD12寫指令、寫讀數據的函式，供上層調用即可。實現PDIUSBD12的命令接口層需調用硬體抽象層函式，供上層模組調用。再設計前後台程式及標準設備請求程式模組。
用途套用
市場角度
- 性價比：AVR大部分型號的性價比較高，性價比表現突出的型號有：atmega48、atmega8、atmega16、atmega169P。
- 供貨方面：通用型號的AVR供貨較為穩定，非常規型號的AVR樣品及供貨仍存在問題。
- 市場占有率：AVR的市場占有率還是不如PIC與51，但AVR的優點使得AVR的市場占有一直在擴展，AVR的年用量也一直在上漲。
套用區域
AVR已被廣泛用於：
- 空調控制板
- 印表機控制板
- 智慧型電錶
- LED控制屏
- 醫療設備
- GPS
注意問題
寫用PORTx,讀取用PINx
實驗時，儘量不要把管腳直接接到GND/VCC,當設定不當，IO口將會輸出/灌入 80mA(Vcc=5V)的大電流,導致器件損壞。
作輸入時：
1通常要使能內部上拉電阻，懸空(高阻態)將會很容易受干擾。(表面看好像是51的抗干擾能力強，是因為51永遠有內部電阻上拉，)
2儘量不要讓輸入懸空或模擬輸入電平接近VCC/2，將會消耗太多的電流，特別是低功耗套用場合------CMOS電路的特點
3讀取軟體賦予的引腳電平時需要在賦值指令out 和讀取指令in 之間有一個時鐘周期的間隔，如nop 指令。
4功能模組(中斷，定時器)的輸入可以是低電平觸發，也可以是上升沿觸發或下降沿觸發。
5用於高阻模擬信號輸入，切記不要使能內部上拉電阻，影響精確度。例如ADC數模轉換器輸入,模擬比較器輸入
作輸出時：
採用必要的限流措施，例如驅動LED要串入限流電阻
復位時：
復位時內部上拉電阻將被禁用。如果套用中(例如電機控制)需要嚴格的電平控制，請使用外接電阻固定電平
休眠時：
作輸出的，依然維持狀態不變
作輸入的，一般無效，但如果使能了第二功能(中斷使能)，其輸入功能有效。例如 外部中斷的喚醒功能。
