第2章 AVR體系結(jié)構(gòu)

1、西南(xnn)大學電子信息工程學院1第二章 AVR單片機的基本(jbn)結(jié)構(gòu)共七十二頁2共七十二頁3單片機的基本(jbn)體系結(jié)構(gòu)內(nèi)部中斷內(nèi)部總匯振蕩器和時序電路操作管理寄存器程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器定時器計數(shù)器CPU中斷控制總 線 擴展控制器并行I/O接口串行I/O接口圖2-1 典型單片機的基本組成結(jié)構(gòu)外部時鐘元 外部時間計數(shù)共七十二頁4單片機基本(jbn)單元與作用 MCU (CPU、時鐘系統(tǒng)、復位、總線控制(kngzh)邏輯等電路 )SRAM程序存儲器IO口操作管理寄存器 共七十二頁MCUMCU單元部分包括(boku)了CPU、時鐘系統(tǒng)、復位、總線控制邏輯等電路。CPU是按照面向測控對象、嵌

2、入式應用的要求設(shè)計的，其功能有進行算術(shù)、邏輯、比較等運算和操作，并將結(jié)果和狀態(tài)信息與存儲器以及狀態(tài)寄存器進行交換（讀/寫）。時鐘和復位電路實現(xiàn)上電復位、信號控制復位，產(chǎn)生片內(nèi)各種時鐘及功耗管理等。總線控制電路則產(chǎn)生各類控制邏輯信號，滿足MCU對內(nèi)部和外部總線的控制。其中，內(nèi)部總線用以實現(xiàn)片內(nèi)各單元電路的協(xié)調(diào)操作和數(shù)據(jù)傳輸，而外部總線控制用于單片機外圍擴展的操作管理。5共七十二頁片內(nèi)存儲器(ni cn ch q)單片機的存儲器一般分成程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，它們往往構(gòu)成相互獨立的兩個存儲空間，分別尋址，互不干擾。在這一點上，與通用計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是不同的。通用計算機系統(tǒng)通常采用(ciyng)“V

3、on-Neumann”結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)體系中采用了單一的數(shù)據(jù)總線用于指令和數(shù)據(jù)的存取，因此數(shù)據(jù)和指令是存放在同一個存儲空間中的，CPU使用同一條數(shù)據(jù)總線與數(shù)據(jù)和程序進行交換。而單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常使用“Harvard”體系結(jié)構(gòu)，在這種體系中采用分開的指令和數(shù)據(jù)總線，以及分開的指令和數(shù)據(jù)地址空間。單片機采用Harvard雙（多）總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是，指令和數(shù)據(jù)空間完全分開，分別通過專用的總線同CPU交換，可以實現(xiàn)對程序和數(shù)據(jù)的同時訪問，提高了CPU的執(zhí)行速度和數(shù)據(jù)的吞吐率。6共七十二頁程序(chngx)存儲器程序存儲器用于存放嵌入式系統(tǒng)的應用程序。由于單片機嵌入式系統(tǒng)的應用程序在開發(fā)調(diào)試(dio s

4、h)完成后不需要經(jīng)常改變，因此單片機的程序存儲器多采用只讀型ROM存儲器，用于永久性的存儲系統(tǒng)的應用程序。為適應不同產(chǎn)品、用戶和不同場合的需要。7共七十二頁程序(chngx)存儲器ROMLessEPROMMaskROMOTPROMFLASH ROM8共七十二頁數(shù)據(jù)(shj)存儲器隨機存儲器用來存儲系統(tǒng)程序在運行期間(qjin)的工作變量和臨時數(shù)據(jù)的電可擦除存儲器這類數(shù)據(jù)存儲器用于存放一些永久或比較固定的系統(tǒng)參數(shù)，如放大倍率、電話號碼、時間常數(shù)等。EEPROM的壽命大于10萬次，具有掉電后不丟失數(shù)據(jù)的特點，并且通過系統(tǒng)程序可以隨時修改，這些特性都給用戶設(shè)計開發(fā)產(chǎn)品帶來極大的方便和想象空間。9共七

5、十二頁輸入(shr)/輸出（I/O）端口并行總線輸入/輸出端口（并型I/O口）通用數(shù)字I/O端口。片內(nèi)功能單元的輸入/輸出端口。串行I/O通信口其它專用(zhunyng)接口10共七十二頁操作(cozu)管理寄存器操作管理寄存器也是單片機芯片中的重要組成部分之一。它的功能(gngnng)是管理、協(xié)調(diào)、控制和操作單片機芯片中的各功能(gngnng)單元的使用和運行。這類寄存器的種類有：狀態(tài)寄存器、控制寄存器、方式寄存器、數(shù)據(jù)寄存器等等。11共七十二頁12AVR單片機內(nèi)核共七十二頁AVR ATmega16 特點(tdin)先進RISC結(jié)構(gòu)的AVR內(nèi)核片內(nèi)含有較大(jio d)容量的非易失性的程序和

6、數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi)含JTAG接口外圍接口其他特點寬電壓、高速度、低功耗13共七十二頁14AVR ATmega16 特點(tdin)先進RISC結(jié)構(gòu)的AVR內(nèi)核131條機器指令，且大多數(shù)指令的執(zhí)行時間為單個系統(tǒng)時鐘周期；32個8位通用工作寄存器；工作在16MHz時具有(jyu)16MIPS的性能。配備只需要2個時鐘周期的硬件乘法器共七十二頁15AVR ATmega16 特點(tdin)片內(nèi)含有較大容量的非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器16K字節(jié)(z ji)在線可編程（ISP）Flash程序存儲器（擦除次數(shù)1萬次），采用Boot Load技術(shù)支持IAP功能；1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲器，可實現(xiàn)3級鎖定的

7、程序加密；512個字節(jié)片內(nèi)在線可編程EEPROM數(shù)據(jù)存儲器（壽命10萬次）；共七十二頁16AVR ATmega16 特點(tdin)片內(nèi)含JTAG接口支持符合JTAG標準的邊界掃描功能(gngnng)用于芯片檢測；支持擴展的片內(nèi)在線調(diào)試功能可通過JTAG口對片內(nèi)的Flash、EEPROM、配置熔絲位和鎖定加密位實施下載編程；共七十二頁17AVR ATmega16 特點(tdin)外圍接口2個帶有分別獨立、可設(shè)置預分頻器的8位定時器/計數(shù)器；1個帶有可設(shè)置預分頻器、具有比較、捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器；片內(nèi)含獨立振蕩器的實時時鐘RTC；4路PWM通道；8路10位ADC面向字節(jié)的兩線接口TWI

8、（兼容I2C硬件接口）；1個可編程的增強型全雙工的，支持同步/異步通信的串行接口USART；1個可工作于主機/從機模式的SPI串行接口（支持ISP程序(chngx)下載）；片內(nèi)模擬比較器；內(nèi)含可編程的，具有獨立片內(nèi)振蕩器的看門狗定時器WDT；共七十二頁18AVR ATmega16 特點(tdin)其它的特點片內(nèi)含(ni hn)上電復位電路以及可編程的掉電檢測復位電路BOD；片內(nèi)含有1M/2M/4M/8M，經(jīng)過標定的、可校正的RC振蕩器，可作為系統(tǒng)時鐘使用；多達21個各種類型的內(nèi)外部中斷源；有6種休眠模式支持省電方式工作；共七十二頁19AVR ATmega16 特點(tdin)寬電壓、高速度、低

9、功耗工作電壓范圍寬：ATmega16L 2.75.5v，ATmega16 4.55.5v；運行速度：ATmega16L 08M，ATmega16 016M；低功耗：ATmega16L工作在1MHz、3v、25度時的典型功耗為，正常(zhngchng)工作模式 1.1mA，空閑工作模式 0.35mA，掉電工作模式 1uA； 共七十二頁20AVR ATmega16 特點(tdin)芯片(xn pin)封裝形式有40引腳的PDIP、44引腳的TQFP和44引腳的MLF封裝。共七十二頁21AVR ATmega16 引腳與封裝共七十二頁AVR實驗(shyn)箱22共七十二頁I/O引腳32根I/O引腳，分

10、成PA、PB、PC和PD四個8位端口，他們?nèi)渴强删幊炭刂频模p（多）功能復用的I/O引腳（口）四個端口的第一功能是通用的雙向數(shù)字輸入/輸出（I/O）口，其中每一位都可以由指令設(shè)置為獨立的輸入口，或輸出口。當I/O設(shè)置為輸入時，引腳內(nèi)部還配置有上拉電阻，這個(zh ge)內(nèi)部的上拉電阻可通過編程設(shè)置為上拉有效或上拉無效。23共七十二頁I/O說明(shumng)24共七十二頁25AVR Mega16 結(jié)構(gòu)共七十二頁26AVR 中央處理器CPU 運算邏輯(lu j)單元ALU程序計數(shù)器PC指令寄存器指令譯碼器 通用工作寄存器組共七十二頁27運算(yn sun)邏輯單元ALU運算邏輯單元ALU的功能

11、是進行算術(shù)運算和邏輯運算，可對半字節(jié)（4位）、單字節(jié)等數(shù)據(jù)進行操作。如能完成加、減、自動加1、自動減1、比較等算術(shù)運算和與、或、異或、求補、循環(huán)移位等邏輯操作。操作結(jié)果的狀態(tài)，如產(chǎn)生(chnshng)進位、結(jié)果為零等狀態(tài)信息將影響到狀態(tài)寄存器SREG相應的標志位。運算邏輯單元ALU還包含一個布爾處理器，用來處理位操作。它可執(zhí)行置位、清零、取反等操作。ATmega16的ALU還能實現(xiàn)無符號數(shù)、有符號數(shù)以及浮點數(shù)的硬件乘法操作。一次硬件乘法操作的時間為2個時鐘周期。共七十二頁28程序(chngx)計數(shù)器PC指令寄存器指令譯碼器程序計數(shù)器PC用來存放下一條需要執(zhí)行指令在程序存儲器空間的地址（指向Fl

12、ash空間）。取出的指令存放在指令寄存器中，然后送入指令譯碼器產(chǎn)生各種控制信號，控制CPU的運行（執(zhí)行指令）AVR一條指令的長度大多數(shù)為16位，還有少部分為32位，因此AVR的程序存儲器結(jié)構(gòu)實際上是以字（16位）為一個存儲單元的。ATmega16的程序計數(shù)器為13位，正好滿足了對片內(nèi)8K字（即手冊上的16K字節(jié)）的Flash程序存儲器空間直接尋址的需要，因此也不能（不支持）在外部擴展程序存儲器。AVRCPU在譯碼執(zhí)行一條指令的同時，就將PC中指定的Flash單元(dnyun)中的指令取出，放入指令寄存器中（圖中的InstructionRegister），構(gòu)成了一級流水線運行方式。AVR采用一級

13、流水線技術(shù)，在當前指令執(zhí)行的時候，就取出下一條將要執(zhí)行的指令，加上大多數(shù)AVR指令的長度是一個字，就使得AVRCPU實現(xiàn)了一個時鐘周期執(zhí)行一條指令。采用這種結(jié)構(gòu)，減少了取指令的次數(shù)，大大提高了CPU的運行速度，同時也提高了取指令操作的（系統(tǒng)的）可靠性。而在其它的CISC以及類似的RISC結(jié)構(gòu)的單片機中，外部振蕩器的時鐘被分頻降低到傳統(tǒng)的內(nèi)部指令執(zhí)行周期，這種分頻最大達12倍（例如，標準8031結(jié)構(gòu)的單片機）。共七十二頁29通用(tngyng)工作寄存器組32個8位通用(tngyng)工作寄存器組:R0R31共七十二頁通用(tngyng)工作寄存器組AVRCPU中的ALU與這32個通用工作寄存器

14、組直接相連，為了使ALU能夠高效和靈活地對寄存器組進行訪問操作，通用寄存器組提供和支持ALU使用4種不同(b tn)的數(shù)據(jù)輸入/輸出的操作方式：提供一個8位源操作數(shù)，并保存的一個8位結(jié)果提供兩個8位源操作數(shù)，并保存的一個8位結(jié)果提供兩個8位源操作數(shù)，并保存的一個16位結(jié)果提供一個16位源操作數(shù)，并保存的一個16位結(jié)果30共七十二頁31系統(tǒng)時鐘(shzhng)部件 系統(tǒng)時鐘片內(nèi)的1/2/4/8M 的RC振蕩源在引腳XTAL1 和XTAL2 上外接由石英晶體(jngt)直接使用外部的時鐘源輸出的脈沖信號 內(nèi)部看門狗時鐘 共七十二頁32共七十二頁33系統(tǒng)(xtng)時鐘外部(wib)晶振 外部(wi

15、b)RC 外部時鐘共七十二頁CPU的工作(gngzu)時序AVRCPU的工作是由系統(tǒng)時鐘直接驅(qū)動的，在片內(nèi)不再進行分頻(fn pn)。圖2-7所示為Harvard結(jié)構(gòu)和快速訪問寄存器組的并行指令存取和指令執(zhí)行時序。CPU在啟動后第一個時鐘周期T1取出第一條指令，在T2周期便執(zhí)行取出的指令，并同時又取出第二條指令，依次進行。這種基于流水線形式的取指方式，使AVR可以以非常高的速度執(zhí)行指令，獲得高達1MIPSMHz的效率。34共七十二頁CPU的工作(gngzu)時序35共七十二頁CPU的工作(gngzu)時序36共七十二頁CPU的工作(gngzu)時序37共七十二頁存儲器AVR單片機在片內(nèi)集成了F

16、lash程序存儲器、SRAM數(shù)據(jù)存儲器和EEPROM數(shù)據(jù)存儲器。三個存儲器空間互相獨立(dl)，物理結(jié)構(gòu)也不同。程序存儲器為閃存存儲器Flash，以16位（字）為一個存儲單元，作為數(shù)據(jù)讀取時，以字節(jié)為單位，而擦除、寫入則是以頁為單位的（不同型號AVR單片機一頁的大小也不同）。SRAM數(shù)據(jù)存儲器是以8位（字節(jié)）為一個存儲單元，編址方式采用與工作寄存器組、I/O寄存器和SRAM統(tǒng)一尋址的方式。EEPROM數(shù)據(jù)存儲器也是以8位（字節(jié)）為一個存儲單元，對其的讀寫操作都以字節(jié)為單位。38共七十二頁I/O端口ATmega16有四個8位的雙向I/O端口PA、PB、PC、PD，它們對外對應(duyng)32個

17、I/O引腳，每一位都可以獨立地用于邏輯信號的輸入和輸出。在5伏工作電壓下，輸出時每個引腳可供出達20mA的驅(qū)動電流。而輸入時，每個引腳可吸納最大為40mA的電流，可直接驅(qū)動發(fā)光二極管LED（一般LED的驅(qū)動電流為10mA左右）和小型繼電器。AVR大部分的I/O端口都具備雙重功能，分別同片內(nèi)的各種不同功能的外圍接口電路組合成一些可以完成特殊功能的I/O口，如定時器、計數(shù)器、串行接口、模擬比較器、捕捉器等。39共七十二頁402.4存儲器結(jié)構(gòu)(jigu)和地址空間Flash 程序(chngx)存儲器SRAM 數(shù)據(jù)存儲器EEPROM 數(shù)據(jù)存儲器 共七十二頁41Flash 程序(chngx)存儲器AVR

18、單片機包括1K128K字節(jié)的片內(nèi)可下載Flash程序存儲器。由于AVR所有指令為16位字或32位雙字，故Flash程序存儲器的結(jié)構(gòu)為（512B64Kb）x16位。Flash存儲器的使用壽命最少為1萬次寫/擦循環(huán)。Atmega16單片機的程序存儲器為8Kx16（16Kx8），程序計數(shù)器PC寬為13位，以此來對8K字程序存儲器地址進行(jnxng)尋址。程序存儲器的地址空間與數(shù)據(jù)存儲器的地址空間是分開的，地址空間從$000開始。如要在程序存儲器中使用常量表，則常量表可以被設(shè)定在整個Flash地址空間中。共七十二頁SRAM42程序存儲器空間數(shù)據(jù)存儲器空間EEPROM 數(shù)據(jù)存儲器空間Flash 程序存

19、儲器(8Kx16或16Kx8)EEPROM數(shù)據(jù)存儲器（512x8）32 個通用寄存器64 個I/O寄存器內(nèi)部SRAM數(shù)據(jù)存儲器（1024x8）$0000$1FFF$0000$001F$0020$005F$0060$0060$01FF$0000圖2-10 ATmeag16 存儲器結(jié)構(gòu)共七十二頁EEPROM 數(shù)據(jù)(shj)存儲器 AVR系列單片機還包括(boku)64B4K字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器。它們被組織在一個獨立的數(shù)據(jù)空間中。這個數(shù)據(jù)空間采用單字節(jié)讀寫方式。EEPROM的使用壽命至少為10萬次寫/擦循環(huán)。ATmega16的EEPROM容量是512字節(jié)，地址范圍為$0000$01FF。EE

20、PROM數(shù)據(jù)存儲器可用于存放一些需要掉電保護，而且比較固定的系統(tǒng)參數(shù)、表格等。43共七十二頁2.5通用寄存器組與I/O寄存器通用寄存器組I/O寄存器44共七十二頁通用寄存器45共七十二頁46通用寄存器32個通用寄存器 R0R31對應(duyng)SRAM地址$0000$001F地址指針寄存器X、Y、ZXR27 R26YR29 R28ZR30 R31共七十二頁通用寄存器47共七十二頁48I/O寄存器64個I/O寄存器I/O寄存器地址(dzh)$00$3FSRAM映射地址$00+$20$3F+$20 ($20) ($5F)指令：專用指令、SRAM通用指令共七十二頁49寄存器狀態(tài)(zhungti)寄

21、存器SREG 位7I: 全局中斷使能位 位6T: 位復制(fzh)存儲位5H: 半進位標志位 位4S: 符號標志位 位3V: 2 補碼溢出標志位 位2N: 負數(shù)標志位1Z: 零值標志位 位0C：進/借位標志共七十二頁50寄存器堆棧(duzhn)指針寄存器SP 16位SPSPH SPLSP上電初始值 0000SP指向SRAM空間、堆棧放在SRAM中堆棧向下生長匯編程序一定(ydng)要初始化SP操作方式：手動進出棧、自動進出棧共七十二頁51AVR單片機最小系統(tǒng)(xtng)共七十二頁AVR單片機最小系統(tǒng)(xtng)52共七十二頁53AVR工作(gngzu)方式復位方式(fngsh)正常程序執(zhí)行工作

22、方式休眠節(jié)電工作方式程序運行代碼下載的編程方式 共七十二頁單片機復位(f wi)AVR單片機的復位操作，其主要功能是把程序計數(shù)器PC初始化為$0000（指非BOOTLOAD方式啟動），使單片機從$0000單元開始(kish)執(zhí)行程序。同時決大部分的寄存器（通用寄存器和I/O寄存器）也被復位操作清零，有關(guān)各個寄存器的復位初始化值請注意書中對各寄存器的詳細說明54共七十二頁復位(f wi)方式上電復位(f wi)看門狗復位BOD復位（掉電檢測復位）外部復位JTAG復位55共七十二頁56AVR工作(gngzu)方式復位方式共七十二頁上電復位(f wi)57共七十二頁上電復位(f wi)58共七十二頁

23、外部(wib)復位59共七十二頁掉電檢測(jin c)（BOD）復位60共七十二頁看門狗復位(f wi)ATmega16片內(nèi)還集成一個獨立的看門狗定時器WDT。WDT由片內(nèi)獨立的1M振蕩器提供時鐘信號，并且可用專用的熔絲位或由用戶通過指令控制WDT的啟動和關(guān)閉，以及設(shè)置(shzh)和清另計數(shù)值。當WDT啟動計數(shù)后，一旦發(fā)生計數(shù)溢出，它將觸發(fā)產(chǎn)生一個時鐘周期寬度的復位脈沖。脈沖的上生沿將使器件進入復位狀態(tài)，脈沖的下降沿啟動延時計數(shù)器計數(shù)，經(jīng)過設(shè)定的啟動延時時間，CPU重新開始運行（圖2-19）。使用WDT功能，可以防止系統(tǒng)受到干擾而引起的程序運行紊亂和跑飛，提高了系統(tǒng)的可靠性。61共七十二頁系統(tǒng)

24、(xtng)時鐘62共七十二頁看門狗復位(f wi)63共七十二頁64共七十二頁正常程序執(zhí)行工作(gngzu)方式正常程序(chngx)執(zhí)行工作方式是單片機的基本工作方式。由于硬件的復位操作將程序(chngx)計數(shù)器置為另（PC=$0000），因此程序的執(zhí)行總是從Flash地址的$0000開始的（指非BOOTLOAD方式啟動）。對于ATmega16來講，F(xiàn)lash地址的$0002到$0028是中斷向量區(qū)（祥見第六章），所以真正實際要開始運行的程序代碼一般放在從$002A以后的程序地址空間中。標準的做法是在Flash的$0000單元中放置一條轉(zhuǎn)移指令JMP或RJMP，使得CPU在復位重新啟動后，首先執(zhí)行該轉(zhuǎn)移指令，跳過中斷向量區(qū)，轉(zhuǎn)到執(zhí)行實際程序的開始處。65共七十二頁66正常程序執(zhí)行工作(gngzu)方式PC=$0000程序從FLASH的$0000處開始(kish)執(zhí)行FLASH低端地址是中斷向量地址跳過中斷向量地址區(qū)Flash空間地址 指 令 字 說 明$0000 jmp RESET ;復位中斷向量 ;向量區(qū) 程序代碼區(qū)$0