ATMEGA128——初探

内部

• 基于AVR1RISC2结构的高性能、低功耗的8位的微处理器
• 时钟频率为16MHz时运算速度为16MIPS3
• 133条指令（大多数可以在一个时钟周期内完成）
• 128KB的Flash4
• 4KB的EEPROM5
• 4KB的内部SRAM6
• 64KB的外部存储器空间
• 可通过JTAG7接口实现对Flash，EEPROM，熔丝位8和锁定位9的编程

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外设

• 两个具有独立的预分频器和比较器的8位定时器
• 两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器
• 具有独立预分频器的实时时钟计数器
• 2路8位 PWM
• 6路分辨率10可编程（2到16位）的PWM
• 8路10位 ADC
  
  • 8个单端通道11
  • 7个差分通道12
  • 2个具有可编程增益13（1x，10x或200x）的差分通道
• 两个串口
• 独立片内振荡器看门狗定时器
• 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模式以及可扩展的Standby模式
• 可通过软件进行选择时钟频率
• 全局上拉禁止功能

• 53个可编程I/O口14

  • 除PORTG是5位双向I/O口外，其他端口均为8位[7:0]。
  • 除PORTF外，其他8位端口作为输入使用时，若内部上拉电路使能，则端口被外部电路啦的士输出电流。
  • PORTF可以作为ADC的模拟输入引脚，如果不作ADC的模拟输入，则和其他端口用法一致。
    
    • 如果使能了JTAG接口，则复位时引脚PF7(TDI)、PF5(TMS)和PF4(TCK)的上拉电阻使能，也就是说，使能JTAG后，PF7、PF5以及PF4一直为高电平，无法编程控制。
  • 所有I/O口复位时均为三态（高阻态）。

• 64引脚与64引脚MLF封装15

  • 64个引脚除了53个可编程I/O口外，特别介绍一下及个引脚
    
    • RESET 复位输入引脚。给此引脚输入一个低于最小门限时间的低电平则引起系统复位。
    • XTAL1 反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入。
    • XTAL2 反向振荡器放大器的输出
    • AVCC 与VCC相连，虽然为PORTF和ADC供电，但是无论有没有用到ADC也应该和VCC相连，当使用时通过一个低通滤波器16和VCC相连。
    • AREF为ADC的模拟基准输入引脚。
    • PEN是SPI串行下载的使能引脚，上电复位时若PEN保持低电平，则进入SPI串行下载模式，正常工作过程中无作用。

• 工作电压：ATMEGA128　4.5~5.5v17
  　　　　　ATMEGA128L　2.7~5.5v
• 速度：ATMEGA128　0~16MHz18
  　　　ATMEGA128L　0~8MHz

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AVR CPU内核（core）

概述

• AVR采用Harvard结构19具有独立的数据和程序总线,程序储存器的指令通过一级流水线运行，CPU的预取20实现了指令的单周期运行,程序存储器为可在线编程的FLASH。
• 快速访问寄存器文件包括32个8位通用寄存器，均可在一个时钟周期内访问，从而实现单时钟周期的ALU操作21。
  
  • 其中有6个寄存器可以用作3个16位的间接地址寄存器指针以寻址数据空间，实现高效的地址运算。22
  • ALU支持寄存器之间以及寄存器和常熟之间的算术和逻辑运算，也可执行但寄存器操作。运算过后状态寄存器的内容将更新以反映操作结果。
• 程序流程通过条件的二值判断即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一条16位/32位的指令。
• 程序储存空间分为引导程序区和应用程序区，均有专门的锁定位实现读/写保护，引导程序区的SPM指令特别用于写应用程序区。
• 在中断和调用子程序时返回地址程序计数器（PC）保存与堆栈23之中。
• AVR存储器空间为显性的平面结构24。
• AVR具有一个灵活的中断模块，其控制寄存器位于I/O空间25。26

ALU-逻辑单元

• AVR ALU与32个通用寄存器直接相连，寄存器之间以及寄存器与立即数27之间的ALU运算只需要一个时钟周期。
• ALU操作为三类：算术、逻辑和位操作28。
• ALU还提供了支持有/无符号数和分数乘法的乘法器29。

状态寄存器(SREG->Status Register)

• 状态寄存器包含最近执行的算术指令的结果信息，可用来改变程序流程以实现条件操作。
• 状态寄存器只有在ALU运算结束后才会更新。
• 进入或进入和返回时状态寄存器不会自动保存或恢复，需要软件处理。

SREG位定义

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 I T H S V N Z C 读/写 R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W 初始值 0 0 0 0 0 0 0 0 意义 全局中断使能 位拷贝储存 半进位标志 符号位 2的补码溢出标志 负数标志 零标志 进位标志

* Bit7(I)置位时使能全局中断。若I清零,则无论单独终端标志如何都不会产生中断。任意中断发生->I=0->RETI->I=1。I也可以通过SEI和CLI指令来置位和清零。
* Bit6(T)可以作为目的或源地址。BST指令拷贝寄存器的某一位到T，而BLD把T拷贝到寄存器的某一位。
* Bit5(H)表示算术操作发生了半进位，主要用于BCD运算。30
* [4:0]为运算(逻辑或算术)位，Bit4(S):S=N⊕V。（⊕为异或运算符，和c语言中的^一致）

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1. 1997年由ATMEl公司挪威设计中心的MR.A和MR.V共同研发出精简指令集（RISC）的高速8位单片机，所以起名AVR单片机。 ↩
2. RISC(Reduced Instruction Set Computer)即精简指令系统计算机,与之相对的是CISC(Complex Instruction Set Computing)即复杂指令系统计算机。这里的计算机指令系统是指计算机的最底层的机器指令。起初CISC被应用于计算机系统优化，通过设置一些功能复杂的指令来替代一些常见的软件功能，80年代RISC兴起，尽量简化计算机指令功能，只保留能在一个节拍内完成的指令。RISC的精华在于减少指令的平均执行周期，从而提高计算机的工作主频，同时大量使用通用寄存器来提高子程序执行的速度。 ↩
3. MIPS(Million Instructions Per Second)即每秒处理的百万级的机器语言指令数。 ↩
4. Flash(Flash EEPROM memory)即闪存，结合了ROM和RAM的长处，不仅具备EEPROM的性能，还可以快速读取数据(NVRAM的优势)，使数据不会因为断电而丢失，用于U盘、MP3等里面作为外部储存。 ↩
5. EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)即电可擦可编程只读存储器——一种掉电后数据不丢失的存储芯片，是可更改的只读存储器(ROM),其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程。发展：ROM->PROM->EPROM->EEPROM。 ↩
6. SRAM（Static Random Access Memory）即静态随机存取存储器，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据，而DRAM（Dynamic Random Access Memory)每隔一段时间，要刷新充电一次，否则内部的数据即会消失。SRAM有高性能、低功耗，但集成度较低，体积较大。SRAM有两种规格：固定在主板上的高速缓存(Cache Memory)和插在卡槽上的COAST(Cache On A Stick)扩充用的高速缓存，L1 Cache（一级高速缓存）在CPU内部，而L2 Cache（二级高速缓存）一般在CPU外部。 ↩
7. JTAG(Joint Test Action Group)即联合测试组织行为，也是一种国际标准测试协议(IEEE 1149.1兼容)，用于芯片内部测试。JTAG标准4线接口：TMS（模式选择）、TCK（时钟）、TDI（数据输入）、TDO（数据输出），TRST（测试复位）为输入引脚，低电平有效。 ↩
8. 熔丝位是一个保护知识产权的设计，在特定的引脚上加电压，足够的电流，就可以烧断里边的这根熔丝，烧断以后，片里的程序就不可以被读出来也不能改写了，只能用来运行。熔丝位是在一个特定的地址上可以读到熔丝状态的一个位。0表示已熔断，1表示未熔断。 ↩
9. 锁定位即在特定地址上可以读到加密锁状态的一个位。 ↩
10. PWM的分辨率即输出PWM波形时，调整频率和占空比时的精细程度，类比于误差精度。 ↩
11. 在单端方式工作时；ADC转换的是单输入引脚对地的电压值；在增益为1时，测量的值就是输入的电压值；范围是0V到VREF（内部基准电压）；当增益增加时，输入的范围要相应的减小。 ↩
12. 在差分方式工作时；ADC转换的是AIN+与AIN-两个引脚的差值；在增益为1时，测量的值等于(AIN+)-(AIN-)，范围是-VREF到+VREF；当增益增加时，输入的范围要相应的减小。 ↩
13. 增益即电信号的传输增益，通俗讲也就是信号放大倍数。 ↩
14. 53个I/O口即为：PORTA[7:0],PORTB[7:0],PORTC[7:0],PORTD[7:0],PORTE[7:0],PORTF[7:0]以及PORTG[4:0]。 ↩
15. MLF（MicroLeadFrame），MLF接近于芯片级封装（Chip Scale Package，CSP），用封装的底部引线端提供到PCB板的电气接触，而不是到海鸥翅膀形状引线的soic和qual封装，因此，这种封装有利于保证散热和电气性能。 ↩
16. 低通滤波器(Low-Pass filter)允许从直流到某个截止频率(fCUTOFF)的信号通过，简述为：通低频，阻高频。
    [^FN’2]: ↩
17. 按一般MCU供电条件来看，ATMEGA128芯片可以以5v电压供电，而ATMEGA128L则可以在3.3v或5v之间任选一个。 ↩
18. ATMEGA128默认使用1M的内部振荡器，可以通过修改熔丝位改为1、2、4、8、16MHz，而ATMEGA128L则最高可达8MHz的频率。 ↩
19. RISC(Reduced Instruction Set Computer)即精简指令系统计算机,与之相对的是CISC(Complex Instruction Set Computing)即复杂指令系统计算机。这里的计算机指令系统是指计算机的最底层的机器指令。起初CISC被应用于计算机系统优化，通过设置一些功能复杂的指令来替代一些常见的软件功能，80年代RISC兴起，尽量简化计算机指令功能，只保留能在一个节拍内完成的指令。RISC的精华在于减少指令的平均执行周期，从而提高计算机的工作主频，同时大量使用通用寄存器来提高子程序执行的速度。 ↩
20. MIPS(Million Instructions Per Second)即每秒处理的百万级的机器语言指令数。 ↩
21. Flash(Flash EEPROM memory)即闪存，结合了ROM和RAM的长处，不仅具备EEPROM的性能，还可以快速读取数据(NVRAM的优势)，使数据不会因为断电而丢失，用于U盘、MP3等里面作为外部储存。 ↩
22. EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)即电可擦可编程只读存储器——一种掉电后数据不丢失的存储芯片，是可更改的只读存储器(ROM),其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程。发展：ROM->PROM->EPROM->EEPROM。 ↩
23. SRAM（Static Random Access Memory）即静态随机存取存储器，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据，而DRAM（Dynamic Random Access Memory)每隔一段时间，要刷新充电一次，否则内部的数据即会消失。SRAM有高性能、低功耗，但集成度较低，体积较大。SRAM有两种规格：固定在主板上的高速缓存(Cache Memory)和插在卡槽上的COAST(Cache On A Stick)扩充用的高速缓存，L1 Cache（一级高速缓存）在CPU内部，而L2 Cache（二级高速缓存）一般在CPU外部。 ↩
24. JTAG(Joint Test Action Group)即联合测试组织行为，也是一种国际标准测试协议(IEEE 1149.1兼容)，用于芯片内部测试。JTAG标准4线接口：TMS（模式选择）、TCK（时钟）、TDI（数据输入）、TDO（数据输出），TRST（测试复位）为输入引脚，低电平有效。 ↩
25. 熔丝位是一个保护知识产权的设计，在特定的引脚上加电压，足够的电流，就可以烧断里边的这根熔丝，烧断以后，片里的程序就不可以被读出来也不能改写了，只能用来运行。熔丝位是在一个特定的地址上可以读到熔丝状态的一个位。0表示已熔断，1表示未熔断。 ↩
26. 锁定位即在特定地址上可以读到加密锁状态的一个位。 ↩
27. PWM的分辨率即输出PWM波形时，调整频率和占空比时的精细程度，类比于误差精度。 ↩
28. 在单端方式工作时；ADC转换的是单输入引脚对地的电压值；在增益为1时，测量的值就是输入的电压值；范围是0V到VREF（内部基准电压）；当增益增加时，输入的范围要相应的减小。 ↩
29. 在差分方式工作时；ADC转换的是AIN+与AIN-两个引脚的差值；在增益为1时，测量的值等于(AIN+)-(AIN-)，范围是-VREF到+VREF；当增益增加时，输入的范围要相应的减小。 ↩
30. 增益即电信号的传输增益，通俗讲也就是信号放大倍数。 ↩