第2章ATmega16單片機的基本結(jié)構(gòu)1ATmega16單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.2ATmega16單片機簡介2.1存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間2.3I/O存儲器空間2.4ATmega16單片機的工作狀態(tài)2.52.1ATmega16單片機簡介21）

采用先進RISC結(jié)構(gòu)的AVR內(nèi)核?131條機器指令，且大多數(shù)為單周期指令；?32個8位通用工作寄存器；?工作在16MHz時具有16MIPS的性能。?配備只需要2個時鐘周期的硬件乘法器3

ATmega16單片機的特點2）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)在線可編程（ISP，In-SysytemProgramming）Flash程序存儲器（擦除次數(shù)>1萬次），采用BootLoad技術(shù)支持IAP（InApplicationProgramming）功能；?1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲器，可實現(xiàn)3級鎖定的程序加密；?512字節(jié)片內(nèi)在線可編程EEPROM數(shù)據(jù)存儲器（壽命>10萬次）；43）片內(nèi)含JTAG接口?支持符合JTAG（

JointTestActionGroup）標準的邊界掃描功能用于芯片檢測；?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；54）外圍接口

?2個帶有分別獨立、可設(shè)置預(yù)分頻器的8位定時器/計數(shù)器；

?1個帶有可設(shè)置預(yù)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；

64）外圍接口?面向字節(jié)的兩線接口TWI（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串行外設(shè)接口（支持ISP程序下載）；?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。7

5）特殊的處理器特點

?片內(nèi)含上電復(fù)位電路以及可編程的掉電檢測復(fù)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。86）寬電壓、高速度、低功耗

?工作電壓范圍寬：ATmega16L2.7—5.5v，ATmega164.5—5.5v；

?運行速度：ATmega16L0—8M，ATmega160—16M；

?低功耗：ATmega16L工作在1MHz、3v、25°時的典型功耗：正常工作模式為1.1mA，空閑工作模式0.35mA，掉電工作模式<1uA。9ATmega16共有32個可編程的I/O口（腳），芯片封裝形式有：

?40引腳的PDIP

?44引腳的TQFP10

ATmega16單片機的引腳1112

1）電源、系統(tǒng)晶振、芯片復(fù)位引腳?Vcc：使用時連接到電源正極。13?

AVcc：為端口A和片內(nèi)ADC模擬電路電源輸入引腳。不使用ADC時，直接連接到電源正極；使用ADC時，應(yīng)通過一個低通電源濾波器與Vcc連接。?

AREF：使用ADC時，可作為外部ADC參考源的輸入引腳。

?

GND：使用時接地。1）電源、系統(tǒng)晶振、芯片復(fù)位引腳?XTAL2：片內(nèi)反相振蕩放大器的輸出端。14

?

XTAL1：片內(nèi)反相振蕩放大器和內(nèi)部時鐘操作電路的輸入端。?

RESET：在該引腳上施加（拉低）一個最小脈沖寬度為1.5us的低電平,將引起芯片的硬件復(fù)位（外部復(fù)位）。2）32根I/O引腳

分成PA、PB、PC和PD四個8位端口，他們?nèi)渴强删幊炭刂频碾p（多）功能復(fù)用的I/O引腳（口）。15

如果AVR的I/O口設(shè)置為輸出方式工作，當其輸出高電平時，能夠輸出20mA的電流；而當其輸出低電平時，可以吸收最大40mA的電流。而早期單片機I/O口的驅(qū)動能力只有5mA，驅(qū)動LED時，還需要增加外部的驅(qū)動電路和器件。芯片Reset復(fù)位后，所有I/O口的缺省狀態(tài)為：輸入方式，上拉電阻無效，即I/O為輸入高阻的三態(tài)狀態(tài)。162.2ATmega16單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1718AVR單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)19

ATmage16是AVR內(nèi)核的具體化，其內(nèi)核結(jié)構(gòu)下圖所示。ATmega16內(nèi)部的主要構(gòu)成部分有以下幾部分：●

中央處理器CPU●

程序存儲器Flash●

數(shù)據(jù)存儲器RAM和EEPROM●

I/O端口ATmega16單片機的內(nèi)核結(jié)構(gòu)2021ATmega16單片機的內(nèi)核結(jié)構(gòu)中央處理器CPU·運算邏輯單元ALU

·程序計數(shù)器、指令寄存器和指令譯碼器

·通用工作寄存器組存儲器·SRAM數(shù)據(jù)存儲器：1KB

·E2PROM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存儲器：512B

·Flash程序存儲器：16KB22ATmega16單片機的內(nèi)核結(jié)構(gòu)I/O口

ATmega16有32個I/O引腳，對應(yīng)四個8位的雙向I/O端口PA、PB、PC、PD。在5V工作電壓下，引腳可以輸出20mA的驅(qū)動電流，能吸納最大為40mA的電流。每一個引腳可以獨立地用于邏輯信號的輸入和輸出，可直接驅(qū)動發(fā)光二極管和小型繼電器。23ATmega16單片機的系統(tǒng)時鐘部件系統(tǒng)時鐘

·直接使用片內(nèi)1/2/4/8M的RC振蕩源；

·在引腳XTAL1和XTAL2上外接由石英晶體和電容組成的諧振回路，配合片內(nèi)的OSC（Oscillator）振蕩電路構(gòu)成的振蕩源；

·直接使用外部的時鐘源輸出的脈沖信號。24ATmega16單片機的系統(tǒng)時鐘部件系統(tǒng)時鐘

·外接晶體的時鐘電路；

·直接使用外部時鐘源。25ATmega16單片機的系統(tǒng)時鐘部件內(nèi)部看門狗時鐘AVR片內(nèi)集成了一個1MHz獨立的看門狗定時器（WDT），因此，在使用AVR系列單片機時，就不需要外接看門狗電路。26ATmega16單片機CPU的工作時序并行指令存取和指令執(zhí)行時序27ATmega16單片機CPU的工作時序單周期ALU操作時序28ATmega16單片機CPU的工作時序

片內(nèi)數(shù)據(jù)SRAM訪問時序2.3存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間29存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間

1.Flash程序存儲器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位，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。30存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間2.SRAM數(shù)據(jù)存儲器31全部共1120個數(shù)據(jù)存儲器地址為線性編址，其中：前96個地址為寄存器組（32個8位通用寄存器），I/O寄存器（64個8位I/O寄存器），分配在SRAM數(shù)據(jù)地址空間的$0000～$001F，$0020～$005F。接下來的1024個地址是片內(nèi)數(shù)據(jù)SRAM，地址空間占用$0060～$045F。32存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間

3.內(nèi)部E2PROM存儲器內(nèi)部512字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器，用來保存一些掉電后用戶不希望丟失的數(shù)據(jù)及開機時用到的參數(shù)等，這些數(shù)據(jù)在程序運行過程中可以改變。其地址范圍為$0000～$01FF。可以按字節(jié)讀寫，壽命至少為10萬次擦除周期。其訪問由地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器決定。33存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間?E2PROM地址寄存器——EEARH和EEARL34E2PROM地址寄存器EEARH和EEARL指定了512字節(jié)的E2PROM空間。?Bits15...9—保留位：讀操作返回值為零。?Bits8...0—EEAR8...0：EEPROM地址。存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間?E2PROM數(shù)據(jù)寄存器——EEDR35

當CPU對EEPROM進行寫操作時，EEDR寄存器里存放的是需要寫到地址寄存器EEAR單元的數(shù)據(jù)；當CPU對EEPROM進行讀操作時，EEDR寄存器里存放的是從地址寄存器EEAR讀取的數(shù)據(jù)。存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間?E2PROM控制寄存器——EECR36EEPROM控制寄存器EECR定義了CPU對EEPROM進行操作的各個控制位，包括準備好中斷使能、讀操作使能、寫操作使能等。存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間?E2PROM控制寄存器——EECR37?Bits7...4—保留位：讀操作返回值為零。?Bit3—EERIE：使能EEPROM準備好中斷。?Bit2—EEMWE：EEPROM主機寫使能。?Bit1—EEWE：EEPROM寫使能。?Bit0—EERE：EEPROM讀使能。存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間?E2PROM控制寄存器——EECR38?Bits7...4—保留位：讀操作返回值為零。?Bit3—EERIE：使能EEPROM準備好中斷。若SREG寄存器的I位為“1”，則當EERIE位為“1”時，將使能EEPROM準備好中斷；當EERIE位為“0”時，則禁止此中斷。當EEWE位清零時，EEPROM準備好中斷即可發(fā)生。2.4I/O寄存器空間39

ATmega16I/O寄存器空間分配表4064個I/O寄存器414243AVR系列單片機所有I/O口及外圍接口的功能和配置均通過I/O寄存器進行設(shè)置和使用。CPU訪問I/O寄存器可以使用兩種不同的方法，使用對I/O寄存器訪問的IN、OUT專用指令，以及使用對SRAM訪問的指令。在I/O寄存器專用指令I(lǐng)N、OUT中使用I/O寄存器地址$00～$3F。當以SRAM方式尋址I/O寄存器時，必須將該地址加上$0020，映射成在數(shù)據(jù)存儲器空間的地址（在圓括號中）。44狀態(tài)寄存器SREG是一個8位標志寄存器，用來存放指令執(zhí)行后的有關(guān)狀態(tài)和結(jié)果的標志。?Bit7—I:全局中斷使能位該標志位為AVR中斷總控制開關(guān)，當I位被置位（“1”）時，表示CPU可以響應(yīng)中斷請求，而當I位被清零（“0”），則所有的中斷被禁止，CPU不響應(yīng)任何的中斷請求。45I狀態(tài)寄存器?Bit6—T:位復(fù)制存儲位復(fù)制指令BLD和BST使用T標志位作為源和目標。通用寄存器組中任何一個寄存器中的一位可以通過BST指令被復(fù)制到T中，而用BLD指令則可將T中的位值復(fù)制到通用寄存器組中的任何一個寄存器的一位中。46T?Bit5—H:半進位標志位半進位標志位H表示在一些運算操作過程中有無半進位(低四位向高四位進、借位)的產(chǎn)生，該標志對于BCD碼的運算和處理非常有用。47H?Bit4—S:符號標志位，S=N⊕VS位是負數(shù)標志位N和2的補碼溢出標志位V兩者異或值。在正常運算條件下（V=0，不溢出）S=N，即運算結(jié)果最高位作為符號是正確的。而當產(chǎn)生溢出時V=1，此時N已不能正確指示運算結(jié)果的正負，但S=N⊕V還是正確的。對于單（或多）字節(jié)有符號數(shù)據(jù)說，執(zhí)行減法或比較操作后，S標志能正確指示參與相減或比較的兩個數(shù)的大小。48S?Bit3—V:2的補碼溢出標志位2的補碼溢出標志位V，支持2的補碼運算，為模2補碼加、減運算溢出標志。溢出表示運算結(jié)果超過了正數(shù)（或負數(shù)）所能表示的范圍。加法溢出表現(xiàn)為正+正=負，或負+負=正；減法溢出表現(xiàn)為正-負=負，或負-正=正。49V?Bit2—N:負數(shù)標志位負數(shù)標志位直接取自運算結(jié)果的最高位，N=1時表示運算結(jié)果為負，否則為正。但發(fā)生溢出時不能表示真實的結(jié)果。?Bit1—Z:零值標志位零值標志位表明在CPU運算和邏輯操作之后，其結(jié)果是否為零，當Z=1表示結(jié)果為零。?Bit0－C：進/借位標志進位標志位表明在CPU的運算和邏輯操作過程中有無發(fā)生進/借位。50NZC堆棧是由一塊連續(xù)的SRAM空間和一個堆棧指針寄存器SP組成，主要應(yīng)用于快速便捷的保存臨時數(shù)據(jù)、局部變量和中斷調(diào)用或子程序調(diào)用的返回地址。只要程序中使用了中斷和子程序調(diào)用，就必須正確的設(shè)置堆棧指針寄存器SP，在SRAM空間建立堆棧區(qū)。堆棧是一種特殊的線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)的進出在堆棧的頂部進行，并遵循后進先出（LIFO）的原則。堆棧指針就是堆棧頂部的地址，它隨著堆棧中數(shù)據(jù)的進出而變化。堆棧指針寄存器SP中保存著堆棧指針。51堆棧指針寄存器SP16位堆棧指針寄存器SP由處在I/O地址空間$3E($005E)、$3D($005D)的兩個8位寄存器SPH和SPL構(gòu)成。AVR單片機復(fù)位后堆棧寄存器的初始值為SPH=$00、SPL=$00，因此用戶程序必須首先對堆棧指針寄存器SP進行初始化設(shè)置。52AVR的堆棧區(qū)是建立在SRAM空間的，16位的SP寄存器可以尋址的空間為64K。但在實際應(yīng)用中，還必須考慮所使用AVR芯片SRAM空間的實際情況和所配備的SRAM容量的大小。首先，堆棧區(qū)應(yīng)該避開寄存器區(qū)域所對應(yīng)的SRAM空間，防止堆棧操作時改變了寄存器的設(shè)置。由于AVR的堆棧是向下增長的，即新數(shù)據(jù)進入堆棧時棧頂指針的數(shù)據(jù)將減小，所以通常初始化時將SP的指針設(shè)在SRAM最高處。53對于ATmega16芯片，堆棧指針必須指向高于$0060的SRAM地址空間，因為低于$0060的區(qū)域為寄存器空間。ATmega16片內(nèi)集成有1K的SRAM，不支持外部擴展SRAM，所以堆棧指針寄存器SP的初始值應(yīng)設(shè)在SRAM的最高端：$045F處。542