Логотип



Микроконтроллеры AVR. Основы программирования

материалы в категории

общие сведения о микроконтроллерах

AVRИдея разработки нового RISC-ядра принадлежит двум студентам Norwegian University of Science and Technology (NTNU) из норвежского города Тронхейма (Trondheim) — Альфу Богену (Alf-Egil Bogen) и Вегарду Воллену (Vegard Wollen). В 1995 году Боген и Воллен решили предложить американской корпорации Atmel, которая была известна своими чипами с Flash-памятью, выпускать новый 8-битный RISC-микроконтроллер и снабдить его Flash-памятью для программ на одном кристалле с вычислительным ядром.


Идея была одобрена Atmel Corp., и было принято решение незамедлительно инвестировать в данную разработку. В конце 1996 года был выпущен опытный микроконтроллер AT90S1200, а во второй половине 1997-го корпорация Atmel приступила к серийному производству нового семейства микроконтроллеров, к их рекламной и технической поддержке.

Новое ядро было запатентовано и получило название AVR. Существует несколько трактовок данной аббревиатуры. Кто-то утверждает, что это Advanced Virtual RISC, другие полагают, что не обошлось здесь без Alf Egil Bogen Vegard Wollan RISC.


Архитектура AVR микроконтроллера

Микроконтроллеры AVR имеют гарвардскую архитектуру (то есть программа и данные находятся в разных адресных пространствах) и систему команд, близкую к идеологии RISC. Процессор AVR имеет 32 8-битных регистра общего назначения, объединённых в регистровый файл. В отличие от «идеального» RISC, регистры не абсолютно ортогональны:

  • Некоторые команды работают только с регистрами r16…r31. К ним относятся команды работающие с непосредственным операндом: ANDI/CBR, ORI/SBR, CPI, LDI, LDS(16-бит), STS(16-бит), SUBI, SBCI, а также SER и MULS;
  • Команды увеличивающие и уменьшающие 16-битное значение (в тех моделях, где они доступны) с непосредственным операндом (ADIW, SBIW) работают только с одной из пар r25:r24, r27:r26 (X), r29:r28 (Y), или r31:r30 (Z);
  • Команда копирования пары регистров (в тех моделях, где доступна) работает только с соседними регистрами начинающимися с нечётного (r1:r0, r3:r2, …, r31:r30);
  • Результат умножения (в тех моделях, в которых есть модуль умножения) всегда помещается в r1:r0. Также, только эта пара используется в качестве операндов для команды самопрограммирования (где доступна);
  • Некоторые варианты команд умножения принимают в качестве аргументов только регистры из диапазона r16…r23 (FMUL, FMULS, FMULSU, MULSU).

Система команд AVR микроконтроллеров

Система команд микроконтроллеров AVR весьма развита и насчитывает в различных моделях от 90 до 133 различных инструкций.

Большинство команд занимает только 1 ячейку памяти (16 бит).

Большинство команд выполняется за 1 такт.

Всё множество команд микроконтроллеров AVR можно разбить на несколько групп:

  • команды логических операций;
  • команды арифметических операций и команды сдвига;
  • команды операции с битами;
  • команды пересылки данных;
  • команды передачи управления;
  • команды управления системой.

Управление периферийными устройствами осуществляется через адресное пространство данных. Для удобства существуют «сокращённые команды» IN/OUT.


Разновидности AVR микроконтроллеров

Стандартные семейства:

  • tinyAVR (ATtinyxxx):
    • Флеш-память до 16 Кб; SRAM до 512 б; EEPROM до 512 б;
    • Число линий ввода-вывода 4-18 (общее количество выводов 6-32);
    • Ограниченный набор периферийных устройств.
  • megaAVR (ATmegaxxx):
    • Флеш-память до 256 Кб; SRAM до 16 Кб; EEPROM до 4 Кб;
    • Число линий ввода-вывода 23-86 (общее количество выводов 28-100);
    • Аппаратный умножитель;
    • Расширенная система команд и периферийных устройств.
  • XMEGA AVR (ATxmegaxxx):
    • Флеш-память до 384 Кб; SRAM до 32 Кб; EEPROM до 4 Кб;
    • Четырёхканальный DMA-контроллер;
    • Инновационная система обработки событий.

Как правило, цифры после префикса обозначают объём встроенной flash-памяти (в КБ) и модификацию контроллера. А именно, максимальная степень двойки, следующая за префиксом обозначает объём памяти, а оставшиеся цифры определяют модификацию (напр., ATmega128 — объём памяти 128 КБ; ATmega168 — объём памяти 16 КБ, модификация 8; ATtiny44 и ATtiny45 — память 4 КБ, модификации 4 и 5 соответственно).

На основе стандартных семейств выпускаются микроконтроллеры, адаптированные под конкретные задачи:

  • со встроенными интерфейсами USB, CAN, контроллером LCD;
  • со встроенным радиоприёмо-передатчиком — серии ATAхxxx, ATAMxxx;
  • для управления электродвигателями — серия AT90PWMxxxx;
  • для автомобильной электроники;
  • для осветительной техники.

Кроме указанных выше семейств, ATMEL выпускает 32-разрядные микроконтроллеры семейства AVR32, которое включает в себя подсемейства AT32UC3 (тактовая частота до 66 МГц) и AT32AP7000 (тактовая частота до 150 МГц).

AT(mega/tiny)xxx — базовая версия.
ATxxxL — версии контроллеров, работающих на пониженном (Low) напряжении питания (2,7 В).
ATxxxV — версии контроллеров, работающих на низком напряжении питания (1,8 В).
ATxxxP — малопотребляющие версии (до 100 нА в режиме Power-down), применена технология picoPower(анонсированы в июле 2007), повыводно и функционально совместимы с предыдущими версиями.
ATxxxA — уменьшен ток потребления, перекрывается весь диапазон тактовых частот и напряжений питания двух предыдущих версий (также, в некоторых моделях, добавлены новые возможности и новые регистры, но сохранена полная совместимость с предыдущими версиями). Микроконтроллеры «А» и «не-А» обычно имеют одинаковую сигнатуру, что вызывает некоторые трудности, так как Fuse-bit’ы отличаются

Номер модели дополняется индексом, указывающим вариант исполнения. Цифры (8,10,16,20) перед индексом означают максимальную частоту, на которой микроконтроллер может стабильно работать при нормальном для него напряжении питания).


Классификация AVR микроконтроллеров

Первая буква индекса означает вариант корпуса:

АТxxx-P — корпус DIP
АТxxx-A — корпус TQFP
АТxxx-J — корпус PLCC
АТxxx-M — корпус MLF
АТxxx-MA — корпус UDFN/USON
АТxxx-C — корпус CBGA
АТxxx-CK — корпус LGA
АТxxx-S — корпус EIAJ SOIC
АТxxx-SS — узкий корпус JEDEC SOIC
АТxxx-T — корпус TSOP
АТxxx-TS — корпус SOT-23 (ATtiny4/5/9/10)
АТxxx-X — корпус TSSOP

Следующая буква означает температурный диапазон и особенности изготовления:

АТxxx-xC — коммерческий температурный диапазон (0 °C — 70 °C)
АТxxx-xA — температурный диапазон −20 °C — +85 °C, с использованием бессвинцового припоя
АТxxx-xI — индустриальный температурный диапазон (-40 °C — +85 °C)
АТxxx-xU — индустриальный температурный диапазон (-40 °C — +85 °C), с использованием бессвинцового припоя
АТxxx-xH — индустриальный температурный диапазон (-40 °C — +85 °C), с использованием NiPdAu
АТxxx-xN — расширенный температурный диапазон (-40 °C — +105 °C), с использованием бессвинцового припоя
АТxxx-xF — расширенный температурный диапазон (-40 °C — +125 °C)
АТxxx-xZ — автомобильный температурный диапазон (-40 °C — +125 °C)
АТxxx-xD — расширенный автомобильный температурный диапазон (-40 °C — +150 °C)

последняя буква R означает упаковку в ленты (Tape & Reel) для автоматизированных систем сборки.

Устройства ввода-вывода AVR микроконтроллеров

МК AVR имеют развитую периферию:

  • До 86 многофункциональных, двунаправленных GPIO портов ввода-вывода. В зависимости от программно-задаваемой конфигурации регистров, могут независимо друг от друга работать в режиме «сильного» драйвера, выдающего или принимающего (на «землю») ток до 40 мА, что достаточно для подключения светодиодных индикаторов. Любой из выводов портов может быть сконфигурирован на «ввод» либо в свободном состоянии, либо с использованием встроенного подтягивающего (на плюс) резистора.
  • До 3 внешних источников прерываний (по фронту, срезу, или уровню) и до 32 по изменению уровня на входе.
  • В качестве источника тактовых импульсов может быть выбран:
    • керамический или кварцевый резонатор (не у всех моделей);
    • внешний тактовый сигнал;
    • калиброванный внутренний RC-генератор (частота 1, 2, 4, 8 МГц, а также, для некоторых моделей ATtiny — 4,8, 6.4, 9.6 МГц и 128 кГц).
  • Внутренняя Флеш-память команд до 256 KБ (не менее 10 000 циклов перезаписи).
  • Отладка программ осуществляется с помощью интерфейсов JTAG или debugWIRE:
    • сигналы JTAG (TMS, TDI, TDO, и TCK) мультиплексированы на порт ввода-вывода. Режим работы — JTAG или порт — задаётся соответствующим битом в регистре fuses. МК AVR поставляются с включённым интерфейсом JTAG.
  • Внутренняя память данных EEPROM до 4 КБ (ATmega/ATxmega)/512 байт (ATtiny) (до 100 000 циклов перезаписи).
  • Внутренняя память SRAM до 32 KБ (ATxmega)/16 Кб(ATmega)/1 Кб(ATtiny) c временем доступа 2 такта.
  • Внешняя память объёмом до 64 КБ (ATmega8515, ATmega162, ATmega640, ATmega641, ATmega1280, ATmega1281, ATmega2560, ATmega256).
  • Таймеры c разрядностью 8, 16 бит.
  • ШИМ-модулятор (PWM) 8-, 9-, 10-, 16-битный.
  • Аналоговые компараторы.
  • АЦП (ADC) с дифференциальными входами, разрядность 8(ATtiny)/10(ATtiny/ATmega)/12(ATxmega) бит:
    • программируемый коэффициент усиления перед АЦП 1, 10 и 200 (в дифференциальном режиме);
    • в качестве опорного напряжения могут выступать: напряжение питания, внешнее напряжение, или внутреннее опорное напряжение 2,56 В / 1,1 В (в некоторых ATtiny).
  • Различные последовательные интерфейсы, включая:
    • двухпроводной интерфейс TWI, совместимый с I²C;
    • универсальный синхронно/асинхронный приёмопередатчик UART/USART;
    • синхронный последовательный порт Serial Peripheral Interface (SPI).
  • USB серия AT90USBxxxx.
  • CAN серия AT90CANxxx.
  • LCD серии ATmega169 и ATmega329.
  • Датчики температуры ATtiny25, ATtiny45, ATtiny85.
  • Почти все (за исключением некоторых ранних моделей ATtiny, у которых перепрограммирование идёт по особому интерфейсу) поддерживают внутрисхемное программирование (ISP) через последовательный интерфейс SPI. Многие микроконтроллеры поддерживают альтернативное последовательное или параллельное программирование с использованием высокого напряжения, для случаев если fuse-регистры были настроены так, что обычное программирование стало недоступно.
  • Поддержка само-программирования, при котором основная программа может изменить часть своего кода.
  • Поддержка загрузки основной программы с помощью защищенной от перезаписи подпрограммы (bootloader). Код основной программы обычно принимается через один из портов микроконтроллера с использованием одного из стандартных протоколов.
  • Ряд режимов пониженного энергопотребления.

Примечание: не все периферийные устройства могут быть включены программно. Бит в регистре fuses может быть изменён только программатором.

 

Почта сайта