第1章 走近单片机

在讲单片机程序设计之前，我们先了解一下单片机。我本想说走进单片机的世界，可是如今的世界里，我们早已被单片机包围了，所以我这里说“走近单片机”。让我们一起来揭开身边单片机的面纱。

1.1 我们身边的单片机

先看看我们身边的家用电器吧：电视机、电冰箱、空调、洗衣机、电磁炉、电饭锅、微波炉、电话、手机、计算机……这些家电都离不开单片机，如果它们的单片机不工作了，那这些家电也就休息了。下面我们就拿起手中的螺丝刀，对家电做一个分解手术，把隐藏在其中的单片机挖出来。

图1-1是我们常用的电磁炉，观察该电器，感觉是不是很简单呢？我们经常用的也就几个控制按键、一组菜单按键、一组数码管而已。

下面我们就开始动手，用一个“外科大夫”的眼光来看看电磁炉的内部构造。

从图1-2所示电磁炉的内部结构来看，电磁炉的内部并不是很复杂：操作面板下固定了一个简单的电路板（主控电路板）、一个电磁线圈和一个散热风扇，线圈下还有一块电路板（电源控制板）与操作面板的电路板通过排线连接在一起。

操作面板下的这块电路板就是单片机隐身的地方，如图1-3所示。

我们可以观察一下这块单片机：被黑色陶瓷包围着，外面留了20条“腿”，头上有一个小原点，我们能看到的就是这些了。图1-4给出了其外形图片和引脚定义。

这就是我们要“挖”的东西—我们身边的一块单片机。下面用一个简易原理图来表示其工作原理，如图1-5所示。

电磁炉的例子还是有些复杂，它用到的电子器件比较多。接下来我们再看一个更简单的电器：电子钟。

我们先看一个比较商业化的电子钟（也叫万年历）。

图1-6是一个万年历的产品，显示的信息比较多，我们可以看一个用数码管实现的简单电子钟，如图1-7所示。

怎么样，图1-7中的电子钟和我们生活中看到的最简单的电子钟是不是很像呢？看到这个电子钟，你是不是有一种想去实现一个这样的电子钟的冲动？和你一样，在学习单片机的时候，有人就用单片机自己设计了类似的电子钟，如图1-8所示。

我们再看一个更清晰、更完整的简易电路。

图1-9的实验板上中间那个个头较大的就是我们要找的单片机了。它上面还有一些小字，不是很清楚：ATMEGA16……这就是我们后面要讲的AVR单片机中的一种。

注意观察一下这块单片机，除了也是黑色封装、外露两排“腿”，它的左上角还有一个小坑，并用一个白色的三角形标注。这个小圆坑我们在后面会介绍，这里先提示你注意一下。

现在你知道我们身边隐藏了好多的单片机了吧！好，知道了我们身边有这么多的单片机，接下来就进一步去认识它们、了解它们。

1.2 认识单片机

在认识单片机之前，我们先重新认识一下计算机，如图1-10所示。

我们重点关注计算机的主机部分，观察后可以发现计算机的外设—显示器、键盘、鼠标、音频设备都接在计算机主机上，如图1-11所示。

仿照“解剖”电磁炉的过程，我们打开主机，观察主机内部的构造，如图1-12所示。

图1-12是计算机主机的硬件装配图，有人绘制了计算机的组成原理图，如图1-13所示。

图1-13还是比较专业的，有些地方需要了解计算机的组成原理（南桥芯片、北桥芯片等）。我们把CPU、北桥芯片、南桥芯片看做一个整体，重新绘制一个简单的原理图，如图1-14所示。

我们进一步简化原理图，将CPU、硬盘、内存看做一个整体，PIC扩展槽看做已经扩展的接口（扩展了一个并口），这样是不是更像机箱呢？如图1-15所示。

从现在开始就要发挥你的想象力了，先看图1-15，左侧的虚拟机箱看做主机，右侧的接口看做主机后面的接口电路，是不是很像计算机的主机呢？

我们进一步想象，现在把虚拟主机缩小，像科幻电影那样，最后把它的尺寸压缩到52mm×514mm（长（宽）。由于尺寸的缩小，我们把它的接口也更改一下，改为引脚式放在迷你“主机”的两侧，如图1-16所示。我们给它起一个新的名字：“微型计算机”。

由于该“微型计算机”太小，外围接口又是通过引脚引出的，我们也就不能用金属外壳做它的“机箱”了，而改用塑料或陶瓷将其封装起来。这样一片“微型计算机”可以完成计算机主机的工作，因而我们可以叫它单片微型计算机，简称“单片机”；老外给了它另外一个名字“微控制器”，英文叫“Microcontroller Unit”，因而常用英文缩写MCU表示单片机。

单片机较正规的定义是：一种集成在电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

至此我们已经引入了单片机的概念，下面就来了解一下我们后面要学习的单片机—AVR单片机。

1.3 了解AVR单片机

1.3.1 单片机的历史

1．单片机的诞生

其实和我上面介绍单片机一样，我们人类是先发明的计算机（更精确的说法应该是先有了计算机的处理器），然后才有了单片机。下面就来看看单片机的发展史。

● 1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，它是第一代微处理器问世的标志，微处理器和微型计算机时代从此开始。微处理器芯片Intel 4004包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm×4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC（很多资料称ENIAC“Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分计算机，1946年2月诞生”是第一台电子计算机，因此经常拿它做比较。其实第一台电子计算机应该是ABC“Atanasoff-Berry Computer，阿塔纳索夫-贝瑞计算机”，1939年完成样机）。

● 1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统，该系统包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器。

● 1972年4月，霍夫等人研制出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008主要采用工艺简单、速度较低的P沟道MOS（Metal OXide Semiconductor，金属氧化物半导体）电路，因此仍属于第一代微处理器。

● 1973年8月，霍夫等人研制出新一代8位微处理器Intel 8080。Intel 8080以N沟道MOS电路取代了P沟道，这标志着第二代微处理器的诞生。

● 1975年4月，MITS（Micro Instrumentation and Telemetry Systems，微仪系统家用电子公司）发布第一个通用型Altair 8800系统，该系统配有一个成套工具、一个主板、一个英特尔8080 CPU和256B的RAM。这是世界上第一台微型计算机（个人电脑）。

● 1976年Intel公司研制出MCS-48系列单片机。该系列单片机具有以下特点：CPU为4位或8位，ROM为1KB或2KB，RAM为64B或128B，具有并行接口、无串行接口，有1个8位的定时器/计数器，有2个中断源。注意，在此之前介绍的只是处理器的研制历史，MCS-48系列才是真正的单片机，它更像是Altair 8800的压缩版（微型版），因而说这是单片机问世的标志。

● 20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机在集成度、存储容量（片内RAM、ROM）、功能的增强及扩展、运算速度等方面都有显著提高。

● 20世纪80年代中期以后，Intel以专利转让的形式把8051内核卖给了许多半导体厂家，如Atmel、Philips、Ananog Devices、Dallas等。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。这些单片机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机。

2．AVR的历史

● 1984年，George Perlegos在美国加州西部San Jose创立Atmel（爱特梅尔）公司，该公司主要设计、生产EPROM（可编程只读存储器）和PLD（可编程逻辑电路）；

● 20世纪80年代末，Atmel以专利的形式购买Intel的内核，开始CMOS工艺的80C51系列单片机的生产；

● 1993年，Atmel开始将Flash存储技术应用于80C51内核处理器；

● 1996年，Atmel在挪威成立关于AVR的研发中心；

● 1997年，Atmel公司挪威设计中心的A先生（Alf-Egil Bogen）与V先生（Vegard Wollan）利用Atmel公司的Flash新技术，共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR（Alf and Vegard’s Risc processor）；

● 1997年，Atmel首先推出的基于AVR技术的高速8位单片机是AT90S8515（采用40-pin的DIP封装），其功能类似于8051处理器，只是复位引脚REST是低电平有效（8051单片机的REST引脚是高电平有效）；

● 2001年，Atmel公司相继推出高档ATmega系列AVR单片机，主要有Atmega 8/16/32/64/128（存储容量为8/16/32/64/128KB）；

● 2004年，Atmel公司推出基于ARM内核的AT91SAM系列处理器；

● 2006年，Atmel公司推出32-bit AVR处理器—AT32系列；

● 2008年，Atmel公司推出增强型产品AVR处理器—ATxmega系列。

1.3.2 AVR单片机的特点

AVR单片机是1997年由Atmel公司研发出的增强型内置Flash的RISC（Reduced Instruction Set CPU）精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通信设备、家用电器、电池管理、汽车工业控制等各个领域。

1．AVR单片机的分类

AVR产品从1997年发布第一款产品以来，现在已经有很多品种，Atmel公司按其使用范围将它们分为6大系列。

（1）低端的Tiny系列

该系列单片机具有体积小、0.7V超低功耗、运行速度快、性价比高等特点。该系列单片机主要有ATtiny4、ATtiny5、ATtiny10、ATtiny13、ATtiny20、ATtiny40、ATtiny24、ATtiny44、ATtiny84、ATtiny261、ATtiny461、ATtiny48等。

该系列的AVR主要应用于电池供电的低功耗设备，如手机附件、掌上游戏机及其附件、远程控制设备等。

（2）高端的Mega系列

该系列AVR是种类最为繁多的一个系列，它具有低功耗、集成度高（大多集成了片内Flash、SRAM、片内EEPROM、SPI、TWI、USART、看门狗等功能）、集成数模转换功能、运行速度快等特点。该系列单片机主要有ATmega8、ATmega16、ATmega32、ATmega64、ATmega128、AT90CAN32、AT90CAN64、AT90CAN128、AT90PWM1、AT90PWM2B、AT90PWM3B、AT90USB162、AT90USB646、ATmega8U2、ATmega16U2、ATmega32U2等。

该系列AVR的应用范围比较广，可使用于工业、家用电器、智能玩具、便携智能仪表、机器人等领域。

（3）增强版XMEGA系列

该系列是Mega系列的增强版，该系列AVR的特点如下：具有高精度（12位）数模转换器、实时性强、Atmel节能技术、高度集成（8UART、4TWI、4SPI）、AVR驱动支持、ATmel Qtouch库支持、有些型号集成USB接口。该系列单片机主要有ATxmega64A1U、ATxmega64A3U、ATxmega16A4U、ATxmega32A4U、ATxmega64A4U、ATxmega128A4U等。

该系列AVR主要应用于自动调温器、家庭和建筑控制系统、低功耗家庭控制系统等。

（4）32位的AVR

32-bit AVR是AVR产品中的低功耗32位单片机，该系列AVR具有通用性强（集成USB主机模式、网络MAC、SDRAM、NAND Flash、高速串口等）、运算能力强、高速数据吞吐量、低功耗等特点。该系列单片机主要有AT32UC3L016、AT32UC3L032、AT32UC3 L064、AT32UC3L0128、ATU64L3U、ATU128L3U、ATU256L3U等。

该系列AVR主要应用于电容式触摸遥控器、游戏手柄、电池供电设备、板卡控制、工业控制、通信协议转换器等。

（5）电源管理AVR

Battery Management AVR是针对电池管理而设计的一个系列，该系列AVR具有安全性高、精确度高、集成电源充电控制机制、Atmel电池管理系统支持等特点。该系列单片机主要有ATmega8HVA、ATmega16HVA、ATmega16HVB、ATmega32HVB、ATmega406等。

该系列AVR主要应用于电池管理系统中，如锂电池汽车的电池管理系统、笔记本电池管理、UPS系统等。

（6）汽车控制AVR

Automotive AVR和Battery Management AVR一样是使用范围比较专业的一个AVR系列，主要应用于汽车智能控制。该系列AVR具有高性能、代码安全性高、内置电压保护等特点。该系列单片机主要有Attiny24 Automotive、Attiny44 Automotive、Attiny84 Automotive、Attiny88 Automotive、Attiny261 Automotive、Attiny461 Automotive、Attiny861 Automotive、ATmega328P Automotive、AT90CAN32 Automotive等。

该系列AVR主要应用于汽车控制系统。

2．AVR单片机的特点

AVR单片机也具有80C51单片机的共性：包含中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等。下面我们分别介绍。

（1）中央处理器

中央处理器也叫CPU（Central Processing Unit），主要由控制器和运算器组成，是整个单片机的核心部件。CPU主要完成取指令、翻译指令、执行指令等操作，同时负责控制、指挥和调度整个单元系统协调地工作，完成运算和控制输入/输出功能等操作。

（2）数据存储器（RAM）

数据存储器是单片机的数据存储单元，AVR的数据存储器包括通用寄存器、I/O寄存器、内部数据存储器（SRAM）。其中通用寄存器主要用于数据交换，I/O寄存器用于控制单片机的I/O口，用户只能访问（读/写）而不能用于存放数据，内部数据存储器用于存放读/写数据、定义变量、运算的中间结果等。

（3）EEPROM数据存储器

AVR单片机与8051单片机不同，该单片机内部除了上面讲的数据存储单元，还集成了EEPROM数据存储器。该存储器作为一个独立的数据空间而存在，可以按字节读/写。通常我们会在其中保存设计软件的配置参数等。

（4）程序存储器（ROM）

程序存储器是和数据存储器相对应的，主要用来存放编译后下载到单片机中的程序。AVR的程序存储器都是Flash结构的，因而可以多次读/写，通常内置Flash的擦写寿命为10000次。

（5）定时器/计数器

每个单片机的内部一般都会有两个或两个以上的定时器/计数器（Timer/Conter），用于外部事件的计数或内部定时。AVR单片机也提供了定时器/计数器而且扩展了PWM功能。

（6）并行输入/输出（I/O）口

每个单片机都会提供基本的输入/输出口，通常称其为I/O口。我们可以在程序中设定其内部的I/O寄存器来改变I/O口的输入、输出功能。

（7）全双工串行口

通常一个单片机会提供一个或多个全双工串行通信口，用于与其他设备间的串行数据传输。串行通信接口是51单片机设计时提供的，因而后期开发的单片机也几乎都提供。

AVR单片机除了提供USART串行通信接口，通常还集成了SPI、TWI（IIC）两种串行通信接口。

（8）中断系统

单片机的中断系统是实现多任务、任务优先级的核心技术。AVR单片机有多种中断机制：复位中断、外部中断、定时器/计数器中断、USART中断、ADC中断、SPI中断、模拟比较器中断等。

（9）时钟电路

AVR单片机设计了多种时钟源选择项，使用时可以根据Flash熔丝位的配置灵活选择。不过也正是这种灵活、多样的熔丝位配置选项，使初学者往往不知所措。当然在Proteus仿真中我们可以不关心这些，先进入嵌入式软件设计的学习。

3．AVR单片机的优势

AVR产品在1997年一经推出，就在业界引起了不小的震动。时至今日，其ATmega系列和其他AVR产品仍是很多嵌入式设计者的最爱，这是为什么呢？我们可以总结一下其自身的优势。

（1）可靠性高、功能强、速度快、功耗低、性价比高

这些都是嵌入式设计的必要条件，也是衡量一款单片机性能优劣的重要指标，因而该项应该是AVR单片机的首选优势。

（2）集成度高

AVR单片机具有良好的集成性能。AVR单片机都具备在线编程接口，其中Mega系列大多具有JTAG仿真和下载功能；AVR单片机含有片内看门狗电路、片内可编程Flash、片内EEPROM数据存储器、USART、SPI、TWI；多数AVR单片机还内嵌了AD转换器、模拟比较器、PWM定时器/计数器等多种功能；AVR片机的I/O接口具有很强的驱动能力，灌电流可直接驱动继电器、LED等器件。正是AVR的这些高度集成的功能，硬件工程师在嵌入式设计中才钟情于“她”，这样可以省去驱动电路，节约系统成本。

（3）入门简单

AVR内部集成功能强大的特点，可以为硬件工程师省去驱动电路的设计；而嵌入式软件工程师也有很广的选择余地。AVR单片机除支持汇编语言外，还支持BASIC、C语言等多种高级语言，常用的开发工具有IAR AVR、Code Vision AVR、ICC AVR、GCC AVR、BASCOM AVR等。使用高级语言编写嵌入式代码，有快速上手、方便移植等优点。这也是众多嵌入式工程师钟情于“她”的又一个原因。

（4）种类繁多

从前面我们介绍“AVR单片机的分类”就可以知道，Atmel公司这些年为适应用户的选择研制了众多的AVR产品。也正是有多种系列可以适用于不同的应用场合，因而嵌入式工程师在使用一款AVR产品后才会爱不释手，在设计新产品时会根据需要选择AVR的其他系列。

1.3.3 AVR单片机的代表ATmega16

Atmel公司在1997年推出首款AVR产品后，相继推出了低端的Tiny系列、中端的AT90S系列和高端的ATmega系列，后来将AT90S系列并入ATmega系列，又推出了增强型XMEGA系列和电池管理AVR、汽车控制AVR。

在众多的AVR单片机中，使用范围最广的是ATmega系列。这是因为ATmega系列几乎具备了AVR单片机所有的优点：可靠性高、功能强、速度快、功耗低、性价比高、集成度高、种类繁多等。所以我们在ATmega系列中选择一款来讲解，这就是ATmega16。

1．ATmega16的主要特点

（1）先进的RISC结构

● 131条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期；

● 32个8位通用工作寄存器；

● 工作于16MHz时钟时性能高达16MIPS；

● 只需两个时钟周期的硬件乘法器。

（2）非易失性程序和数据存储器

● 16KB系统内可编程Flash，擦写寿命为10000次；

● 具有独立锁定位的可选Boot代码区；

● 512B的EEPROM，擦写寿命为100000次；

● 1KB的片内SRAM；

● 可以对锁定位进行编程实现用户程序的加密。

（3）JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容）

● 符合JTAG标准的边界扫描功能；

● 支持扩展的片内调试功能；

● 通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。

（4）外设特点

● 两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器；

● 一个具有预分频器、比较器功能和捕捉功能的16位定时器/计数器；

● 具有独立振荡器的实时计数器RTC；

● 四通道PWM；

● 8路10位ADC；

● 面向字节的两线接口；

● 两个可编程的串行USART；

● 可工作于主机/从机模式的SPI串行接口；

● 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；

● 片内模拟比较器。

（5）特殊的处理器特点

● 上电复位及可编程的掉电检测；

● 片内经过标定的RC振荡器；

● 片内/片外中断源；

● 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（带电挂起）模式及扩展的Standby模式。

（6）I/O和封装

● 32个可编程的I/O口；

● 40引脚PDIP封装，44引脚TQFP封装与44引脚MLF封装。

（7）工作电压（4.5～5.5V）

（8）速度等级（0～16MHz）

2．ATmega16的外观

观察图1-17中左侧的外观图，了解芯片告诉我们的信息。芯片的左上角有一个小圆坑，其下方有一个白色的三角符号。该标志告诉我们这里是芯片的第1引脚，沿逆时针方向数下去，为第1至第40引脚，如图1-17中右图所示。该标志非常重要，我们在实际中调试电路板，用三用表测量时找对应引脚就要用到该标志。

芯片上的标号ATMEL是芯片公司的名称，ATMEGA16 16PI 0634代表的意思就更丰富了。

ATMEGA：表示该芯片是AVR的mega系列，如ATMEGA8、ATMEGA64、ATMEGA64L等。

16：表示该芯片的具体型号，也表示片内可编程Flash是16KB；有的AVR产品在这个数字后面还会加一个字符L，如ATMEGA16L，L表示该芯片的工作电压是2.7～5.5V，而缺省字符L时，表示工作电压是4.5～5.5V。

16：表示最高系统时钟是16MHz。

P：表示封装形式是PDIP封装；同类符号还有A、M，A表示TQFP封装、M表示MLF封装。

I：表示是无铅工业级产品，使用温度为：40～85℃，U表示有铅工业级；同类符号还有C、A、M，C表示商业用产品、A表示汽车用产品、M表示军用产品。

0634：表示生产批次，即2006年第34批次生产。

最后就是引脚数是40。

这就是一块芯片告诉我们的信息，然后我们可以利用这些信息去网上、生产厂家获取更多的信息。

3．Atmega16的引脚定义

VCC：电源。

GND：地。

PA（PA7..PA0）：端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。端口A具有较强的驱动能力，可以直接驱动继电器、LED等电路；在复位过程中，即系统时钟还未起振时，端口A处于高阻状态。

端口A根据I/O寄存器的设定，也可以作为A/D转换器的模拟输入端。

PB（PB7..PB0）：端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。端口B具有较强的驱动能力，可以直接驱动继电器、LED等电路；在复位过程中，即系统时钟还未起振时，端口B处于高阻状态。

端口B根据I/O寄存器的设定，也可以作为其他特殊功能接口，如SPI串行总线接口、模拟比较器输入口、外部计数器输入口、外部中断2输入口等。

PC（PC7..PC0）：端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。端口C具有较强的驱动能力，可以直接驱动继电器、LED等电路；在复位过程中，即系统时钟还未起振时，端口C处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使出现复位信号，引脚PC5（TDI）、PC3（TMS）与PC2（TCK）的上拉电阻也将被激活。

端口C根据I/O寄存器的设定，也可以作为其他特殊功能接口，如定时振荡器引脚、JTAG接口、TWI（IIC）总线接口等。

PD（PD7..PD0）：端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。端口D具有较强的驱动能力，可以直接驱动继电器、LED等电路；在复位过程中，即系统时钟还未起振时，端口D处于高阻状态。

端口D根据I/O寄存器的设定，也可以作为其他特殊功能接口，如外部中断的输入口、定时器/计数器比较匹配输出口、USART串行总线接口等。

：复位输入引脚，低电平有效。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。

XTAL1：反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。

XTAL2：反向振荡放大器的输出端。

AVCC：端口A和A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接，使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。

AREF：A/D转换器的模拟基准输入引脚。

4．AVR单片机与51单片机的比较

最后，如表1-1所示，将AVR单片机与传统的51单片机做一个简单的比较。其中51单片机以AT89C51和AT89S51为例，而AVR单片机以ATmega系列的ATmega8、ATmega16、ATmega64为例。这样，我们不仅可以比较51单片机与AVR单片机的区别，同时也可以了解ATmega系列中各个单片机的区别。

表1-1 AVR单片机与51单片机的比较