ATmega16单片机的特点和内部结构解析

yingujun 2019-09-30 13111

控制/MCU

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描述

下面就总结一下AVR单片机ATmega16的主要特点：

（注：括号内有红色 *x*符号的表示文章下方会有解释/扩展）

1）采用 RISC 结构的AVR内核单片机。

131 条机器指令，大多数指令为单个系统时钟周期执行的指令;

32 个 8 位通用工作寄存器;

全静态工作方式（Fully Static Operation）。（*A*）

工作在 16 MHz 时具有 16 MIPS 的性能。（注：ATmega16L 系列最大工作频率为 8 MHz）;

内部配备有 2 个时钟周期的硬件乘法器。

2）片内自带大容量，非易失的程序和数据存储器（*B*）

16KB 在线可编程（ISP，In-System Programming）Flash 程序存储器（擦写次数》10 000），采用 Boot load 技术支持IAP（In-Application Programming）功能。

1KB片内 SRAM 数据存储器，可以实现 3 级锁定的程序加密;

512 字节片内 ISP 的EEPROM 数据存储器（擦鞋次数》100 000）;

3）片内含JTAG接口

支持符合 JTAG 标准（与IEEE 1149.1 标准兼容）的边界扫描功能，用于芯片检测;

支持扩展的片内在线调试功能;

可通过 JTAG 接口对片内 Flash， EEPROM，熔丝位和加密锁定位实现下载编程; （*C*）

4）外围接口

2 个带有分别独立和可设置预分频的 8 位定时/计数器;

1 个带有可设置预分频器，具有比较，捕捉功能的 16 位定时/计数器;

片内含独立振荡器的实时时钟 RTC;

4 路 PWM 通道;

8 路 10 位 ADC;

面向字节的两线接口 TWI（Two—Wire Serial Interface，完全兼容 IIC 总线硬件接口）;

1 个可编程，增强型全双工，支持同步/异步通信的串行接口 USART;

1 个可工作于主机/从机模式的 SPI （Serial Peripheral Interface Bus）串行接口（支持 ISP 程序下载）;

片内集成模拟比较器; （*D*）

片内含有可编程的具有独立片内震荡期的看门狗定时器 WDT;

5）其他特点

内含上电复位电路以及可编程的掉电检测复位电路 BOD（Brown-out Detection）;

片内含有 1/2/4/8 MHz 经过标定的，可校正的 RC 震荡器，可作为系统时钟使用;

21 种内外部中断源; （*E*）

6 种休眠模式（空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及

扩展的Standby 模式），支持节电方式工作;

32 个可编程 I/O 口。封装方式有：40脚 PDIP 封装， 44 脚 TQFP 封装，与44 脚的 MLF 封装;（*F*）

工作电压： ATmega16L 为 2.7~5.5V， ATmega16 为 4.5~5.5V;

运行速度： ATmega16L为 0~8MHz， ATmega16为0~16MHz;

功耗指标： ATmega16L 工作在 1MHz， 3V， 25摄氏度时：典型功耗为 1.1mA，空闲模式为 0.35mA，掉电模式为《 1uA;

注释A：

全静态工作方式就是时钟停止振荡（而且手册中也说了工作频率是 0~8/16MHz），但是寄存器和数据存储器（ATmega16采用的是 SRAM 存储器，所以不必进行定时刷新）的数据不会丢失。前提是你电源得存在，不然就关机了不是？

注释B：

Atmega16 单片机的 Flash 程序存储器空间可以分为两段：引导程序段（Boot Program Section）和应用程序段（Application Program section）。两段的读/写保护可以分别通过设置对应的锁定位（Lock Bits）来实现。在引导程序段内驻留的引导程序中，可以使用 SPM 指令实现对应用程序段的写操作（即实现 IAP 功能，使系统能自懂更新系统程序）。在 AVR 中，所有的存储空间都是线型的。 SRAM 可以通过 6 种不同的寻址方式进行访问。（分别是：数据存储器空间直接/间接寻址，带后增/预减量的数据存储器空间的寄存器间接寻址，带位移的数据存储器空间的寄存器间接寻址，数据存储器空间堆栈寄存器 SP 间接寻址）。

注释C：

熔丝是一个保护知识产权的设计。就是在特定的引脚上加上电压，足够的电流，就可以烧断里边的这根熔丝（AVR的熔丝可以多次编程，并不是 OTP 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。通过设定和配置 AVR 单片机的熔丝位，我们就可以使 AVR 具有不同特性的功能组合，更加适合实际的使用和学习。出厂时不同熔丝位的设定值是不同的，一定要注意区分，熔丝位的配置在 AVR 单片机中非常重要，配置不好可能会锁死单片机或者不能正常工作; 配置之前一定要对照datasheet 手册仔细核对准; 一定要发篇博客总结学习下。

注释D：

比较器是通过比较两个输入端的电流或电压的大小，在输出端输出不同电压结果的电子元件。比较器常被用于模数转换电路中。使用 AVR 的模拟比较器就可以构成 ADC 转换器;AVR 单片机在复位后，模拟比较器是处于允许工作状态的。如果不使用它，就把寄存器 ACSR 的 ACD 位设置为 1，以关闭模拟比较器减少电源消耗; 与其相关的寄存器是 SFIOR 和 ACSR. AVR 的模拟比较器是 AVR 的中断源之一;

注释E：

这 21 个内外部中断源是（按优先级排序）：

AVR单片机中断向量区向量号Flash空间地址中断源

中断定义说明

1 $000RESET外部引脚电平引发的复位，上电复位，掉电检测复位，

看门狗复位， JTAG AVR 复位 2 $002INT0外部中断 0 3 $004INT1外部中断 1 4 $006TIMER 2 COMP定时/计数器 2 比较匹配 5 $008TIMER 2 OVF定时/计数器 2 溢出 6 $00ATIMER 1 CAPT定时/计数器 1 事件捕捉 7 $00CTIMER 1 COMPA定时/计数器 1 比较匹配 A 8 $00ETIMER 1 COMPB定时/计数器 1 比较匹配 B 9 $010TIMER 1 OVF定时/计数器 1 溢出 10 $012TIMER 0 OVF定时/计数器 0 溢出 11 $014SPI STCSPI 串行传输结束 12 $016USART RXCUSART，接收结束 13 $018USART UXREUSART，数据寄存器空 14 $01AUSART TXCUSART，发送结束 15 $01CADCA/C 转换结束 16 $01EEE_RDYEEPROM 就绪 17 $020ANA_COMP模拟比较器 18 $022TWI两线串行接口 19 $024INT2外部中断请求 2 20 $026TIMER 0 COMP定时/计数器 0 比较匹配 21 $028SPM_RDY保存程序存储器内容就绪

中断向量区大小 = 中断源个数 X 每个中断向量占据字数

其中中断还分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断（AVR 中复位为唯一一个不可屏蔽的中断）。

注释F：

AVR 单片机的 I/O 口共 32 个，分为 4 组端口，每组 8 个;4 个端口的第一功能是通用的双向 I/O 口，每位都要通过指令设置为独立的输入/输出口。设置为输入时内部自带有上拉电阻，这些内部上拉可以通过编程设置为有效或者无效。当输出高电平时，可输出 20mA 的电流，而当输出低电平时，可以吸收 40mA 的电流。因此 AVR 可以直接驱动数码管和 LED 发光二极管。另外要注意的就是， AVR 单片在复位后，所有的 I/O 口都是默认为输入方式的，上拉电阻无效，即I/O为输入高阻的三态状态。 I/O空间为连续的 64 个 I/O 寄存器空间，他们分别对应单片机各个外围功能的控制和数据寄存器地址。 I/O 寄存器空间可使用 I/O 寄存器访问指令直接访问，也可将其映射为通用工作寄存器组后的数据存储器空间，使用数据存储器访问指令进行操作。 I/O 寄存器空间在数据存储器空间的映射地址为 $020--&05F.

下图是 AVR 单片机的内部结构框图：

ATmega16单片机

来源；21ic

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