第1篇 基礎認識篇——原來我是個菜鳥

對于我們不認識或認識不深的內容，我們要有自知自明：“原來我是個菜鳥！”。雖然我們目前是菜鳥，但我們不會是永遠的菜鳥。

本篇包含6章，從認識什么是單片機到具體的單片機，從對單片機產生疑惑到解開該疑惑，不斷深入地講述單片機，帶領菜鳥一步一步地走入單片機這個領域。本篇的具體內容為：第1章到第6章分別講述單片機、單片機開發工具，AVR的I／O、USART（串口）、ADC（模數轉換器）和EEPROM；每章都給出了相應實驗的代碼及仿真結果。這6章都是使用仿真軟件來完成實驗的，從中也可以增加讀者對相關軟件的熟悉程度。

第1章 初識單片機——與單片機第一次接觸

當你第一次接觸單片機時，看著那些小的芯片，一定很好奇它們是如何工作的？它們是如何將我們設計好的程序燒錄進去？又是如何運行起來的？諸如此類的問題縈繞在你的腦海中，你一定渴望得到答案。下面就為此類問題給出答案，揭開屬于我們菜鳥自己的篇章。

1.1 什么是單片機

什么是單片機？單片機的全稱是單片微型計算機，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫MCU表示它。單片機又稱為單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統集成到一個芯片上，相當于一個微型的計算機。和計算機相比，單片機只缺少了I／O的對應設備。概括來講，一片單片機就構成了一臺計算機。單片機的體積小、質量輕、價格便宜，為學習、應用和開發提供了便利條件。因此，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。

1.1.1 單片機發展的4個階段

單片機最早被用在工業控制領域。當今，單片機技術已成為計算機技術領域中的一個非常重要的分支。在不斷地發展與完善中，單片機技術已經建立起屬于自己的技術特征和應用環境等。按照單片機的生產技術水平，單片機的發展可分為以下4個過程。

1.4位單片機階段

1971年，美國得州儀器公司首次推出4位單片機TMS1000后，各個計算機生產公司也迅速推出了屬于自己的4位單片機。例如，大家熟知的美國國家半導體公司（National Semiconductor，NS）的COP4XX系列就是4位單片機系列，日本電氣公司（Nippon Electric Company，NEC）的μPD75 XX系列也是4位單片機系列。4位單片機的控制能力比較弱，多用于家用電器、電子玩具等控制器。

2.8位單片機階段

美國的Inter公司在1976年9月推出了MCS-48系列的8位單片機，將單片機技術引入了8位單片機時代。隨著半導體集成工藝的提高，各個MCU生產商紛紛推出了一些高性能的8位單片機。該類單片機集成了8位CPU、并行I／O、全雙工串口、8位定時／計數器、A／D轉換器，尋址范圍超過4KB，并且具有更大的片內RAM和ROM等。其實，各個生產商生產的MCU都大同小異，只是有的MCU增加了D／A轉換器、EEPROM及DMA傳輸功能等而已。8位單片機的控制能力較為出色，因此在各個行業中得到了廣泛的應用。

3.16位單片機

16位單片機是在1983年以后發展起來的。顧名思義，此類單片機的CPU是16位的，其運算速度普遍高于8位單片機，并且外設接口更加豐富，支持高級語言等，多用于智能儀表等復雜的應用控制領域。典型的產品有美國得州儀器公司推出的MSP430系列單片機，它是一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor），稱為混合信號處理器。

4.32位單片機

隨著電子系統的迅速發展，32位單片機的應用前景廣泛。32位單片機的字長為32位，為單片機中的頂端產品，具有極高的運算速度，其中部分產品還集成了內存管理單元（MMU），多用于嵌入式系統。美國微芯科技公司的PIC32系列，美國愛特梅爾半導體公司（ATMEL）的AVR32系列等都屬于該類。

1.1.2 8位單片機的特點

從市場的需要情況看，當前8位單片機的市場依然最大。因此，8位單片機也有了新發展，主要體現在以下幾個方面。

1.CPU功能增強

CPU的功能增強體現在CPU的運算速度和運算精度上。一般來說，舊的megaAVR系列單片機的最高頻率為16MHz，新的兼容型單片機的最高頻率達到20MHz，而ATMEL的Xmage系列單片機的最高頻率可達到32MHz。

2.內部資源增加

在單片機硬件系統的設計中，都會考慮是否將資源集成到單片機內部，進而省去外部硬件開銷，有效地減小產品的體積，提高產品的可靠性。現在已從集成一些總線的資源，如I2 C、SPI、CAN發展到集成一些特定功能的資源，如LCD驅動、電能計量等。

3.低電壓、低功耗

當今社會一直都在提倡環保節能、降低能耗，在工業應用場合更注重這一方面。這對單片機系統的體積和功耗大小的要求是比較高的。單片機廠商改善工藝，紛紛推出了低功耗系列，其可用的最小電壓在不斷下降，并且提供了更多的模式來應對能耗的需求。

1.2 了解單片機

一般我們接觸到的都是8位單片機，而且它是市面上最為常見的。下面介紹幾種不同的8位單片機，并且給出一個例子來加以說明。

1.2.1 8051單片機

說起單片機，大家第一時間就會想到51單片機，大部分菜鳥起初接觸到或了解到的一定是該類單片機，而805 1單片機又是其中的經典，學電子的朋友對此應該不陌生，很多書籍及教科書都以它為模板來講述單片機這門課程。在805 1單片機中，又以Inter公司的MCS-5 1系列單片機較為有名。其以穩定的性能、高性價比及良好的兼容性，在各個領域得到了最為廣泛的應用。

805 1單片機由于生產廠商和型號的不同，在片內存儲器容量、外圍功能模塊、最高時鐘頻率及處理器速度等方面有很大的不同，但其內部結構基本相同，均包括算術邏輯單元ALU、片內RAM、片內ROM、I／O端口、定時系統、中斷系統等基本的功能單元。如圖1.1所示為805 1單片機的內部結構。

1.算術邏輯單元ALU

805 1單片機內部包含一個8位的算術邏輯單元ALU，用于處理各種算術運算和邏輯運算，并且能夠完成數據傳送、移位、判斷和程序轉移等操作。

2.片內RAM／ROM

805 1單片機提供了128B的片內RAM和至少4KB的片內ROM。RAM的地址空間為00H～7FH，其中00H～1 FH為4組通用工作存儲器區，每個區包含8個編號為R0～R7的8位寄存器。此外，1 FH～2FH為位尋址空間。而ROM用于保存用戶的程序指令。

3.I／O端口

805 1單片機共有32個I／O，即4組并行8位接口，分別為P0、P1、P2和P3。

4.定時系統

805 1單片機包含兩個16位的定時／計數器，支持4種工作方式。

5.中斷系統

805 1單片機的中斷系統包含5個中斷源，兩級中斷優先級，其中每個中斷源的優先級是可編程的。

1.2.2 FREESCALE（飛思卡爾）單片機

接下來了解另一種單片機——FREESCALE（飛思卡爾）單片機。

飛思卡爾半導體已經成為全球最大的半導體公司之一，其主要的產品有8位微控制器、16位微控制器、32位微控制器與處理器、PowerArchitectureTM／PowerQUICCTM、高性能網絡處理器、高性能多媒體處理器、高性能工業控制處理器、模擬和混合信號、ASIC、手機平臺、CodeWarriorTM開發工具、數字信號處理器與控制器、電源管理、RF射頻功率放大器、高性能線性功率放大器GPA、音視頻家電射頻多媒體處理器、傳感器。在這里了解一下其生產的8位微控制器（以MC9S08AC系列為例進行介紹）。

MC9S08AC系列微控制器采用的是8位HCS08中央處理器，其CPU頻率可達到40MHz，內部總線頻率可達到20MHz，并且使用的是HC08的指令集。如圖1.2所示是MC9S08AC系列MCU的模塊結構圖。

從圖1.2可以看出，與51單片機相比，飛思卡爾單片機提供的外設是相當豐富的，除了一般的定時器、A／D轉換器等外，還增加了串行通信接口模塊、8位鍵盤中斷模塊及循環冗余校驗模塊。另外，其Flash與RAM更大了。這里具體介紹以下幾個模塊。

1.內部時鐘發生器

內部時鐘發生器提供多種時鐘源，這使得用戶能夠非常靈活地根據成本、精確度、電流消耗及性能要求進行選擇。該發生器包含四個功能子模塊，分別是振蕩器子模塊、內部參考發生器、鎖相環和時鐘功能選擇子模塊。在實際開發中，不同產品對時鐘的要求是不同的，不一定時鐘高的就是好的。

2.IIC模塊

IIC模塊提供了接口給不同器件間通信的方法。該模塊接口可以在最大的總線負載和時序下，支持最高100kbps的傳輸速率。器件也可以在較低總線負載下以更高的波特率（最高時鐘／20）在該模塊接口上運行。IIC模塊的最大通信長度和可以連接的器件數量受400pF的最高總線電容限制。IIC模塊的實際運用非常廣泛，在后面的章節有詳細的講解。

3.串行通信接口模塊

串行通信接口（SCI）也被稱為通用異步收發器（UART）。該接口是全雙工類型的，其發送器和接收器具有各自的雙緩沖，并可分別使能。它可根據通信要求設定所需的波特率。

4.串行外設接口

串行外設接口（SPI）也是一個運用非常廣泛的接口。它支持主或從工作方式、全雙工或半雙工、發送比特率可編程、MSB優先移位或LSB優先移位等。

5.循環冗余校驗模塊

循環冗余檢驗（CRC）模塊是采用16位移位寄存器的硬件CRC發生器電路，其誤碼檢測功能可以檢測所有單、雙數誤碼及大多數多位誤碼，而且還能編程初始速率和進行高速的CRC計算。

1.2.3 其他單片機

了解了以上兩種單片機后，再來看看市場上還有哪些主流的單片機——AVR單片機、PIC單片機、STM單片機、MSP430單片機等。AVR單片機將是1.3節介紹的重點。每個單片機廠商生產的單片機都有屬于自己的CPU內核，架構不同，寄存器也都不相同，而且每個廠商提供的開發環境也不一樣，很少有一個開發環境兼容所有單片機類型。但是總的來說，單片機大體還是一樣的，因此只要針對一種比較典型的單片機進行深入學習、實踐即可，不需要對每一種單片機都進行從頭到尾的學習及實踐。對于不同類型的單片機，主要需要花時間學習的部分在于開發環境的熟悉與運用，以及和該單片機相關的寄存器的設置與運用。

1.3 接觸AVR單片機

本節重點介紹ATMEL公司生產的AVR單片機，該類單片機是當前市場上比較具有代表性的一款單片機。

1.3.1 AVR概述

1997年，ATMEL公司的挪威設計中心的A先生和V先生出于市場需求的考慮推出了全新配置的8位精減指令集微處理器（RISC-Reduced Instrction Sot CPU），并起名為AVR。

AVR是一種指令內核的統稱，其內部又分為ATtiny、AT90S和ATmega三大系列，分別對應AVR的低、中、高檔產品。ATtiny系列中常用的有ATtiny10、ATtiny1634、ATtiny25等產品。AT90S系列中常用的有AT90S2313、AT90S8535、AT90S8515等，其中AT90S2313的引腳兼容AT89C2051，而AT90S8515的引腳則兼容51單片機，因此它在設計中很容易替代51單片機。但是到目前，AT90S系列的絕大部分已停產。當某一個AT90S系列的產品停產后，ATMEL公司通常會在ATmega或ATtiny系列中推出一個新的替代產品，在引腳兼容的基礎上，該替代產品的內部資源和性能也得到了加強。例如，ATtiny2313作為AT90S2313的替代產品，在AT90S2313的基礎上增加了片內標定振蕩器、增強型上電復位、可編程的掉電檢測等多種功能。類似的，ATmega8515和ATmega8535分別作為AT90S8515和AT90S8535的替代產品繼承了很多Mega系列的特性。

ATmega48／88／168、ATmega8、ATmega16／32、ATmega64和ATmega128是ATmega系列的主流產品。值得關注的是ATmega8這一款單片機，它以豐富的片內資源、低廉的價格深受廣大設計人員的喜愛，并在國內得到了較好的推廣。然而ATmega48／88／168作為ATmega8的兼容產品，為用戶提供了更多功能的選擇。ATmega16也是一個用量較多的器件，它的引腳兼容AT90S8535，因此可以在某些應用場合用于替代AT90S8535。與ATmega8相比，ATmega16除了I／O引腳多之外，內部還集成了容量是ATmega8的兩倍（16K）的Flash程序存儲器。

隨著國內AVR用戶的增多，ATMEL公司也開始了主流器件數據手冊的中文翻譯工作。從互聯網上可以找到ATtiny25、ATmega48／88／168、ATmega8、ATmega16／32、ATmega64等器件的官方翻譯的中文數據手冊，這給人們學習和使用AVR器件提供了很大的幫助。

目前，AVR又推出了功能更強大的Xmega系列的單片機，它和上述AVR單片機具有同一種內核，只是功能及資源更加強大了。

1.3.2 AVR的特性

前面介紹了AVR的起源、AVR系列及主流產品，相信讀者對AVR單片機的總體有了一個大致的了解。接下來介紹AVR單片機的特性，并以ATmega系列中的ATmega88V／168V為例（其中以ATmega88V為主）進行介紹。

1.CPU

ATmega88V是一個具有高性能、低功耗的8位AVR微處理器，采用的是先進的RISC結構，擁有131條指令，并且大多數指令的執行時間為單個時鐘周期。當工作時鐘為16MHz時，它的指令處理速度高達16 MIPS（Million Instructions Per Second），且擁有32 ×8通用工作寄存器及只需兩個時鐘周期的硬件乘法器，使得運算更加快速。

2.存儲器

ATmega88V擁有系統內可編程8KB的Flash空間，擦寫壽命為10 000次，并且具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區，可實現系統內編程及真正的同時讀／寫操作。除了Flash位外，它還具有5 12B的EEPROM及1 KB的片內SRAM。

3.特殊的微控制器特點

ATmega88V可以設置為上電復位及可編程的掉電檢測，并可設置幾個參考值來應對不同工作電壓下的掉電檢測。它擁有經過標定的片內RC振蕩器、片內／外中斷源及5種不同的休眠模式（空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式和Standby模式）。當產品要求在極低功耗下運行時，ATmega88V提供了以下工作模式來應對該要求：在正常模式下，當工作電壓為1.8V、頻率為1 MHz時，電流只有300μA；在掉電模式下，當電壓為1.8V時，電流僅有0.5 μA。

4.電壓范圍

ATmega88V可以工作在1.8～5.5V之間，其電壓范圍大，有利于硬件電路的設計。

1.3.3 AVR的外設

如圖1.3所示為AVR的結構方框圖，從圖中可以看出ATmega88V包括哪些外設資源。以下是對其中一些外設的簡單概述。

1.定時器／計數器

ATmega88V具有兩個有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器／計數器和一個有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器／計數器，并且支持PWM功能，可以實現可變PWM；它擁有獨立的中斷源，即比較和溢出兩種中斷源。有的定時器／計數器還可以實現自動加載。

2.A／D轉換器

A／D轉換器具有10位精度，最高分辨率時的采樣率高達15 kSPS，且有6路復用的單端輸入通道。它有連續轉換和單次轉換兩種轉換模式。

3.USART模塊

USART是一個高度靈活的串行通信設備，可以實現全雙工操作，擁有高精度的波特率發生器。它有3個獨立的中斷：發送結束中斷、發送數據寄存器空中斷及接收結束中斷，更方便運用。

4.串行外設接口（SPI）

SPI允許ATmega88V和其他AVR或其他類型的器件進行高速的同步數據傳輸。它可選擇工作在主機模式還是從機模式，可實現全雙工、3線同步數據傳輸。

5.兩線串行接口（I2 C）

I2 C支持主機／從機操作模式。它擁有7位地址空間，其主機模式可支持最大128個從機地址，且數據傳輸率高達400kHz。

6.看門狗定時器（WDT）

WDT由獨立的128kHz片內振蕩器驅動，可以觸發復位芯片的操作，用來防止程序進入死區。它還可以產生不同時間間隔的中斷。

本節大體講述了AVR的一些外設，關于其具體的設置與運用，將在往后的章節中一一與讀者分享。

1.4 小結

本章對單片機的發展及其發展做了一些闡述，并介紹了幾種市場主流的單片機類型。在介紹主流單片機時，著重對其結構給出了相應的圖片，以便讀者更好地了解所述類型的結構。1.3節介紹了本書中推崇的單片機類型——AVR，以讓讀者對AVR有一定的了解。