第1篇 基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)篇——原來我是個(gè)菜鳥

對于我們不認(rèn)識(shí)或認(rèn)識(shí)不深的內(nèi)容，我們要有自知自明：“原來我是個(gè)菜鳥！”。雖然我們目前是菜鳥，但我們不會(huì)是永遠(yuǎn)的菜鳥。

本篇包含6章，從認(rèn)識(shí)什么是單片機(jī)到具體的單片機(jī)，從對單片機(jī)產(chǎn)生疑惑到解開該疑惑，不斷深入地講述單片機(jī)，帶領(lǐng)菜鳥一步一步地走入單片機(jī)這個(gè)領(lǐng)域。本篇的具體內(nèi)容為：第1章到第6章分別講述單片機(jī)、單片機(jī)開發(fā)工具，AVR的I／O、USART（串口）、ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和EEPROM；每章都給出了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的代碼及仿真結(jié)果。這6章都是使用仿真軟件來完成實(shí)驗(yàn)的，從中也可以增加讀者對相關(guān)軟件的熟悉程度。

第1章 初識(shí)單片機(jī)——與單片機(jī)第一次接觸

當(dāng)你第一次接觸單片機(jī)時(shí)，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(shè)計(jì)好的程序燒錄進(jìn)去？又是如何運(yùn)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(jī)

什么是單片機(jī)？單片機(jī)的全稱是單片微型計(jì)算機(jī)，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(jī)又稱為單片微控制器，它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上，相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)。和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I／O的對應(yīng)設(shè)備。概括來講，一片單片機(jī)就構(gòu)成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。單片機(jī)的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。因此，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。

1.1.1 單片機(jī)發(fā)展的4個(gè)階段

單片機(jī)最早被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。當(dāng)今，單片機(jī)技術(shù)已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)非常重要的分支。在不斷地發(fā)展與完善中，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)建立起屬于自己的技術(shù)特征和應(yīng)用環(huán)境等。按照單片機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)水平，單片機(jī)的發(fā)展可分為以下4個(gè)過程。

1.4位單片機(jī)階段

1971年，美國得州儀器公司首次推出4位單片機(jī)TMS1000后，各個(gè)計(jì)算機(jī)生產(chǎn)公司也迅速推出了屬于自己的4位單片機(jī)。例如，大家熟知的美國國家半導(dǎo)體公司（National Semiconductor，NS）的COP4XX系列就是4位單片機(jī)系列，日本電氣公司（Nippon Electric Company，NEC）的μPD75 XX系列也是4位單片機(jī)系列。4位單片機(jī)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(jī)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(jī)，將單片機(jī)技術(shù)引入了8位單片機(jī)時(shí)代。隨著半導(dǎo)體集成工藝的提高，各個(gè)MCU生產(chǎn)商紛紛推出了一些高性能的8位單片機(jī)。該類單片機(jī)集成了8位CPU、并行I／O、全雙工串口、8位定時(shí)／計(jì)數(shù)器、A／D轉(zhuǎn)換器，尋址范圍超過4KB，并且具有更大的片內(nèi)RAM和ROM等。其實(shí)，各個(gè)生產(chǎn)商生產(chǎn)的MCU都大同小異，只是有的MCU增加了D／A轉(zhuǎn)換器、EEPROM及DMA傳輸功能等而已。8位單片機(jī)的控制能力較為出色，因此在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.16位單片機(jī)

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

4.32位單片機(jī)

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

1.1.2 8位單片機(jī)的特點(diǎn)

從市場的需要情況看，當(dāng)前8位單片機(jī)的市場依然最大。因此，8位單片機(jī)也有了新發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.CPU功能增強(qiáng)

CPU的功能增強(qiáng)體現(xiàn)在CPU的運(yùn)算速度和運(yùn)算精度上。一般來說，舊的megaAVR系列單片機(jī)的最高頻率為16MHz，新的兼容型單片機(jī)的最高頻率達(dá)到20MHz，而ATMEL的Xmage系列單片機(jī)的最高頻率可達(dá)到32MHz。

2.內(nèi)部資源增加

在單片機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，都會(huì)考慮是否將資源集成到單片機(jī)內(nèi)部，進(jìn)而省去外部硬件開銷，有效地減小產(chǎn)品的體積，提高產(chǎn)品的可靠性?，F(xiàn)在已從集成一些總線的資源，如I2 C、SPI、CAN發(fā)展到集成一些特定功能的資源，如LCD驅(qū)動(dòng)、電能計(jì)量等。

3.低電壓、低功耗

當(dāng)今社會(huì)一直都在提倡環(huán)保節(jié)能、降低能耗，在工業(yè)應(yīng)用場合更注重這一方面。這對單片機(jī)系統(tǒng)的體積和功耗大小的要求是比較高的。單片機(jī)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(yīng)對能耗的需求。

1.2 了解單片機(jī)

一般我們接觸到的都是8位單片機(jī)，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(jī)，并且給出一個(gè)例子來加以說明。

1.2.1 8051單片機(jī)

說起單片機(jī)，大家第一時(shí)間就會(huì)想到51單片機(jī)，大部分菜鳥起初接觸到或了解到的一定是該類單片機(jī)，而805 1單片機(jī)又是其中的經(jīng)典，學(xué)電子的朋友對此應(yīng)該不陌生，很多書籍及教科書都以它為模板來講述單片機(jī)這門課程。在805 1單片機(jī)中，又以Inter公司的MCS-5 1系列單片機(jī)較為有名。其以穩(wěn)定的性能、高性價(jià)比及良好的兼容性，在各個(gè)領(lǐng)域得到了最為廣泛的應(yīng)用。

805 1單片機(jī)由于生產(chǎn)廠商和型號(hào)的不同，在片內(nèi)存儲(chǔ)器容量、外圍功能模塊、最高時(shí)鐘頻率及處理器速度等方面有很大的不同，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同，均包括算術(shù)邏輯單元ALU、片內(nèi)RAM、片內(nèi)ROM、I／O端口、定時(shí)系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)等基本的功能單元。如圖1.1所示為805 1單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1.算術(shù)邏輯單元ALU

805 1單片機(jī)內(nèi)部包含一個(gè)8位的算術(shù)邏輯單元ALU，用于處理各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，并且能夠完成數(shù)據(jù)傳送、移位、判斷和程序轉(zhuǎn)移等操作。

2.片內(nèi)RAM／ROM

805 1單片機(jī)提供了128B的片內(nèi)RAM和至少4KB的片內(nèi)ROM。RAM的地址空間為00H～7FH，其中00H～1 FH為4組通用工作存儲(chǔ)器區(qū)，每個(gè)區(qū)包含8個(gè)編號(hào)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(jī)共有32個(gè)I／O，即4組并行8位接口，分別為P0、P1、P2和P3。

4.定時(shí)系統(tǒng)

805 1單片機(jī)包含兩個(gè)16位的定時(shí)／計(jì)數(shù)器，支持4種工作方式。

5.中斷系統(tǒng)

805 1單片機(jī)的中斷系統(tǒng)包含5個(gè)中斷源，兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，其中每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)是可編程的。

1.2.2 FREESCALE（飛思卡爾）單片機(jī)

接下來了解另一種單片機(jī)——FREESCALE（飛思卡爾）單片機(jī)。

飛思卡爾半導(dǎo)體已經(jīng)成為全球最大的半導(dǎo)體公司之一，其主要的產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)處理器、高性能多媒體處理器、高性能工業(yè)控制處理器、模擬和混合信號(hào)、ASIC、手機(jī)平臺(tái)、CodeWarriorTM開發(fā)工具、數(shù)字信號(hào)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(chǎn)的8位微控制器（以MC9S08AC系列為例進(jìn)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(dá)到40MHz，內(nèi)部總線頻率可達(dá)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(jié)構(gòu)圖。

從圖1.2可以看出，與51單片機(jī)相比，飛思卡爾單片機(jī)提供的外設(shè)是相當(dāng)豐富的，除了一般的定時(shí)器、A／D轉(zhuǎn)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(huán)冗余校驗(yàn)?zāi)K。另外，其Flash與RAM更大了。這里具體介紹以下幾個(gè)模塊。

1.內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器

內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器提供多種時(shí)鐘源，這使得用戶能夠非常靈活地根據(jù)成本、精確度、電流消耗及性能要求進(jìn)行選擇。該發(fā)生器包含四個(gè)功能子模塊，分別是振蕩器子模塊、內(nèi)部參考發(fā)生器、鎖相環(huán)和時(shí)鐘功能選擇子模塊。在實(shí)際開發(fā)中，不同產(chǎn)品對時(shí)鐘的要求是不同的，不一定時(shí)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(fù)載和時(shí)序下，支持最高100kbps的傳輸速率。器件也可以在較低總線負(fù)載下以更高的波特率（最高時(shí)鐘／20）在該模塊接口上運(yùn)行。IIC模塊的最大通信長度和可以連接的器件數(shù)量受400pF的最高總線電容限制。IIC模塊的實(shí)際運(yùn)用非常廣泛，在后面的章節(jié)有詳細(xì)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(fā)器（UART）。該接口是全雙工類型的，其發(fā)送器和接收器具有各自的雙緩沖，并可分別使能。它可根據(jù)通信要求設(shè)定所需的波特率。

4.串行外設(shè)接口

串行外設(shè)接口（SPI）也是一個(gè)運(yùn)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(fā)送比特率可編程、MSB優(yōu)先移位或LSB優(yōu)先移位等。

5.循環(huán)冗余校驗(yàn)?zāi)K

循環(huán)冗余檢驗(yàn)（CRC）模塊是采用16位移位寄存器的硬件CRC發(fā)生器電路，其誤碼檢測功能可以檢測所有單、雙數(shù)誤碼及大多數(shù)多位誤碼，而且還能編程初始速率和進(jìn)行高速的CRC計(jì)算。

1.2.3 其他單片機(jī)

了解了以上兩種單片機(jī)后，再來看看市場上還有哪些主流的單片機(jī)——AVR單片機(jī)、PIC單片機(jī)、STM單片機(jī)、MSP430單片機(jī)等。AVR單片機(jī)將是1.3節(jié)介紹的重點(diǎn)。每個(gè)單片機(jī)廠商生產(chǎn)的單片機(jī)都有屬于自己的CPU內(nèi)核，架構(gòu)不同，寄存器也都不相同，而且每個(gè)廠商提供的開發(fā)環(huán)境也不一樣，很少有一個(gè)開發(fā)環(huán)境兼容所有單片機(jī)類型。但是總的來說，單片機(jī)大體還是一樣的，因此只要針對一種比較典型的單片機(jī)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)、實(shí)踐即可，不需要對每一種單片機(jī)都進(jìn)行從頭到尾的學(xué)習(xí)及實(shí)踐。對于不同類型的單片機(jī)，主要需要花時(shí)間學(xué)習(xí)的部分在于開發(fā)環(huán)境的熟悉與運(yùn)用，以及和該單片機(jī)相關(guān)的寄存器的設(shè)置與運(yùn)用。

1.3 接觸AVR單片機(jī)

本節(jié)重點(diǎn)介紹ATMEL公司生產(chǎn)的AVR單片機(jī)，該類單片機(jī)是當(dāng)前市場上比較具有代表性的一款單片機(jī)。

1.3.1 AVR概述

1997年，ATMEL公司的挪威設(shè)計(jì)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(nèi)核的統(tǒng)稱，其內(nèi)部又分為ATtiny、AT90S和ATmega三大系列，分別對應(yīng)AVR的低、中、高檔產(chǎn)品。ATtiny系列中常用的有ATtiny10、ATtiny1634、ATtiny25等產(chǎn)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(jī)，因此它在設(shè)計(jì)中很容易替代51單片機(jī)。但是到目前，AT90S系列的絕大部分已停產(chǎn)。當(dāng)某一個(gè)AT90S系列的產(chǎn)品停產(chǎn)后，ATMEL公司通常會(huì)在ATmega或ATtiny系列中推出一個(gè)新的替代產(chǎn)品，在引腳兼容的基礎(chǔ)上，該替代產(chǎn)品的內(nèi)部資源和性能也得到了加強(qiáng)。例如，ATtiny2313作為AT90S2313的替代產(chǎn)品，在AT90S2313的基礎(chǔ)上增加了片內(nèi)標(biāo)定振蕩器、增強(qiáng)型上電復(fù)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(chǎn)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(chǎn)品。值得關(guān)注的是ATmega8這一款單片機(jī)，它以豐富的片內(nèi)資源、低廉的價(jià)格深受廣大設(shè)計(jì)人員的喜愛，并在國內(nèi)得到了較好的推廣。然而ATmega48／88／168作為ATmega8的兼容產(chǎn)品，為用戶提供了更多功能的選擇。ATmega16也是一個(gè)用量較多的器件，它的引腳兼容AT90S8535，因此可以在某些應(yīng)用場合用于替代AT90S8535。與ATmega8相比，ATmega16除了I／O引腳多之外，內(nèi)部還集成了容量是ATmega8的兩倍（16K）的Flash程序存儲(chǔ)器。

隨著國內(nèi)AVR用戶的增多，ATMEL公司也開始了主流器件數(shù)據(jù)手冊的中文翻譯工作。從互聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)手冊，這給人們學(xué)習(xí)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(qiáng)大的Xmega系列的單片機(jī)，它和上述AVR單片機(jī)具有同一種內(nèi)核，只是功能及資源更加強(qiáng)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(chǎn)品，相信讀者對AVR單片機(jī)的總體有了一個(gè)大致的了解。接下來介紹AVR單片機(jī)的特性，并以ATmega系列中的ATmega88V／168V為例（其中以ATmega88V為主）進(jìn)行介紹。

1.CPU

ATmega88V是一個(gè)具有高性能、低功耗的8位AVR微處理器，采用的是先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，擁有131條指令，并且大多數(shù)指令的執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期。當(dāng)工作時(shí)鐘為16MHz時(shí)，它的指令處理速度高達(dá)16 MIPS（Million Instructions Per Second），且擁有32 ×8通用工作寄存器及只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器，使得運(yùn)算更加快速。

2.存儲(chǔ)器

ATmega88V擁有系統(tǒng)內(nèi)可編程8KB的Flash空間，擦寫壽命為10 000次，并且具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程及真正的同時(shí)讀／寫操作。除了Flash位外，它還具有5 12B的EEPROM及1 KB的片內(nèi)SRAM。

3.特殊的微控制器特點(diǎn)

ATmega88V可以設(shè)置為上電復(fù)位及可編程的掉電檢測，并可設(shè)置幾個(gè)參考值來應(yīng)對不同工作電壓下的掉電檢測。它擁有經(jīng)過標(biāo)定的片內(nèi)RC振蕩器、片內(nèi)／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(dāng)產(chǎn)品要求在極低功耗下運(yùn)行時(shí)，ATmega88V提供了以下工作模式來應(yīng)對該要求：在正常模式下，當(dāng)工作電壓為1.8V、頻率為1 MHz時(shí)，電流只有300μA；在掉電模式下，當(dāng)電壓為1.8V時(shí)，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(shè)計(jì)。

1.3.3 AVR的外設(shè)

如圖1.3所示為AVR的結(jié)構(gòu)方框圖，從圖中可以看出ATmega88V包括哪些外設(shè)資源。以下是對其中一些外設(shè)的簡單概述。

1.定時(shí)器／計(jì)數(shù)器

ATmega88V具有兩個(gè)有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器和一個(gè)有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，并且支持PWM功能，可以實(shí)現(xiàn)可變PWM；它擁有獨(dú)立的中斷源，即比較和溢出兩種中斷源。有的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載。

2.A／D轉(zhuǎn)換器

A／D轉(zhuǎn)換器具有10位精度，最高分辨率時(shí)的采樣率高達(dá)15 kSPS，且有6路復(fù)用的單端輸入通道。它有連續(xù)轉(zhuǎn)換和單次轉(zhuǎn)換兩種轉(zhuǎn)換模式。

3.USART模塊

USART是一個(gè)高度靈活的串行通信設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)全雙工操作，擁有高精度的波特率發(fā)生器。它有3個(gè)獨(dú)立的中斷：發(fā)送結(jié)束中斷、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空中斷及接收結(jié)束中斷，更方便運(yùn)用。

4.串行外設(shè)接口（SPI）

SPI允許ATmega88V和其他AVR或其他類型的器件進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。它可選擇工作在主機(jī)模式還是從機(jī)模式，可實(shí)現(xiàn)全雙工、3線同步數(shù)據(jù)傳輸。

5.兩線串行接口（I2 C）

I2 C支持主機(jī)／從機(jī)操作模式。它擁有7位地址空間，其主機(jī)模式可支持最大128個(gè)從機(jī)地址，且數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)400kHz。

6.看門狗定時(shí)器（WDT）

WDT由獨(dú)立的128kHz片內(nèi)振蕩器驅(qū)動(dòng)，可以觸發(fā)復(fù)位芯片的操作，用來防止程序進(jìn)入死區(qū)。它還可以產(chǎn)生不同時(shí)間間隔的中斷。

本節(jié)大體講述了AVR的一些外設(shè)，關(guān)于其具體的設(shè)置與運(yùn)用，將在往后的章節(jié)中一一與讀者分享。

1.4 小結(jié)

本章對單片機(jī)的發(fā)展及其發(fā)展做了一些闡述，并介紹了幾種市場主流的單片機(jī)類型。在介紹主流單片機(jī)時(shí)，著重對其結(jié)構(gòu)給出了相應(yīng)的圖片，以便讀者更好地了解所述類型的結(jié)構(gòu)。1.3節(jié)介紹了本書中推崇的單片機(jī)類型——AVR，以讓讀者對AVR有一定的了解。