ATmega16單片機的特點和內部結構解析

下面就總結一下AVR單片機ATmega16的主要特點：

（注： 括號內有紅色 *x*符號的表示文章下方會有解釋/擴展）

1） 采用 RISC 結構的AVR內核單片機。

131 條機器指令， 大多數指令為單個系統時鐘周期執行的指令;

32 個 8 位通用工作寄存器;

全靜態工作方式（Fully Static Operation）。 （*A*）

工作在 16 MHz 時具有 16 MIPS 的性能。（注：ATmega16L 系列最大工作頻率為 8 MHz）;

內部配備有 2 個時鐘周期的硬件乘法器。

2）片內自帶大容量， 非易失的程序和數據存儲器 （*B*）

16KB 在線可編程（ISP，In-System Programming）Flash 程序存儲器（擦寫次數》10 000）， 采用 Boot load 技術支持IAP（In-Application Programming）功能。

1KB片內 SRAM 數據存儲器， 可以實現 3 級鎖定的程序加密;

512 字節片內 ISP 的EEPROM 數據存儲器（擦鞋次數》100 000）;

3） 片內含JTAG接口

支持符合 JTAG 標準（與IEEE 1149.1 標準兼容）的邊界掃描功能， 用于芯片檢測;

支持擴展的片內在線調試功能;

可通過 JTAG 接口對片內 Flash， EEPROM， 熔絲位和加密鎖定位實現下載編程; （*C*）

4） 外圍接口

2 個帶有分別獨立和可設置預分頻的 8 位定時/計數器;

1 個帶有可設置預分頻器， 具有比較， 捕捉功能的 16 位定時/計數器;

片內含獨立振蕩器的實時時鐘 RTC;

4 路 PWM 通道;

8 路 10 位 ADC;

面向字節的兩線接口 TWI（Two—Wire Serial Interface， 完全兼容 IIC 總線硬件接口）;

1 個可編程， 增強型全雙工， 支持同步/異步通信的串行接口 USART;

1 個可工作于主機/從機模式的 SPI （Serial Peripheral Interface Bus）串行接口（支持 ISP 程序下載）;

片內集成模擬比較器; （*D*）

片內含有可編程的具有獨立片內震蕩期的看門狗定時器 WDT;

5）其他特點

內含上電復位電路以及可編程的掉電檢測復位電路 BOD（Brown-out Detection）;

片內含有 1/2/4/8 MHz 經過標定的， 可校正的 RC 震蕩器， 可作為系統時鐘使用;

21 種內外部中斷源; （*E*）

6 種休眠模式（空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及

擴展的Standby 模式）， 支持節電方式工作;

32 個可編程 I/O 口。 封裝方式有：40腳 PDIP 封裝， 44 腳 TQFP 封裝， 與44 腳的 MLF 封裝;（*F*）

工作電壓： ATmega16L 為 2.7~5.5V， ATmega16 為 4.5~5.5V;

運行速度： ATmega16L為 0~8MHz， ATmega16為0~16MHz;

功耗指標： ATmega16L 工作在 1MHz， 3V， 25攝氏度時：典型功耗為 1.1mA，空閑模式為 0.35mA，掉電模式為 《 1uA;

注釋A：

全靜態工作方式就是時鐘停止振蕩（而且手冊中也說了工作頻率是 0~8/16MHz）， 但是寄存器和數據存儲器（ATmega16采用的是 SRAM 存儲器， 所以不必進行定時刷新）的數據不會丟失。 前提是你電源得存在， 不然就關機了不是？

注釋B：

Atmega16 單片機的 Flash 程序存儲器空間可以分為兩段： 引導程序段（Boot Program Section）和應用程序段（Application Program section）。 兩段的讀/寫保護可以分別通過設置對應的鎖定位（Lock Bits）來實現。 在引導程序段內駐留的引導程序中， 可以使用 SPM 指令實現對應用程序段的寫操作（即實現 IAP 功能， 使系統能自懂更新系統程序）。 在 AVR 中， 所有的存儲空間都是線型的。 SRAM 可以通過 6 種不同的尋址方式進行訪問。（分別是： 數據存儲器空間直接/間接尋址， 帶后增/預減量的數據存儲器空間的寄存器間接尋址， 帶位移的數據存儲器空間的寄存器間接尋址， 數據存儲器空間堆棧寄存器 SP 間接尋址）。

注釋C：

熔絲是一個保護知識產權的設計。就是在特定的引腳上加上電壓，足夠的電流，就可以燒斷里邊的這根熔絲（AVR的熔絲可以多次編程， 并不是 OTP 熔絲），燒斷以后，片里的程序就不可以被讀出來也不能改寫了，只能用來運行。 通過設定和配置 AVR 單片機的熔絲位， 我們就可以使 AVR 具有不同特性的功能組合， 更加適合實際的使用和學習。 出廠時不同熔絲位的設定值是不同的， 一定要注意區分， 熔絲位的配置在 AVR 單片機中非常重要， 配置不好可能會鎖死單片機或者不能正常工作; 配置之前一定要對照datasheet 手冊仔細核對準; 一定要發篇博客總結學習下。

注釋D：

比較器是通過比較兩個輸入端的電流或電壓的大小，在輸出端輸出不同電壓結果的電子元件。比較器常被用于模數轉換電路中。 使用 AVR 的模擬比較器就可以構成 ADC 轉換器;AVR 單片機在復位后， 模擬比較器是處于允許工作狀態的。 如果不使用它， 就把寄存器 ACSR 的 ACD 位設置為 1， 以關閉模擬比較器減少電源消耗; 與其相關的寄存器是 SFIOR 和 ACSR. AVR 的模擬比較器是 AVR 的中斷源之一;

注釋E：

這 21 個內外部中斷源是（按優先級排序）：

AVR單片機中斷向量區向量號Flash空間地址中斷源

中斷定義說明

1 $000RESET外部引腳電平引發的復位， 上電復位， 掉電檢測復位，

看門狗復位， JTAG AVR 復位 2 $002INT0外部中斷 0 3 $004INT1外部中斷 1 4 $006TIMER 2 COMP定時/計數器 2 比較匹配 5 $008TIMER 2 OVF定時/計數器 2 溢出 6 $00ATIMER 1 CAPT定時/計數器 1 事件捕捉 7 $00CTIMER 1 COMPA定時/計數器 1 比較匹配 A 8 $00ETIMER 1 COMPB定時/計數器 1 比較匹配 B 9 $010TIMER 1 OVF定時/計數器 1 溢出 10 $012TIMER 0 OVF定時/計數器 0 溢出 11 $014SPI STCSPI 串行傳輸結束 12 $016USART RXCUSART， 接收結束 13 $018USART UXREUSART， 數據寄存器空 14 $01AUSART TXCUSART， 發送結束 15 $01CADCA/C 轉換結束 16 $01EEE_RDYEEPROM 就緒 17 $020ANA_COMP模擬比較器 18 $022TWI兩線串行接口 19 $024INT2外部中斷請求 2 20 $026TIMER 0 COMP定時/計數器 0 比較匹配 21 $028SPM_RDY保存程序存儲器內容就緒

中斷向量區大小 = 中斷源個數 X 每個中斷向量占據字數

其中中斷還分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷（AVR 中復位為唯一一個不可屏蔽的中斷）。

注釋F：

AVR 單片機的 I/O 口共 32 個， 分為 4 組端口， 每組 8 個;4 個端口的第一功能是通用的雙向 I/O 口， 每位都要通過指令設置為獨立的輸入/輸出口。 設置為輸入時內部自帶有上拉電阻， 這些內部上拉可以通過編程設置為有效或者無效。 當輸出高電平時， 可輸出 20mA 的電流， 而當輸出低電平時，可以吸收 40mA 的電流。 因此 AVR 可以直接驅動數碼管和 LED 發光二極管。 另外要注意的就是， AVR 單片在復位后， 所有的 I/O 口都是默認為輸入方式的， 上拉電阻無效， 即I/O為輸入高阻的三態狀態。 I/O空間為連續的 64 個 I/O 寄存器空間， 他們分別對應單片機各個外圍功能的控制和數據寄存器地址。 I/O 寄存器空間可使用 I/O 寄存器訪問指令直接訪問， 也可將其映射為通用工作寄存器組后的數據存儲器空間， 使用數據存儲器訪問指令進行操作。 I/O 寄存器空間在數據存儲器空間的映射地址為 $020--&05F.

下圖是 AVR 單片機的內部結構框圖：

來源；21ic