第1章 单片机概述

AVR单片机技术与应用

1-1 目录

第 1 章 概述 ............................................................................................................. 1

1.1 单片机的应用领域 ............................................................................................ 2

1.2 AVR单片机及其主要特点 ................................................................................. 3

1.3 单片机的发展历史 ............................................................................................ 4

1.4 单片机的发展趋势 ............................................................................................ 6

1.5 AVR系列单片机简介 ......................................................................................... 8

第 1 章 概述

单片机是一种超大规模集成电路芯片。把具有数据处理功能的微处理器(CPU)，具

有数据存储功能的程序存储器(只读存储器，ROM)和数据存储器(可读可写存储器，RAM)，

具有与外界交换数据功能的输入输出接口电路(I/O口)集成在同一块芯片上就构成了一

个基本的单片机，为方便应用，一般还把一些常用的外围器件也集成到同一块芯片上，

常见的外围器件有定时计数器（T/C），各种串行通信接口(RS232异步串行接口,SPI接口,

一总线接口，I2C总线接口等)，脉宽调制电路(PWM)，模拟信号多路切换器及模数转换

器（A/D）等，实际上单片机就是一个单芯片的计算机系统。

单片机中的微处理器CPU在时钟脉冲产生的时间序列信号控制下，从第一条指令

开始一步一步地执行预先写入在只读程序存储器(ROM)中的程序，在程序的控制下，通

过各种输入输出接口与外界（或集成在内部的外围器件）交换信息，完成各种既定的任

务。输入信息一般有传感器，按键，开关，定时器，串行接口等信号，输出信息一般用

于控制继电器，屏幕，电机，开关，串行接口等，程序执行过程中产生的中间数据则存

放在CPU寄存器和数据存储器(RAM)中，实际上，单片机的任务就是在时序信号控制下，

逐条执行程序指令，与外界交换跟踪信息，单片机硬件至少有CPU，ROM，RAM，I/O，

工作时还要有一个可以产生时序的时钟信号。

一个简单的例子就是程序控制的洗衣机，厂家把各种洗衣的定时程序预先写入到单

片机的只读程序存储器ROM里，单片机的输入接口与传感器（水位传感器，称重传感

器，温度传感器，混浊度传感器等），按键，开关相连，输出接口与洗衣机电机，电磁

阀门，显示器，指示灯等执行设备相连，洗衣机运行时，CPU在时钟控制下，一步一步

地执行预先写入的程序，通过不断查询的方式或外部器件主动要求的中断方式读取输入

接口信息，如根据混浊度传感器获得是否换水的信息，根据水位传感器获得水位信息，

根据使用人员对按键的操作获得应执行那段程序（毛毯或丝绸）的信息，然后根据程序第1章 概述

1-2 预定的处理方法对输入数据进行分析处理，获得控制输出接口的数据，如电磁阀的开关，

电机的正反转，显示器显示的内容等数据，把这些数据送到输出接口控制相应的执行设

备运行，完成洗衣任务。只要改变程序，硬件上不作任何修改，就可以改变洗衣机的工

作方式，例如增加某段洗衣程序的电机转速以提高洗涤强度，把增加洗衣时间的按键改

为减少洗衣时间的按键等等。过去完成这些任务，须要一个由伺服电机和减速机构带动

的，带有众多开关触点群的时序控制器，或是用复杂电子线路和数字电路组成的控制系

统，这些方法从成本，可靠性，体积，能耗，改变程序的灵活性都不能与单片机控制系

统相比拟，单片机的意义不仅在于它的应用普及和由此带来的经济效益，而且还在于它

改变了传统的设计理念和控制方法。

单片机的数据处理能力在空间上取决于其并行处理的能力即数据位宽，在时间上取

决于其运行速度。对于位宽比较容易理解，例如8位单片机数据宽度是二进制8位，一

次可以处理8位二进制数据，例如一次数据输出可以控制8个继电器动作。这里重点解

释一下运行速度问题，这对理解单片机工作有着重要意义。单片机的运行速度与时钟频

率，机器周期有关，时钟信号是时间上顺序排列的一串高低电平翻转信号，时钟信号被

加到单片机的每一个组成部分上，在时钟电平未翻转时单片机的硬件状态是不能发生变

化的，只能在时钟脉冲发生高低电平翻转时硬件状态才能发生变化，例如各寄存器，存

储器，各IO端口的数据在每个时钟的高电平或低电平持续期间都是固定不变的，好像

凝固了一样，当时钟脉冲由低变高或由高变低时这些数据发生变化。故单片机运行速度

首先取决于时钟电平的翻转速度即时钟频率。有时候，单片机一些部分的状态变化还取

决于另一些部分的状态，完成这样的指令就需要多个时钟周期，有些单片机大部分指令

是多周期指令，这将导致单片机运行速度变慢，为提高单片机运行速度，可以把多周期

指令放在多条程序执行流水线上执行，即所谓的多流水线操作，以提高单片机运行速度。

1.1 单片机的应用领域

由于单片机芯片的微小体积，极低的成本和面向控制的设计，在现代社会，单片机

的踪影无处不在，遥控器、洗衣机、电冰箱、空调、电饭煲等家电产品，移动电话等通

信产品，电视、音响等AV设备，以及汽车音响、安全气囊等汽车电子产品，单片机在

各个领域都得到了广泛的应用，主要的应用领域有以下几个方面。

智能家用电器。俗程带“电脑”的家用电器，如电冰箱、空调、微波炉、电饭锅、

电视机、洗衣机等。传统的家用电器中嵌入了单片机系统后使产品性能特点都得到很大

的改善，实现了运行智能化、温度的自动控制和调节、节约电能等。

智能机电一体化产品。单片机嵌入式系统与传统的机械产品相结合，使传统的机械

产品结构简化，控制智能化，构成新一代的机电一体化产品。这些产品已在纺织、机械、

化工、食品等工业生产中发挥出巨大的作用。 AVR单片机技术与应用

1-3 智能仪表仪器。用单片机嵌入式系统改造原有的测量、控制仪表和仪器，能促使仪

表仪器向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。由单片机系统构成的智能

仪器仪表可以集测量、处理、控制功能与一体，赋予传统的仪器仪表以崭新的面貌。

测控系统。用单片机嵌入式系统可以构成各种工业控制系统、适应控制系统、数据

采集系统等。例如，温室人工气候控制、汽车数据采集与自动控制系统。

1.2 AVR单片机及其主要特点

AVR单片机在现有单片机技术基础上，博采众长，同时在内部结构上还作了一些重

大改进，其主要的优点如下：

程序存储器是可反复擦写1万次以上的FLASH存储器（闪存），这使得单片机开发

时可以一改过去那种烦琐低效的程序擦写方法，由于擦写极快且可多次重复，用户可以

脱离仿真器直接用目标板调试程序。程序可以使用并行方式写入(用编程器写入)，也可

使用串行在线下载(ISP)、在应用下载（IAP）方法下载写入器件，不必将单片机芯片从

系统板上拆下拿到万用编程器上烧录，而可直接在电路板上进行程序的修改、烧录等操

作，方便产品升级，尤其是对于使用SMD表贴封装器件，更利于产品微型化。

AVR属于8位单片机，但指令长度单元为16位(字)的FlashROM（即程序存储器宽

度为16位，按8位字节计算时应乘2）。而数据存贮器为8位。

大部分指令为单周期指令。AVR采用Harvard结构，以及一级流水线的预取指令功

能，即对程序的读取和数据的操作使用不同的数据总线，因此，当执行某一指令时，下

一指令被预先从程序存储器中取出，这使得指令可以在每一个时钟周期内被执行。

采用CMOS技术和RISC架构，实现高速(50ns)、低功耗(μA)、具有SLEEP(休眠)

功能。AVR的一条指令执行速度可达50ns(20MHz)，而耗电则在1uA～2.5mA间。具有多

种不同方式的休眠省电功能和低功耗的工作方式。

高度保密。可多次烧写的Flash且具有多重密码保护锁定(LOCK)功能，因此可低价

快速完成产品商品化，且可多次更改程序(产品升级)。

工业级产品。具有大电流10～20mA(输出电流)或40mA(吸电流)的特点，可直接驱

动LED、SSR或继电器。有看门狗定时器(WDT)安全保护，可防止程序走飞，提高产品的

抗干扰能力。

超功能精简指令。具有32个通用工作寄存器(相当于8051中的32个累加器)，克

服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象。片内含有128-4K字节SRAM，可灵活使用指

令运算，适合使用功能很强的C语言编程，易学、易写、易移植。

通用数字I/O口的输入输出特性与PIC的HI/LOW输出及三态高阻抗HI-Z输入类同，

同时可设定类同与8051结构内部有上拉电阻的输入端功能，便于作为各种应用特性所第1章 概述

1-4 需(多功能I/O口)，AVR的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口的输入/输出的真

实情况。

有多通道的10位A/D。许多AVR芯片内部集成了8路10位A/D接口和集成的有模

拟比较器，如：mega8、mega16、mega8535等。

像8051一样，有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断，而不是像PIC一

样所有中断都在同一向量地址，需要以程序判别后才可响应，这会降低控制的实时性。

同PIC一样，带有可设置的启动复位延时计数器。AVR单片机内部有电源上电启动

计数器，当系统RESET复位上电后，利用内部的RC看门狗定时器，可延迟MCU正式开

始读取指令执行程序的时间。这种延时启动的特性，可使MCU在系统电源、外部电路达

到稳定后再正式开始执行程序，提高了系统工作的可靠性，同时也可节省外加的复位延

时电路。

许多AVR单片机具有内部的RC振荡器，提供1/2/4/8MHz的工作时钟，使该类单片

机无需外加时钟电路元器件即可工作，非常简单和方便。

有多个带预分频器的8位和16位功能强大的计数器/定时器（C/T），及实时时钟

RTC，除了实现普通的定时和计数功能外，还具有输入捕获、产生PWM输出等更多的功

能。

性能优良的串行同/异步通讯USART/UART口，不占用定时器。可实现高速同/异步

通信。许多AVR单片机内含SPI、I2C串行总线，方便与多种串行协议的外围器件连接。

Mega8515及Mega128等芯片具有可并行扩展的外部接口，扩展能力达64KB。

工作电压范围宽2.7V～6.0V，具有系统电源低电压检测功能，电源抗干扰性能强。

AVR单片机还在片内集成了可擦写10万次的EEPROM数据存储器，等于又增加了一

个芯片，可用于保存系统的设定参数、固定表格和掉电后的数据的保存。即方便了使用，