第1篇 基础认识篇——原来我是个菜鸟

对于我们不认识或认识不深的内容，我们要有自知自明：“原来我是个菜鸟！”。虽然我们目前是菜鸟，但我们不会是永远的菜鸟。

本篇包含6章，从认识什么是单片机到具体的单片机，从对单片机产生疑惑到解开该疑惑，不断深入地讲述单片机，带领菜鸟一步一步地走入单片机这个领域。本篇的具体内容为：第1章到第6章分别讲述单片机、单片机开发工具，AVR的I／O、USART（串口）、ADC（模数转换器）和EEPROM；每章都给出了相应实验的代码及仿真结果。这6章都是使用仿真软件来完成实验的，从中也可以增加读者对相关软件的熟悉程度。

第1章 初识单片机——与单片机第一次接触

当你第一次接触单片机时，看着那些小的芯片，一定很好奇它们是如何工作的？它们是如何将我们设计好的程序烧录进去？又是如何运行起来的？诸如此类的问题萦绕在你的脑海中，你一定渴望得到答案。下面就为此类问题给出答案，揭开属于我们菜鸟自己的篇章。

1.1 什么是单片机

什么是单片机？单片机的全称是单片微型计算机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示它。单片机又称为单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上，相当于一个微型的计算机。和计算机相比，单片机只缺少了I／O的对应设备。概括来讲，一片单片机就构成了一台计算机。单片机的体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。因此，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

1.1.1 单片机发展的4个阶段

单片机最早被用在工业控制领域。当今，单片机技术已成为计算机技术领域中的一个非常重要的分支。在不断地发展与完善中，单片机技术已经建立起属于自己的技术特征和应用环境等。按照单片机的生产技术水平，单片机的发展可分为以下4个过程。

1.4位单片机阶段

1971年，美国得州仪器公司首次推出4位单片机TMS1000后，各个计算机生产公司也迅速推出了属于自己的4位单片机。例如，大家熟知的美国国家半导体公司（National Semiconductor，NS）的COP4XX系列就是4位单片机系列，日本电气公司（Nippon Electric Company，NEC）的μPD75 XX系列也是4位单片机系列。4位单片机的控制能力比较弱，多用于家用电器、电子玩具等控制器。

2.8位单片机阶段

美国的Inter公司在1976年9月推出了MCS-48系列的8位单片机，将单片机技术引入了8位单片机时代。随着半导体集成工艺的提高，各个MCU生产商纷纷推出了一些高性能的8位单片机。该类单片机集成了8位CPU、并行I／O、全双工串口、8位定时／计数器、A／D转换器，寻址范围超过4KB，并且具有更大的片内RAM和ROM等。其实，各个生产商生产的MCU都大同小异，只是有的MCU增加了D／A转换器、EEPROM及DMA传输功能等而已。8位单片机的控制能力较为出色，因此在各个行业中得到了广泛的应用。

3.16位单片机

16位单片机是在1983年以后发展起来的。顾名思义，此类单片机的CPU是16位的，其运算速度普遍高于8位单片机，并且外设接口更加丰富，支持高级语言等，多用于智能仪表等复杂的应用控制领域。典型的产品有美国得州仪器公司推出的MSP430系列单片机，它是一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor），称为混合信号处理器。

4.32位单片机

随着电子系统的迅速发展，32位单片机的应用前景广泛。32位单片机的字长为32位，为单片机中的顶端产品，具有极高的运算速度，其中部分产品还集成了内存管理单元（MMU），多用于嵌入式系统。美国微芯科技公司的PIC32系列，美国爱特梅尔半导体公司（ATMEL）的AVR32系列等都属于该类。

1.1.2 8位单片机的特点

从市场的需要情况看，当前8位单片机的市场依然最大。因此，8位单片机也有了新发展，主要体现在以下几个方面。

1.CPU功能增强

CPU的功能增强体现在CPU的运算速度和运算精度上。一般来说，旧的megaAVR系列单片机的最高频率为16MHz，新的兼容型单片机的最高频率达到20MHz，而ATMEL的Xmage系列单片机的最高频率可达到32MHz。

2.内部资源增加

在单片机硬件系统的设计中，都会考虑是否将资源集成到单片机内部，进而省去外部硬件开销，有效地减小产品的体积，提高产品的可靠性。现在已从集成一些总线的资源，如I2 C、SPI、CAN发展到集成一些特定功能的资源，如LCD驱动、电能计量等。

3.低电压、低功耗

当今社会一直都在提倡环保节能、降低能耗，在工业应用场合更注重这一方面。这对单片机系统的体积和功耗大小的要求是比较高的。单片机厂商改善工艺，纷纷推出了低功耗系列，其可用的最小电压在不断下降，并且提供了更多的模式来应对能耗的需求。

1.2 了解单片机

一般我们接触到的都是8位单片机，而且它是市面上最为常见的。下面介绍几种不同的8位单片机，并且给出一个例子来加以说明。

1.2.1 8051单片机

说起单片机，大家第一时间就会想到51单片机，大部分菜鸟起初接触到或了解到的一定是该类单片机，而805 1单片机又是其中的经典，学电子的朋友对此应该不陌生，很多书籍及教科书都以它为模板来讲述单片机这门课程。在805 1单片机中，又以Inter公司的MCS-5 1系列单片机较为有名。其以稳定的性能、高性价比及良好的兼容性，在各个领域得到了最为广泛的应用。

805 1单片机由于生产厂商和型号的不同，在片内存储器容量、外围功能模块、最高时钟频率及处理器速度等方面有很大的不同，但其内部结构基本相同，均包括算术逻辑单元ALU、片内RAM、片内ROM、I／O端口、定时系统、中断系统等基本的功能单元。如图1.1所示为805 1单片机的内部结构。

1.算术逻辑单元ALU

805 1单片机内部包含一个8位的算术逻辑单元ALU，用于处理各种算术运算和逻辑运算，并且能够完成数据传送、移位、判断和程序转移等操作。

2.片内RAM／ROM

805 1单片机提供了128B的片内RAM和至少4KB的片内ROM。RAM的地址空间为00H～7FH，其中00H～1 FH为4组通用工作存储器区，每个区包含8个编号为R0～R7的8位寄存器。此外，1 FH～2FH为位寻址空间。而ROM用于保存用户的程序指令。

3.I／O端口

805 1单片机共有32个I／O，即4组并行8位接口，分别为P0、P1、P2和P3。

4.定时系统

805 1单片机包含两个16位的定时／计数器，支持4种工作方式。

5.中断系统

805 1单片机的中断系统包含5个中断源，两级中断优先级，其中每个中断源的优先级是可编程的。

1.2.2 FREESCALE（飞思卡尔）单片机

接下来了解另一种单片机——FREESCALE（飞思卡尔）单片机。

飞思卡尔半导体已经成为全球最大的半导体公司之一，其主要的产品有8位微控制器、16位微控制器、32位微控制器与处理器、PowerArchitectureTM／PowerQUICCTM、高性能网络处理器、高性能多媒体处理器、高性能工业控制处理器、模拟和混合信号、ASIC、手机平台、CodeWarriorTM开发工具、数字信号处理器与控制器、电源管理、RF射频功率放大器、高性能线性功率放大器GPA、音视频家电射频多媒体处理器、传感器。在这里了解一下其生产的8位微控制器（以MC9S08AC系列为例进行介绍）。

MC9S08AC系列微控制器采用的是8位HCS08中央处理器，其CPU频率可达到40MHz，内部总线频率可达到20MHz，并且使用的是HC08的指令集。如图1.2所示是MC9S08AC系列MCU的模块结构图。

从图1.2可以看出，与51单片机相比，飞思卡尔单片机提供的外设是相当丰富的，除了一般的定时器、A／D转换器等外，还增加了串行通信接口模块、8位键盘中断模块及循环冗余校验模块。另外，其Flash与RAM更大了。这里具体介绍以下几个模块。

1.内部时钟发生器

内部时钟发生器提供多种时钟源，这使得用户能够非常灵活地根据成本、精确度、电流消耗及性能要求进行选择。该发生器包含四个功能子模块，分别是振荡器子模块、内部参考发生器、锁相环和时钟功能选择子模块。在实际开发中，不同产品对时钟的要求是不同的，不一定时钟高的就是好的。

2.IIC模块

IIC模块提供了接口给不同器件间通信的方法。该模块接口可以在最大的总线负载和时序下，支持最高100kbps的传输速率。器件也可以在较低总线负载下以更高的波特率（最高时钟／20）在该模块接口上运行。IIC模块的最大通信长度和可以连接的器件数量受400pF的最高总线电容限制。IIC模块的实际运用非常广泛，在后面的章节有详细的讲解。

3.串行通信接口模块

串行通信接口（SCI）也被称为通用异步收发器（UART）。该接口是全双工类型的，其发送器和接收器具有各自的双缓冲，并可分别使能。它可根据通信要求设定所需的波特率。

4.串行外设接口

串行外设接口（SPI）也是一个运用非常广泛的接口。它支持主或从工作方式、全双工或半双工、发送比特率可编程、MSB优先移位或LSB优先移位等。

5.循环冗余校验模块

循环冗余检验（CRC）模块是采用16位移位寄存器的硬件CRC发生器电路，其误码检测功能可以检测所有单、双数误码及大多数多位误码，而且还能编程初始速率和进行高速的CRC计算。

1.2.3 其他单片机

了解了以上两种单片机后，再来看看市场上还有哪些主流的单片机——AVR单片机、PIC单片机、STM单片机、MSP430单片机等。AVR单片机将是1.3节介绍的重点。每个单片机厂商生产的单片机都有属于自己的CPU内核，架构不同，寄存器也都不相同，而且每个厂商提供的开发环境也不一样，很少有一个开发环境兼容所有单片机类型。但是总的来说，单片机大体还是一样的，因此只要针对一种比较典型的单片机进行深入学习、实践即可，不需要对每一种单片机都进行从头到尾的学习及实践。对于不同类型的单片机，主要需要花时间学习的部分在于开发环境的熟悉与运用，以及和该单片机相关的寄存器的设置与运用。

1.3 接触AVR单片机

本节重点介绍ATMEL公司生产的AVR单片机，该类单片机是当前市场上比较具有代表性的一款单片机。

1.3.1 AVR概述

1997年，ATMEL公司的挪威设计中心的A先生和V先生出于市场需求的考虑推出了全新配置的8位精减指令集微处理器（RISC-Reduced Instrction Sot CPU），并起名为AVR。

AVR是一种指令内核的统称，其内部又分为ATtiny、AT90S和ATmega三大系列，分别对应AVR的低、中、高档产品。ATtiny系列中常用的有ATtiny10、ATtiny1634、ATtiny25等产品。AT90S系列中常用的有AT90S2313、AT90S8535、AT90S8515等，其中AT90S2313的引脚兼容AT89C2051，而AT90S8515的引脚则兼容51单片机，因此它在设计中很容易替代51单片机。但是到目前，AT90S系列的绝大部分已停产。当某一个AT90S系列的产品停产后，ATMEL公司通常会在ATmega或ATtiny系列中推出一个新的替代产品，在引脚兼容的基础上，该替代产品的内部资源和性能也得到了加强。例如，ATtiny2313作为AT90S2313的替代产品，在AT90S2313的基础上增加了片内标定振荡器、增强型上电复位、可编程的掉电检测等多种功能。类似的，ATmega8515和ATmega8535分别作为AT90S8515和AT90S8535的替代产品继承了很多Mega系列的特性。

ATmega48／88／168、ATmega8、ATmega16／32、ATmega64和ATmega128是ATmega系列的主流产品。值得关注的是ATmega8这一款单片机，它以丰富的片内资源、低廉的价格深受广大设计人员的喜爱，并在国内得到了较好的推广。然而ATmega48／88／168作为ATmega8的兼容产品，为用户提供了更多功能的选择。ATmega16也是一个用量较多的器件，它的引脚兼容AT90S8535，因此可以在某些应用场合用于替代AT90S8535。与ATmega8相比，ATmega16除了I／O引脚多之外，内部还集成了容量是ATmega8的两倍（16K）的Flash程序存储器。

随着国内AVR用户的增多，ATMEL公司也开始了主流器件数据手册的中文翻译工作。从互联网上可以找到ATtiny25、ATmega48／88／168、ATmega8、ATmega16／32、ATmega64等器件的官方翻译的中文数据手册，这给人们学习和使用AVR器件提供了很大的帮助。

目前，AVR又推出了功能更强大的Xmega系列的单片机，它和上述AVR单片机具有同一种内核，只是功能及资源更加强大了。

1.3.2 AVR的特性

前面介绍了AVR的起源、AVR系列及主流产品，相信读者对AVR单片机的总体有了一个大致的了解。接下来介绍AVR单片机的特性，并以ATmega系列中的ATmega88V／168V为例（其中以ATmega88V为主）进行介绍。

1.CPU

ATmega88V是一个具有高性能、低功耗的8位AVR微处理器，采用的是先进的RISC结构，拥有131条指令，并且大多数指令的执行时间为单个时钟周期。当工作时钟为16MHz时，它的指令处理速度高达16 MIPS（Million Instructions Per Second），且拥有32 ×8通用工作寄存器及只需两个时钟周期的硬件乘法器，使得运算更加快速。

2.存储器

ATmega88V拥有系统内可编程8KB的Flash空间，擦写寿命为10 000次，并且具有独立锁定位的可选Boot代码区，可实现系统内编程及真正的同时读／写操作。除了Flash位外，它还具有5 12B的EEPROM及1 KB的片内SRAM。

3.特殊的微控制器特点

ATmega88V可以设置为上电复位及可编程的掉电检测，并可设置几个参考值来应对不同工作电压下的掉电检测。它拥有经过标定的片内RC振荡器、片内／外中断源及5种不同的休眠模式（空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和Standby模式）。当产品要求在极低功耗下运行时，ATmega88V提供了以下工作模式来应对该要求：在正常模式下，当工作电压为1.8V、频率为1 MHz时，电流只有300μA；在掉电模式下，当电压为1.8V时，电流仅有0.5 μA。

4.电压范围

ATmega88V可以工作在1.8～5.5V之间，其电压范围大，有利于硬件电路的设计。

1.3.3 AVR的外设

如图1.3所示为AVR的结构方框图，从图中可以看出ATmega88V包括哪些外设资源。以下是对其中一些外设的简单概述。

1.定时器／计数器

ATmega88V具有两个有独立预分频器和比较器功能的8位定时器／计数器和一个有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器／计数器，并且支持PWM功能，可以实现可变PWM；它拥有独立的中断源，即比较和溢出两种中断源。有的定时器／计数器还可以实现自动加载。

2.A／D转换器

A／D转换器具有10位精度，最高分辨率时的采样率高达15 kSPS，且有6路复用的单端输入通道。它有连续转换和单次转换两种转换模式。

3.USART模块

USART是一个高度灵活的串行通信设备，可以实现全双工操作，拥有高精度的波特率发生器。它有3个独立的中断：发送结束中断、发送数据寄存器空中断及接收结束中断，更方便运用。

4.串行外设接口（SPI）

SPI允许ATmega88V和其他AVR或其他类型的器件进行高速的同步数据传输。它可选择工作在主机模式还是从机模式，可实现全双工、3线同步数据传输。

5.两线串行接口（I2 C）

I2 C支持主机／从机操作模式。它拥有7位地址空间，其主机模式可支持最大128个从机地址，且数据传输率高达400kHz。

6.看门狗定时器（WDT）

WDT由独立的128kHz片内振荡器驱动，可以触发复位芯片的操作，用来防止程序进入死区。它还可以产生不同时间间隔的中断。

本节大体讲述了AVR的一些外设，关于其具体的设置与运用，将在往后的章节中一一与读者分享。

1.4 小结

本章对单片机的发展及其发展做了一些阐述，并介绍了几种市场主流的单片机类型。在介绍主流单片机时，着重对其结构给出了相应的图片，以便读者更好地了解所述类型的结构。1.3节介绍了本书中推崇的单片机类型——AVR，以让读者对AVR有一定的了解。