Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному

AVR — это новое семейство 8-разрядных RISC-микроконтроллеров фирмы Atmel. Эти микроконтроллеры позволяют решать множество задач встроенных систем. Они отличаются от других распространенных в настоящее время микроконтроллеров большей скоростью работы, большей универсальностью. Быстродействие данных микроконтроллеров позволяет в ряде случаев применять их в устройствах, для реализации которых ранее можно было применять только 16-разрядные микроконтроллеры, что позволяет ощутимо удешевить готовую систему. Кроме того, микроконтроллеры AVR очень легко программируются — простейший программатор можно изготовить самостоятельно буквально в течение 30 минут!

По заявлению фирмы-производителя микроконтроллеров (www.atmel.com) микроконтроллеры семейства AVR можно перепрограммировать до 1000 раз, причем непосредственно в собранной схеме.

Все это делает эти микроконтроллеры очень привлекательными для создания новых разработок.

Почему именно AVR?

Микроконтроллеры AVR разработаны фирмой Atmel и обладают следующими основными характеристиками:

• очень быстрая гарвардская RISC-архитектура загрузки и выполнения большинства инструкций в течение ОДНОГО цикла тактового генератора. При этом достигается скорость работы примерно 1 MIPS на МГц. Частота тактового генератора многих типов микроконтроллеров AVR может достигать 10…16 МГц (10…16 MIPS!) (MIPS — Millions Instructions per Second — миллионов операций в секунду). Отсутствует внутреннее деление частоты, как, например, в микроконтроллерах PIC. Таким образом, если использован кварцевый резонатор с частотой 16 МГц, микроконтроллер будет работать с быстродействием почти 16 MIPS;

• программы содержатся в электрически перепрограммируемой постоянной памяти программ FLASH ROM. Эта память может быть перепрограммирована до 1000 раз. Это облегчает настройку и отладку систем. Кроме того, возможность внутрисхемного программирования позволяет не вынимать микроконтроллер из целевой схемы в процессе программирования, что значительно ускоряет процесс разработки систем на основе этих микроконтроллеров;

• система команд микроконтроллеров AVR изначально проектировалась с учетом особенностей языка программирования высокого уровня С, что в результате позволяет получать после компиляции программ на С гораздо более эффективный код, чем для других микроконтроллеров. А это уже выигрыш и в размере полученного кода (в объеме памяти на кристалле), и в скорости работы микроконтроллера;

• микроконтроллеры AVR имеют 32 регистра, все из которых напрямую работают с АЛУ. Это значительно уменьшает размер программ. В других микроконтроллерах, как правило, для осуществления, например, сложения один из операндов обязательно должен находиться в специальном регистре — аккумуляторе. Таким образом, необходимо сначала его туда занести, затем после выполнения операции результат из аккумулятора нужно переписать в регистр для хранения результата. Итого получается уже три команды. В микроконтроллерах AVR то же самое займет всего одну команду;

• очень небольшое потребление энергии и наличие нескольких режимов работы с пониженным потреблением энергии делает эти микроконтроллеры идеальными для применения в конструкциях, питающихся от батареек;

• наличие дешевых и простых в использовании программных средств. Многие полноценные программы доступны в свободно распространяемом варианте, как, например, отладчик AVR Studio, ассемблер Wavrasm, множество версий программаторов и даже компилятор языка С — avr gcc. Некоторые из этих программ имеются на компакт-диске, прилагаемом к книге;

• узлы PWM (широтно-импульсная модуляция), таймеры/счетчики, аналоговый компаратор и последовательный порт UART встроены в микроконтроллеры и могут управляться с помощью прерываний, что значительно упрощает работу с ними;

• имеются относительные команды переходов и ветвлений, что позволяет получать перемещаемый код;

• отсутствует необходимость переключать страницы памяти (в отличие, например, от микроконтроллеров PIC);

• все микроконтроллеры AVR имеют электрически перепрограммируемую постоянную память данных EEPROM, которая может быть перепрограммирована более 100 000 раз!

Имеется три подсемейства микроконтроллеров AVR:

1. tiny AVR — недорогие миниатюрные микроконтроллеры в 8-выводном исполнении;

2. Classic AVR — основная линия микроконтроллеров с производительностью отдельных модификаций до 16 MIPS, FLASH-памятью программ 2…8 Кб, памятью данных EEPROM 64…512 байт, оперативной памятью данных SRAM 128…512 байт;

3. mega AVR с производительностью 4… 16 MIPS для сложных приложений, требующих большого объема памяти, FLASH-памятью программ до 128 Кб, памятью данных EEPROM 64…512 байт, оперативной памятью данных SRAM 2…4 Кб, встроенным 10-разрядным 8-канальным АЦП, аппаратным умножителем 8x8.

Интересной особенностью семейства микроконтроллеров AVR является то, что система команд всего семейства совместима при переносе программы со слабого на более мощный микроконтроллер.