Микроконтроллеры семейства Mega AVR (ATmega8)

Отличительные особенности:

• 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением

• Прогрессивная RISC архитектура
   130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл
   32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения Полностью статическая работа
   Приближающаяся к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц) производительность
   Встроенный 2-цикловый перемножитель

• Энергонезависимая память программ и данных
   8 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash)
     Обеспечивает 1000 циклов стирания/записи
   Дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки
     Обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write)
   512 байт EEPROM
     Обеспечивает 100000 циклов стирания/записи
   1 Кбайт встроенной SRAM
   Программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя

• Встроенная периферия
   Два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения
   Один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения
   Счетчик реального времени с отдельным генератором
   Три канала PWM
   8-канальный аналого-цифровой преобразователь (в корпусах TQFP и MLF)
     6 каналов с 10-разрядной точностью
     2 канала с 8-разрядной точностью
   6-канальный аналого-цифровой преобразователь (в корпусе PDIP)
     4 канала с 10-разрядной точностью
     2 канала с 8-разрядной точностью
   Байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс
   Программируемый последовательный USART
   Последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый)
   Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором
   Встроенный аналоговый компаратор

• Специальные микроконтроллерные функции
   Сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания
   Встроенный калиброванный RC-генератор
   Внутренние и внешние источники прерываний
   Пять режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby и снижения шумов ADC

• Выводы I/O и корпуса
   23 программируемые линии ввода/вывода
   28-выводной корпус PDIP, 32-выводной корпус TQFP и 32-выводной корпус MLF

• Рабочие напряжения
   2,7 - 5,5 В (ATmega8L)
   4,5 - 5,5 В (ATmega8)

• Рабочая частота
   0 - 8 МГц (ATmega8L)
   0 - 16 МГц (ATmega8)


Блок-схема:


Расположение выводов:



Описание микроконтроллера ATmega8 (datasheet) eng Скачать

Семейство микроконтроллеров Mega AVR фирмы Atmel, это 8-битные RISC-микроконтроллеры для встраиваемых приложений. Они представляют собой одну из лучших основ, для создания современных экономичных и высокопроизводительных устройств различного назначения.
Микроконтроллеры семейства Mega AVR изготавливаются по малопотребляющей КМОП-технологии, которая в сочетании с RISC-архитектурой позволяет получить наилучшее соотношение стоимости, быстродействия и энергопотребления. Микроконтроллеры данного семейства являются наиболее развитыми представителями микроконтроллеров AVR общего применения.



К особенностям микроконтроллеров Mega AVR можно отнести:

• FLASH-память программ объёмом от 8 до 256 Кбайт (число циклов стирания/записи не менее 10000);
  
• оперативная память (статическое ОЗУ) объёмом от 512 байт до 8 Кбайт;
  
• память данных на основе ЭСППЗУ (EEPROM) объёмом от 256 байт до 4 Кбайт (число циклов стирания/записи не менее 100000);
  
• возможность защиты от чтения и модификации памяти программ и данных;
  
• возможность программирования непосредственно в системе через последовательные интерфейсы SPI и JTAG;
  
• возможность самопрограммирования;
  
• возможность внутрисхемной отладки в соответствии со стандартом IEEE 1149.1 (JTAG), а также наличие собственного однопроводного интерфейса внутрисхемной отладки Debug Wire (не во всех моделях);
  
• разнообразные способы синхронизации: встроенный RC-генератор с внутренней или внешней времязадающей RC-цепочкой, встроенный генератор с внешним кварцевым или пьезокерамическим резонатором, внешний сигнал синхронизации;
  
• наличие нескольких режимов энергопотребления;
  
• наличие детектора пониженного напряжения питания (Brown-Out-Detector - BOD);
  
• возможность программного снижения частоты тактового генератора (не во всех моделях).
  

Основными характеристиками процессора микроконтроллеров семейства Mega AVR являются:

• полностью статическая архитектура, минимальная тактовая частота равна нулю;
  
• арифметико-логическое устройство (АЛУ) подключено непосредственно к регистрам общего назначения (32 регистра);
  
• большинство команд выполняются за один период тактового сигнала;
  
• векторная система прерываний, поддержка очереди прерываний;
  
• большое число источников прерываний (до 45 внутренних и до 32 внешних);
  
• наличие аппаратного умножителя.
  

Подсистема ввода/вывода имеет следующие особенности:

• программное конфигурирование и выбор портов ввода/вывода;
  
• выводы могут быть запрограммированы как входные или как выходные независимо друг от друга;
  
• входные буферы с триггером Шмитта на всех выводах;
  
• имеется возможность полного отключения цифрового порта ввода/вывода от физического вывода микросхемы (в новых моделях);
  
• на всех входах имеются индивидуально отключаемые внутренние подтягивающие резисторы сопротивлением 20...50 кОм.
  

Микроконтроллеры семейства Mega AVR имеют богатый набор периферийных устройств (ПУ):

• один или два 8-битных таймера/счётчика. Во всех моделях с двумя 8-битными таймерами/счётчиками один из них может работать в качестве часов реального времени (в асинхронном режиме);
  
• от одного до четырёх 16-битных таймеров/счётчиков;
  
• сторожевой таймер;
  
• одно- и двухканальные генераторы 8-битного ШИМ-сигнала (один из режимов работы 8-битных таймеров/счётчиков);
  
• двух- и трёхканальные генераторы ШИМ-сигнала регулируемой разрядности (один из режимов работы 16-битных таймеров/счётчиков). Разрешение формируемого сигнала может составлять от 1 до 16 бит;
  
• аналоговый компаратор;
  
• многоканальный 10-битный АЦП последовательного приближения, имеющий как несимметричные, так и дифференциальные входы;
  
• последовательный синхронный интерфейс SPI;
  
• последовательный двухпроводной интерфейс WTI (полный аналог интерфейса I²C);
  
• от одного до четырёх полнодуплексных универсальных синхронных/асинхронных приёмо-передатчиков (USART). В ряде моделей эти приёмо-передатчики могут использоваться в качестве ведущего устройства шины SPI;
  
• универсальный последовательный интерфейс USI, который может использоваться в качестве интерфейса SPI или I²C. Кроме того, USI может использоваться в качестве полудуплексного UART или 4/12-битного счётчика.
  

Ядро микроконтроллеров AVR семейства Mega выполнено по усовершенствованной RISC-архитектуре (enhansed RISC), см. рис. ниже, в которой используется ряд решений, направленных на повышение быстродействия микроконтроллеров.
Арифметико-логическое устройство АЛУ, выполняющее все вычисления, подключено непосредственно к 32 рабочим регистрам, объединённым в регистровый файл. Благодаря этому, АЛУ может выполнять одну операцию (чтение содержимого регистров, выполнение операции в АЛУ, и запись результата обратно в регистровый файл) за такт. Кроме того, практически каждая из команд (за исключением команд, у которых одним из операндов является 16-битный адрес) занимает одну ячейку памяти программ.


В микроконтроллерах AVR реализована Гарвардская архитектура, характеризующаяся раздельной памятью программ и данных, каждая из которых имеет собственные шины доступа. Такая организация позволяет одновременно работать как с памятью программ, так и с памятью данных. Разделение информационных шин позволяет использовать для каждого типа памяти шины различной разрядности, причём способы адресации и доступа к каждому типу памяти также различаются. В сочетании с двухуровневым конвейером команд такая архитектура позволяет достичь производительности в 1 MIPS на каждый МГц тактовой частоты.

Микроконтроллеры AVR семейства Mega являются 8-битными микроконтроллерами с RISC-архитектурой. Они имеют в своём составе электрически стираемую память программ (FLASH) и данных (EEPROM), а также разнообразные периферийные устройства. Состав этих устройств от модели к модели практически не меняется (меняется только количество однотипных модулей и их функциональные возможности). В любой модели имеется хотя бы по одному 8- и 16-битному таймеру/счётчику, хотя бы по одному интерфейсному модулю USART и SPI, аналоговый компаратор, сторожевой таймер и порты ввода/вывода. К устройствам, присутствующим не во всех моделях семейства относятся АЦП, модуль двухпортового интерфейса TWI (Two Wire Interface, аналог шины I²C), а также модули интерфейсов JTAG и Debug Wire.
Ниже на рисунке представлена структурная схема микроконтроллера ATmega8x:


Особенностями данной модели являются:

• 3 порта ввода/вывода (парты B, D - 8-битные, порт С 7-битный);
  
• вход аппаратного сброса и выводы для подключения резонатора совмещены с выводами ввода/вывода;
  
• два 8-битных (Т0, Т2) и один 16-битный (Т1) таймер/счётчик;
  
• 3 канала ШИМ;
  
• по одному интерфейсному модулю USART, SPI и TWI;
  
• 6- или 8-канальный (в зависимости от корпуса) 10-битный АЦП.
  

В микроконтроллерах AVR семейства Mega реализована Гарвардская архитектура, в соответствии с которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но также и шины доступа к ним. Способы адресации и доступа к этим областям памяти также различны. Такая структура позволяет центральному процессору работать одновременно как с памятью программ, так и с памятью данных, что существенно увеличивает производительность. Каждая из областей памяти данных (ОЗУ и EEPROM) также расположена в своём адресном пространстве.
Обобщённая карта памяти микроконтроллеров AVR семейства Mega представлена ниже:


Поскольку микроконтроллеры AVR имеют 16-битную систему команд, объём памяти программ на рисунке указан не в байтах, а в 16-битных словах. Символ $ перед числом означает, что это число записано в шестнадцатеричной системе счисления.



Память программ предназначена для хранения команд, управляющих работой микроконтроллера. Память программ также часто используется для хранения таблиц констант, не меняющихся во время работы программы.
Память программ представляет собой электрически стираемое ППЗУ (FLASH-ПЗУ). В связи с тем, что длина всех команд кратна одному слову (16 бит), память программ имеет 16-битную организацию. В подавляющем большинстве моделей микроконтроллеров семейства Mega память программ логически разделена на две неравные части: область прикладной программы и область загрузчика. В последней может располагаться специальная программа (загрузчик), позволяющая микроконтроллеру самостоятельно управлять загрузкой и выгрузкой прикладных программ. Если же возможность самопрограммирования микроконтроллера не используется, прикладная программа может располагаться и в области загрузчика.
Для адресации памяти программ используется счётчик команд (Program Counter - PC) Размер счётчика команд составляет от 11 до 17 бит, в зависимости от объёма адресуемой памяти.
По адресу $0000 памяти программ находится вектор сброса. После инициализации (сброса) микроконтроллера выполнение программы начинается с этого адреса (по этому адресу должна размещаться команда перехода к инициализационной части программы). Начиная с адреса $0001 (модели с памятью программ 8 Кбайт и меньше) или $0002 (остальные модели) памяти программ располагается таблица векторов прерываний. Размер этой области зависит от модели микроконтроллера.
При возникновении прерывания после сохранения в стеке текущего значения счётчика команд происходит выполнение команды, расположенной по адресу соответствующего вектора. Поэтому по данным адресам располагаются команды перехода к подпрограммам обработки прерываний. В моделях с памятью программ небольшого объёма (8 Кбайт и менее) в таблицах векторов прерываний используются команды относительного перехода (RJMP), а в остальных моделях - команды абсолютного перехода (JMP).
В большинстве микроконтроллеров семейства Mega положение вектора сброс и/или таблицы векторов прерываний может быть изменено. Они могут располагаться не только в начале памяти программ, как описано выше, но и в начале области загрузчика.
Если в программе прерывания не используются либо таблица векторов прерываний располагается в области загрузчика, то основная программа может начинаться непосредственно с адреса $0001.

Память программ может использоваться не только для хранения кода программы, но также и для хранения различных констант. Для пересылки байта из памяти программ в память данных существуют две специальных команды - LPM и ELPM (последняя есть только в моделях, имеющих память программ 128 Кбайт и более). При использовании команды LPM адрес, по которому производится чтение, определяется содержимым индексного регистра Z. При этом старшие 15 битов содержимого регистра будут определять адрес слова (0...32К), младший бит будет определять, какой из байтов будет прочитан: 0 - младший байт, 1 - старший байт. Для наглядности смотрим рисунок ниже:


Команда ELPM, в отличие от команды LPM способна адресовать до 16 Мбайт памяти. При использовании этой команды адрес слова будет определяться содержимым регистра ввода/вывода RAMPZ совместно со старшими 15 битами содержимого регистра Z. Младший бит регистра Z будет по-прежнему определять, какой из байтов слова будет прочитан. Смотрим рисунок ниже:


Количество задействованных битов регистра RAMPZ зависит от объёма памяти программ - в моделях с объёмом памяти программ 128 Кбайт используется только младший бит RAMPZ0, а в моделях с 256 Кбайт памяти используются уже два младших бита - RAMPZ1 и RAMPZ0. Для обеспечения совместимости с будущими моделями микроконтроллеров при записи значений в регистр RAMPZ незадействованные биты должны быть сброшены в 0.
Регистр RAMPZ расположен по адресу $3B ($5B) в основном пространстве регистров ввода/вывода микроконтроллеров ATmega128x и ATmega128xx/256xx, а его формат представлен на рисунке ниже:


FLASH-ПЗУ используемое в микроконтроллерах AVR, рассчитано, как минимум, на 10000 циклов стирания/записи (типовое значение - 100000 циклов).

Память данных микроконтроллеров семейства Mega разделена на три части: регистровая память, оперативная память (статическое ОЗУ) и энергонезависимое ЭСППЗУ (EEPROM).
Регистровая память включает 32 регистра общего назначения (РОН), объединённых в файл, и служебные регистры ввода/вывода (РВВ). В сложных моделях с развитой периферией имеется также область дополнительных (extended) регистров ввода/вывода (ДРВВ) - 160 или 416 байт (в зависимости от модели).
В обеих областях регистров ввода/вывода располагаются различные служебные регистры (регистры управления микроконтроллера, регистр состояния и т. п.), а также регистры управления периферийными устройствами, входящими в состав микроконтроллера. Общее количество РВВ и ДРВВ зависит от конкретной модели микроконтроллера.
Для хранения переменных помимо регистров общего назначения также используется статическое ОЗУ объёмом от 512 байт до 8 Кбайт. Ряд микроконтроллеров семейства, кроме того, имеют возможность подключения внешнего статического ОЗУ объёмом до 64 Кбайт.
Для долговременного хранения различной информации, которая может изменяться в процессе функционирования готовой системы (например, калибровочные константы, серийные номера, ключи и т. д.), в микроконтроллерах семейства может использоваться встроенная EEPROM-память. Её объём составляет для различных моделей от 256 байт до 4 Кбайт. Эта память расположена в отдельном адресном пространстве, а доступ к ней осуществляется с помощью определённых РВВ.



В микроконтроллерах AVR семейства Mega используется линейная организация памяти. Объём статического ОЗУ для различных моделей семейства составляет от 512 байт до 8 Кбайт.
В адресном пространстве ОЗУ также расположены все регистры микроконтроллеров, под них отведены младшие адреса. Остальные адреса отведены под ячейки статического ОЗУ. Ниже представлен рисунок распределения памяти данных для различных микроконтроллеров:




Все регистры общего назначения объединены в регистровый файл быстрого доступа, структура которого показана на рисунке ниже:


В микроконтроллерах AVR все 32 регистра общего назначения (РОН) непосредственно доступны АЛУ. Благодаря этому любой РОН может использоваться практически во всех командах и как операнд-источник, и как операнд-приёмник. Такое решение (в сочетании с конвейерной обработкой) позволяет АЛУ выполнять одну операцию (извлечение операндов из регистрового файла, выполнение команды и запись результата обратно в регистровый файл) за один такт.
Последние 6 регистров файла (R26...R31) могут также объединяться в три 16-битных регистра X, Y и Z, используемых в качестве указателей при косвенной адресации памяти данных. Ниже на рисунке, это показано более наглядно:


Каждый регистр файла имеет свой собственный адрес в пространстве памяти данных. Поэтому к ним можно обращаться двумя способами - как к регистрам и как к памяти, несмотря на то, что физически эти регистры не являются ячейками ОЗУ. Такое решение является ещё одной отличительной особенностью архитектуры AVR, повышающей эффективность работы микроконтроллера и его производительность.