Высокопроизводительные 8-разрядные RISC микроконтроллеры семейства AVR

Параметрический поиск Контроллеров AVR

Документация на Русском языке по микроконтроллерам семейства AVR

Успех AVR-микроконтроллеров объясняется возможностью простого выполнения проекта с достижением необходимого результата в кратчайшие сроки, чему способствует доступность большого числа инструментальных средств проектирования, поставляемых, как непосредственно корпорацией Atmel, так и сторонними производителями. Ведущие сторонние производители выпускают полный спектр компиляторов, программаторов, ассемблеров, отладчиков, разъемов и адаптеров. Отличительной чертой инструментальных средств от Atmel является их невысокая стоимость.

Другой особенностью AVR-микроконтроллеров, которая способствовала их популяризации, это использование RISC-архитектуры, которая характеризуются мощным набором инструкций, большинство которых выполняются за один машинный цикл. Это означает, что при равной частоте тактового генератора они обеспечивают производительность в 12 (6) раз больше производительности предшествующих микроконтроллеров на основе CISC-архитектуры (например, MCS51). С другой стороны, в рамках одного приложения с заданным быстродействием, AVR-микроконтроллер может тактироваться в 12 (6) раз меньшей тактовой частотой, обеспечивая равное быстродействие, но при этом потребляя гораздо меньшую мощность. Таким образом, AVR-микроконтроллеры представляют более широкие возможности по оптимизации производительности/энергопотребления, что особенно важно при разработке приложений с батарейным питанием. Микроконтроллеры обеспечивает производительность до 16 млн. оп. в секунду и поддерживают флэш-память программ различной емкости: 1… 256 кбайт. AVR-архитектура оптимизирована под язык высокого уровня Си, а большинство представителей семейства megaAVR содержат 8-канальный 10-разрядный АЦП, а также совместимый с IEEE 1149.1 интерфейс JTAG или debugWIRE для встроенной отладки. Кроме того, все микроконтроллеры megaAVR с флэш-памятью емкостью 16 кбайт и более могут программироваться через интерфейс JTAG.

Микроконтроллеры семейства TinyAVR

Классические AVR-микроконтроллеры

Тип	Напр. питания, В	Такт. Частота, МГц	I/O	Flash	EEPROM	SRAM	Интер- фейсы	АЦП	Таймеры	ISP	Корпус
AT90PWM1	2.7-5.5	16	19	8K	0.5	512	SPI PWM	8x10bit	1x8bit 1x16bit	I	SO24
AT90PWM2	2.7-5.5	16	53	8K	512	512	SPI debugWIRE PSC	8x10bit	2	I	SO24
AT90PWM3	2.7-5.5	16	53	8K	512	512	SPI debugWIRE PSC	11x10bit	2	I	SO32, QFN32
AT90S1200	2.7-6.0 4.0-6.0	4 12	15	1K	64	—	—	—	1x8bit	I	DIP20 SO20 SSOP20
AT90S2313	2.7-6.0 4.0-6.0	4 10	15	2K	128	128	UART	—	1x8bit 1x16bit	I	DIP20 SO20
AT90LS2323	2.7-6.0	4	3	2K	128	128	—	—	1x8bit	I	DIP8 SO8
AT90S2323	4.0-6.0	10	3	2K	128	128	—	—	1x8bit	I	DIP8 SO8
AT90LS2343	2.7-6.0	4	5	2K	128	128	—	—	1x8bit	I	DIP8 SO8
AT90S2343	4.0-6.0	10	5	2K	128	128	—	—	1x8bit	I	DIP8 SO8
AT90LS4433	2.7-6.0	4	20	4K	256	128	UART SPI	6x10bit	1x8bit 1x16bit	I	DIP28 TQFP32
AT90S4433	4.0-6.0	8	20	4K	256	128	UART SPI	6x10bit	1x8bit 1x16bit	I	DIP28 TQFP32
AT90LS8515	2.7-6.0	4	32	8K	512	512	UART SPI	—	2x8bit 1x16bit	I	DIP40 TQFP44 PLCC44
AT90S8515	4.0-6.0	8	32	8K	512	512	UART SPI	—	2x8bit 1x16bit	I	DIP40 TQFP44 PLCC44
AT90LS8535	2.7-6.0	4	32	8K	512	512	UART SPI	8x10bit	2x8bit 1x16bit	I	DIP40 TQFP44 PLCC44
AT90S8535	4.0-6.0	8	32	8K	512	512	UART SPI	8x10bit	2x8bit 1x16bit	I	DIP40 TQFP44 PLCC44

Микроконтроллеры семейства MegaAVR

AVR-микроконтроллеры для устройств управления электродвигателями с возможностями подключения к шинам CAN и LIN

Микроконтроллеры ATmega16M1, ATmega32M1 и ATmega64M1 предназначены для построения современных систем управления электродвигателями. Для этого у них предусмотрены возможности высокоточной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и передачи данных по шинам CAN и LIN.

Новые МК оснащены Flash-памятью (16, 32 или 64 кбайт), портами ввода-вывода общего назначения, аналогово-цифровым преобразователем, аналоговыми компараторами, контроллером силового каскада, 8- и 16-битными таймерами. Такой набор возможностей делает идеальным использование этих МК в промышленных системах управлениях, подключаемых к шинам CAN и LIN.

Основой ATmega16M1, ATmega32M1 и ATmega64M1 является высокоэффективная 8-битная RISC-архитектура AVR. Она дополнена рядом модулей ввода-вывода, которые делают возможной реализацию сложных алгоритмов управления электродвигателями. Микроконтроллеры способны безопасно и защищенно работать совместно с внешними драйверами и силовыми каскадами, требуя при этом установки минимального числа внешних компонентов. Встроенные контроллер силового каскада и аналоговые модули генерируют ограниченное количество прерываний, что снизит размер кода программы и улучшит реально-временные характеристики разрабатываемого устройства.

Более подробная информация по микроконтроллерам приведена в таблице ниже.

Наименование	Flash-память, байт	EEPROM, байт	RAM, байт	Количество линий ввода-вывода	Модуль CAN (6 объектов сообщений)	Модуль LIN	Количество каналов 10-битного АЦП	Частота, МГц
ATmega16M1	16K	512	1K	53	Есть	Есть	11	16
ATmega32M1	32K	1K	2K	53	Есть	Есть	11	16
ATmega64M1	64K	2K	4K	53	Есть	Есть	11	16

Защищенные микроконтроллеры с архитектурой secureAVR™

Все приборы семейства AVR совместимы по исходным кодам и тактированию. Семейство обеспечено комплектом программ и системами отладки, включающими: макро-ассемблеры, отладчики/симуляторы программ, внутрисхемные эмуляторы, и отладочные устройства.

Объединение на одном кристалле усовершенствованного 8-разрядного RISC ЦПУ с загружаемым Flash ПЗУ позволило фирме создать мощный микроконтроллер, обеспечивающий высокую гибкость и экономичность в использовании прибора в качестве встраиваемого контроллера.

Источник

Виды и устройство микроконтроллеров AVR

AVR – это название популярного семейства микроконтроллеров, которое выпускает компания Atmel. Кроме АВР под этим брендом выпускаются микроконтроллеры и других архитектур, например, ARM и i8051.

Какими бывают AVR микроконтроллеры?

Существует три вида микроконтроллеров:

Самым популярным уже более десятка лет является именно 8-битное семейство микроконтроллеров. Многие радиолюбители начинали изучать микроконтроллеры с него. Почти все они познавали мир программируемых контроллеров делая свои простые поделки, вроде светодиодных мигалок, термометров, часов, а также простой автоматики, типа управления освещением и нагревательными приборами.

Микроконтроллеры AVR 8-bit в свою очередь делятся на два популярных семейства:

Attiny – из названия видно, что младшее (tiny – юный, молодой, младший), в основном имеют от 8 пинов и более. Объём их памяти и функционал обычно скромнее, чем в следующем;

Atmega – более продвинутые микроконтроллеры, имеют большее количество памяти, выводов и различных функциональных узлов;

Самым мощным подсемейством микроконтроллеров является xMega – эти микроконтроллеры выпускаются в корпусах с огромным количеством пинов, от 44 до 100. Столько необходимо для проектов с большим количеством датчиков и исполнительных механизмов. Кроме того, увеличенный объем памяти и скорость работы позволяют получить высокое быстродействие.

Для чего нужны и на что способны микроконтроллеры?

Микроконтроллеры применяются почти везде! Практически каждое устройство в 21 веке работает на микроконтроллере: измерительные приборы, инструменты, бытовая техника, часы, игрушки, музыкальные шкатулки и открытки, а также многое другое; одно лишь перечисление займет несколько страниц текста.

Разработчик может использовать аналоговый сигнал подовая его на вход микроконтроллера и манипулировать с данными о его значении. Эту работу выполняет аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Данная функция позволяет общаться пользователю с микроконтроллером, а также воспринимать различные параметры окружающего мира с помощью датчиков.

В распространенных AVR-микроконтроллерах, например, Atmega328, который на 2017 году является сердцем многих плат Arduino, но о них позже. Используется 8 канальный АЦП, с разрядностью 10 бит. Это значит вы сможете считать значение с 8 аналоговых датчиков. А к цифровым выводам подключаются цифровые датчики, что может быть очевидным. Однако цифровой сигнал может являться только 1 (единицей) или 0 (нулем), в то время как аналоговый может принимать бесконечное множество значений.

Пояснение:

Разрядность – это величина, которая характеризует качество, точность и чувствительность аналогового входа. Звучит не совсем понятно. Немного практики: 10 битный АЦП, записать аналоговую информацию с порта в 10 битах памяти, иначе говоря плавно изменяющийся цифровой сигнал микроконтроллером распознается как числовое значение от 0 до 1024.

12 битный АЦП видит тот же сигнал, но с более высокой точностью – в виде от 0 до 4096, а это значит, что измеренные значения входного сигнала будут в 4 раза точнее. Чтобы понять откуда взялись 1024 и 4096, просто возведите 2 в степени равную разрядности АЦП (2 в степени 10, для 10 разрядного и т.д.)

Чтобы управлять мощностью нагрузки к вашему распоряжению есть ШИМ-каналы, их можно задействовать, например, для регулировки яркости, температуры, или оборотов двигателя. В том же 328 контроллере их 6.

В общем структура AVR микроконтроллера изображена на схеме:

Все узлы подписаны, но всё же некоторые названия могут быть не столь очевидными. Давайте рассмотрим их обозначения.

АЛУ – арифметико-логическое устройство. Нужно для выполнения вычислении.

Регистры общего назначения (РОН) – регистры которые могут принимать данные и хранить их в то время пока микроконтроллер подключен к питанию, после перезагрузки стираются. Служат как временные ячейки для операций с данными.

Прерывания – что-то вроде события которое возникает по внутренним или внешним воздействиям на микроконтроллер – переполнение таймера, внешнее прерывание с пина МК и т.д.

JTAG – интерфейс для внутрисхемного программирования без снятия микроконтроллера с платы.

Flash, ОЗУ, EEPROM – виды памяти – программ, временных рабочих данных, долгосрочного хранения независимая от подачи питания к микроконтроллеру соответственно порядку в названиях.

Таймеры и счетчики – важнейшие узлы в микроконтроллере, в некоторых моделях их количество может быть до десятка. Нужны для того, чтобы отчитывать количество тактов, соответственно временные отрезки, а счетчики увеличивают свое значение по какому-либо из событий. Их работа и её режим зависят от программы, однако выполняются эти действия аппаратно, т.е. параллельно основному тексту программы, могут вызвать прерывание (по переполнению таймера, как вариант) на любом этапе выполнения кода, на любой его строке.

A/D (Analog/Digital) – АЦП, его назначение мы уже описали ранее.

WatchDogTime (Сторожевой таймер) – независимый от микроконтроллера и даже его тактового генератора RC-генератор, который отсчитывает определенный промежуток времени и формирует сигнал сброса МК, если тот работал, и пробуждения – если тот был в режиме сна (энергосбережния). Его работу можно запретить, установив бит WDTE в 0.

Выходы микроконтроллера довольно слабые, имеется в виду то, что ток через них обычно до 20-40 миллиампер, чего хватит для розжига светодиода и LED-индикаторов. Для более мощной нагрузки – необходимы усилители тока или напряжения, например, те же транзисторы.

Научитесь разрабатывать устройства на базе микроконтроллеров и станьте инженером умных устройств с нуля: Инженер умных устройств

Что нужно чтобы начать изучение микроконтроллеров?

Для начала нужно приобрести сам микроконтроллер. В роли первого микроконтроллера может быть любой Attiny2313, Attiny85, Atmega328 и другие. Лучше выбирать ту модель, которая описана в уроках, по которым вы будете заниматься.

Следующее что Вам нужно – программатор. Он нужен для загрузки прошивки в память МК, самым дешевым и популярным считается USBASP.

Немногим дороже, но не менее распространенный программатор AVRISP MKII, который можно сделать своими руками – из обычной платы Arduino

Другой вариант – прошивать их через USB-UART переходник, который обычно делается на одном из преобразователей: FT232RL, CH340, PL2303 и CP2102.

В некоторых случаях для такого преобразователя используют микроконтроллеры AVR с аппаратной поддержкой USB, таких моделей не слишком много. Вот некоторые:

Одно лишь «но» – в память микроконтроллера предварительно нужно загрузить UART бутлоадер. Разумеется, для этого все равно нужен программатор для AVR-микроконтроллеров.

Интересно: Bootloader – это обычная программа для микроконтроллера, только с необычной задачей – после его запуска (подключения к питания) он ожидает какое-то время, что в него могут загрузить прошивку. Преимуществом такого метода – можно прошить любым USB-UART переходником, а они очень дешевы. Недостаток – долго загружается прошивка.

Для работы UART (RS-232) интерфейса в микроконтроллерах AVR выделен целый регистр UDR (UART data register). UCSRA (настройки битов приемопередатчика RX, TX), UCSRB и UCSRС – набор регистров отвечающие за настройки интерфейса в целом.

В чем можно писать программы?

Кроме программатора для написания и загрузки программы нужно IDE – среда для разработки. Можно конечно же писать код в блокноте, пропускать через компиляторы и т.д. Зачем это нужно, когда есть отличные готовые варианты. Пожалуй, один из наиболее сильных – это IAR, однако он платный.

Официальным IDE от Atmel является AVR Studio, которая на 6 версии была переименована в Atmel studio. Она поддерживает все микроконтроллеры AVR (8, 32, xMega), автоматически определяет команды и помогает ввести, подсвечивает правильный синтаксис и многое другое. С её же помощью можно прошивать МК.

Смотрите также подробные обучающие видеокурсы по программированию микроконтроллеров для начинающих Максима Селиванова: Программирование и создание устройств на микроконтроллерах AVR.

Самый простой способ изучить AVR

Купите или сделайте своими руками плату Arduino. Проект ардуино разработан специально для учебных целей. Он насчитывает десятки плат различных формами и количеством контактов. Самое главное в ардуино – это то что вы покупаете не просто микроконтроллера, а полноценную отладочную плату, распаянную на качественной текстолитовой печатной плате, покрытой маской и смонтированными SMD компонентами.

Самые распространенные – это Arduino Nano и Arduino UNO, они по сути своей идентичны, разве что «Нано» меньше примерно в 3 раза чем «Уно».

Несколько фактов:

Ардуино может программироваться стандартным языком – «C AVR»;

своим собственным – wiring;

стандартная среда для разработки – Arduino IDE;

для соединения с компьютером достаточно лишь подключить USB шнур к гнезду micro-USB на плате ардуино нано, установить драйвера (скорее всего это произойдет автоматически, кроме случаев, когда преобразователь на CH340, у меня на Win 8.1 драйвера не стали, пришлось скачивать, но это не заняло много времени.) после чего можно заливать ваши «скетчи»;

«Скетчи» – это название программ для ардуино.

Выводы

Микроконтроллеры станут отличным подспорьем в вашей радиолюбительской практике, что позволит вам открыть для себя мир цифровой электроники, конструировать свои измерительные приборы и средства бытовой автоматики.

Источник

Урок 1. Что такое AVR микроконтроллер?

Сайт Паяльник начинает цикл уроков посвященных микроконтроллерам AVR. При помощи данных уроков, мы проведем вас начиная с теории и самых азов и заканчивая изготовлением сложных устройств с применением AVR.
Добро пожаловать в современный и увлекательный мир микроконтроллеров AVR!

Вопрос: Что такое микроконтроллер?
Ответ: Микроконтроллер это своего рода компьютер, который используется в различных электронных устройствах. Микроконтроллер работает по программе, заложенной в него. Но в отличие от компьютера в микроконтроллере ядро, память и периферийные устройства заключены в один кристалл. В микроконтроллере имеются различные периферийные устройства, это: порты ввода\вывода или I\O (input\output), таймеры, интерфейсы связи и т.д.
Микроконтроллер имеет три вида памяти, это RAM (оперативная память), FlashROM (Flash память), EEPROM (энергонезависимая память).

Вопрос: Что такое AVR микроконтроллер?
Ответ: AVR микроконтроллер – это 8-битный микроконтроллер с RISC архитектурой и различными периферийными устройствами. Есть огромное количество разных AVR микроконтроллеров в DIP, SOIC, TQFP и PLCC корпусах.
В AVR микроконтроллерах есть область (4 байта) которую называют Fuse Bits (фьюз биты), в которой хранится конфигурация микроконтроллера. У каждого AVR микроконтроллера есть свой набор Fuse Bits. Более подробно о фьюзах вы можете почитать в данной статье: фьюзы микроконтроллеров AVR – как и с чем их едят.
Большинство МК имеют SPI интерфейс связи, по которому можно программировать (прошивать) микроконтроллер.

Вопрос: Какие есть компиляторы для AVR микроконтроллера?
Ответ: Для AVR микроконтроллеров существует множество компиляторов, например:
BASCOM-AVR (Basic компилятор), Code Vision AVR (C (си) компилятор), WinAVR (компилятор C (си) и ассемблера) и т.д.
В данном курсе по микроконтроллерам AVR будет использоваться компилятор BASCOM-AVR.

Вопрос: Как запрограммировать (прошить) AVR микроконтроллер?
Ответ: Для того чтобы запрограммировать (прошить) микроконтроллер, необходим программатор. Программатор это устройство, которое связывает микроконтроллер и компьютер вместе. Компьютер с помощью специальной программы прошьет микроконтроллер указанной программой (прошивкой).

Вообще, для начала рекомендую приобрести AVR микроконтроллер Attiny13. Так как этот AVR микроконтроллер является самым дешёвым и будет использоваться для изучения.

Источник

Устройство микроконтроллеров AVR

Первые микроконтроллеры с ядром AVR (аббревиатура производная от имен двух главных разработчиков Alf-Egil Bogen + Vegard Wollen + RISC) увидели свет в 1997г и начали стремительно завоевывать нишу на рынке 8-разрядных микроконтроллеров для встраиваемых систем. А уже через несколько лет своего становления AVR превратились в основное направление развития компании Atmel.

Первопроходцем стало семейство Classic, которое сейчас уже полностью снято с производства. Первые модели Classic были немного “сыроватыми” (что, впрочем, характерно и для многих других сложных изделий) и вызывали различные нарекания по поводу стабильности работы, надежности энергонезависимой памяти и т.д. Однако со временем недостатки были устранены, а основные концепции Atmel увидели свое продолжение в двух семействах нового поколения ATtiny (младшее семейство) и ATmega (старшее семейство). В данный момент микроконтроллеры ATtiny и ATmega составляют основную массу изделий AVR (характеристики микроконтроллеров ATtiny и ATmega приведены в приложении A). Но сказать, что на этом их развитие завершилось, конечно, нельзя. На сегодняшний день ядро AVR лежит в основе целого ряда микроконтроллеров для специализированных приложений. К ним относятся модели, содержащие на своем борту CAN (AT90CAN), USB (AT90USB), модули для генерации ШИМ (AT90PWM), радиочастотный модуль (AT86RF), а также конфигурируемые микроконтроллеры, которые совмещают на одном кристалле процессор и программируемые массивы FPGA.

Со второй половины 2008 г начался серийный выпуск моделей микроконтроллеров семейства Xmega. Архитектура AVR перетерпела значительную переработку. Были устранены многие слабые места. В составе Xmega появились контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти, 12-разрядные АЦП и ЦАП, дополнительные модули таймеров-счетчиков и мн. др. Память EEPROM стала проецироваться на адресное пространство SRAM. Напряжение питания снизилось до 3.3 В, а максимальная тактовая частота процессора Xmega возросла до 32 МГц.

Каждый год объем продаж AVR-микроконтроллеров увеличивается примерно в два раза, а общее их выпущенное количество уже давно перевалило за полмиллиарда. В электронной промышленности AVR стали безоговорочным индустриальным стандартом.

Особенности архитектуры

Как и подавляющее большинство современных 8-разрядных микроконтроллеров, AVR является типичным представителем архитектуры Гарвардского типа. Память программ и память данных в нем отделены друг от друга и находятся в различных адресных пространствах (см. рис.1). ЦПУ имеет две независимые шины: 16-разрядную для обращения к ПЗУ и 8-разрядную для взаимодействия с ОЗУ. Длина слова команды у AVR кратна 16-ти битам и может составлять 2 или 4 байта.

Рис.1 Разделение памяти программ и данных в Гарвардской архитектуре

Гарвардская архитектура дает возможность одновременно осуществлять выборку команд из ПЗУ и производить операции над переменными в ОЗУ, что дает существенный прирост производительности. В этом случае, однако, микроконтроллер может выполнять команды только из ПЗУ, но для большинства приложений, где предполагается его использование, это не имеет серьезного значения.

Рис.2 Работа конвейера команд

В микроконтроллерах AVR реализован двухступенчатый конвейер команд (см. рис.2). Во время выполнения текущей команды, происходит выборка и декодирование следующей инструкции. Функционирование конвейера нарушается только в те моменты, когда результат выполнения команды не определен. Это относится к командам типа Test & Skip (Проверка и пропуск) и аппаратным прерываниям. В первом случае происходит ветвление по условию, которое заранее неизвестно, а во втором – программный переход в неопределенный момент времени.

AVR имеют систему команд RISC (Reduced Instruct Set Computers – компьютеры с сокращённым набором команд). Такая система подразумевает наличие небольшого, хорошо продуманного набора команд, большая часть из которых выполняется за одинаковый промежуток времени (машинный цикл). Машинный цикл ядра AVR – 1 период тактовой частоты системного генератора. Это означает, что производительность микроконтроллера составляет 1 MIPS (Millions Instruction Per Second) на 1 МГц (!) или 20 MIPS при наибольшей частоте 20 МГц.

Рис.3 Внутреннее устройство микроконтроллеров семейства ATtiny

Внутренняя структура микроконтроллеров семейства ATtiny приведена на рис.3, а семейства ATmega на рис.4. Аппаратные модули, закрашенные серым цветом, имеются не во всех моделях AVR.

Рис.4 Внутреннее устройство микроконтроллеров семейства ATmega

Источник