AVR

Логотип AVR.

Atmel AVR ATmega8 в корпусе DIP

Atmel AVR ATmega169V в корпусе MLF

AVR — семейство восьмибитных микроконтроллеров фирмы Atmel. Год разработки — 1996.

История создания архитектуры AVR

Идея разработки нового RISC-ядра принадлежит двум студентам Norwegian University of Science and Technology (NTNU) из норвежского города Тронхейма (Trondheim) — Альфу Богену (Alf-Egil Bogen) и Вегарду Воллену (Vegard Wollen). В 1995 году Боген и Воллен решили предложить американской корпорации Atmel, которая была известна своими чипами с Flash-памятью, выпускать новый 8-битный RISC-микроконтроллер и снабдить его Flash-памятью для программ на одном кристалле с вычислительным ядром.

Идея была одобрена Atmel Corp., и было принято решение незамедлительно инвестировать в данную разработку. В конце 1996 года был выпущен опытный микроконтроллер AT90S1200, а во второй половине 1997-го корпорация Atmel приступила к серийному производству нового семейства микроконтроллеров, к их рекламной и технической поддержке.

Новое ядро было запатентовано и получило название AVR. Существует несколько трактовок данной аббревиатуры. Кто-то утверждает, что это Advanced Virtual RISC, другие полагают, что не обошлось здесь без Alf Egil Bogen Vegard Wollan RISC.

Описание архитектуры

Микроконтроллеры AVR имеют гарвардскую архитектуру (программа и данные находятся в разных адресных пространствах) и систему команд, близкую к идеологии RISC. Процессор AVR имеет 32 8-битных регистра общего назначения, объединённых в регистровый файл. В отличие от «идеального» RISC, регистры не абсолютно ортогональны:

• Три «сдвоенных» 16-битных регистра-указателя X (r26:r27), Y (r28:r29) и Z (r30:r31);
• Некоторые команды работают только с регистрами r16…r31;
• Результат умножения (в тех моделях, в которых есть модуль умножения) всегда помещается в r0:r1.

Система команд

Система команд микроконтроллеров AVR весьма развита и насчитывает в различных моделях от 90 до 133 различных инструкций.

Большинство команд занимает только 1 ячейку памяти (16 бит).

Большинство команд выполняется за 1 такт.

Всё множество команд микроконтроллеров AVR можно разбить на несколько групп:

• команды логических операций;
• команды арифметических операций и команды сдвига;
• команды операции с битами;
• команды пересылки данных;
• команды передачи управления;
• команды управления системой.

Управление периферийными устройствами осуществляется через адресное пространство данных. Для удобства существуют «сокращённые команды» IN/OUT.

Семейства микроконтроллеров

Стандартные семейства:

• tinyAVR (ATtinyxxx):
  • Флеш-память до 16 Кб; SRAM до 512 б; EEPROM до 512 б;
  • Число линий ввод-вывода 4-18 (общее количество выводов 6-32);
  • Ограниченный набор периферийных устройств.

• megaAVR (ATmegaxxx):
  • Флеш-память до 256 Кб; SRAM до 8 Кб; EEPROM до 4 Кб;
  • Число линий ввода-вывода 23-86 (общее количество выводов 28-100);
  • Аппаратный умножитель;
  • Расширенная система команд и периферийных устройств.

• XMEGA AVR (ATxmegaxxx):
  • Флеш-память до 384 Кб; SRAM до 32 Кб; EEPROM до 4 Кб;
  • Четырёхканальный DMA-контроллер;
  • Инновационная система обработки событий.

Как правило, цифры после префикса обозначают объём встроенной flash-памяти (в КБ) и модификацию контроллера. А именно, максимальная степень двойки, следующая за префиксом обозначает объём памяти, а оставшиеся цифры определяют модификацию (апр., ATmega128 — объём памяти 128 КБ; ATmega168 — объём памяти 16 КБ, модификация 8; ATtiny44 и ATtiny45 — память 4 КБ, модификации 4 и 5 соответственно).

На основе стандартных семейств выпускаются микроконтроллеры, адаптированные под конкретные задачи:

• со встроенными интерфейсами USB, CAN, контроллером LCD;
• со встроенным радиоприёмопередатчиком — серии ATAхxxx, ATAMxxx;
• для управления электродвигателями — серия AT90PWMxxxx;
• для автомобильной электроники;
• для осветительной техники.

Кроме указанных выше семейств, ATMEL выпускает 32-разрядные микроконтроллеры семейства AVR32, которое включает в себя подсемейства AT32UC3 (тактовая частота до 66 МГц) и AT32AP7000 (тактовая частота до 150 МГц).

Версии контроллеров

AT(mega/tiny)xxx — базовая версия.
ATxxxL — версии контроллеров, работающих на пониженном (Low) напряжении питания (2,7 В).
ATxxxV — версии контроллеров, работающих на низком напряжении питания (1,8 В).
ATxxxP — малопотребляющие версии (до 100 нА в режиме Power-down), применена технология picoPower (анонсированы в июле 2007), повыводно и функционально совместимы с предыдущими версиями.
ATxxxA — уменьшен ток потребления, перекрывается весь диапазон тактовых частот и напряжений питания двух предыдущих версий (также, в некоторых моделях, добавлены новые возможности и новые регистры, но сохранена полная совместимость с предыдущими версиями). Микроконтроллеры «А» и «не-А» обычно имеют одинаковую сигнатуру, что вызывает некоторые трудности, т.к. Fuse-bit'ы отличаются

АТxxx-PI — корпус DIP
АТxxx-PU — корпус DIP, бессвинцовый припой

АТxxx-AI — корпус TQFP
АТxxx-AU — корпус TQFP, бессвинцовый припой

(цифры 8/10/16/20/.. перед индексом означают максимальную частоту, на которой микроконтроллер может стабильно работать при нормальном для него напряжении питания).

Устройства ввода/вывода МК

МК AVR имеют развитую периферию:

• Многофункциональные, двунаправленные GPIO порты ввода/вывода со встроенными подтягивающими резисторами. Конфигурация портов в/в задаётся программно.
• В качестве источника тактовых импульсов может быть выбран:
  • кварцевый резонатор (не у всех представителей);
  • внешний тактовый сигнал;
  • внутренний RC-генератор (частота 1, 2, 4, 8 МГц).
• Внутренняя Флеш-память команд до 256 KБ (не менее 10 000 циклов перезаписи).
• Отладка программ осуществляется с помощью интерфейсов JTAG или debugWIRE:
  • сигналы JTAG (TMS, TDI, TDO, и TCK) мультиплексированы на порт ввода/вывода. Режим работы — JTAG или порт — задаётся соответствующим битом в регистре fuses. МК AVR поставляются с включённым интерфейсом JTAG.
• Внутреннее EEPROM данных до 4 КБ (100 000 циклов).
• Внутренняя SRAM до 8 KБ время доступа 1 такт.
• Внешняя память объёмом до 64 КБ (Mega8515 и Mega162).
• Таймеры c разрядностью 8, 16 бит.
• ШИМ-модулятор (PWM) 8-, 9-, 10-, 16-битный.
• Аналоговые компараторы.
• АЦП (ADC) с дифференциальными входами, разрядность 8/10/12 бит (для tiny, mega, xmega соответственно):
  • программируемый коэффициент усиления перед АЦП 1, 10 и 200;
  • опорное напряжение 2,56 В.
• Различные последовательные интерфейсы, включая:
  • двухпроводной интерфейс TWI, совместимый с I²C;
  • универсальный синхронно/асинхронный приёмопередатчик UART/USART;
  • синхронный последовательный порт Serial Peripheral Interface (SPI).
• USB серия AT90USBxxxx.
• CAN серия AT90CANxxx.
• LCD серии ATmega169 и ATmega329.
• Датчики температуры ATtiny25, ATtiny45, ATtiny85.

Примечание: не все периферийные устройства могут быть включены программно. Бит в регистре fuses может быть изменён только программатором.

Средства разработки

Свободные

• WinAVR — программный пакет под Windows, включающий в себя компилятор, ассемблер, компоновщик и другие инструменты.
• Algorithm Builder — разработки программного обеспечения для микроконтроллеров с архитектурой AVR.
• Code::Blocks — кроссплатформенная среда разработки.

• DDD — графический интерфейс к avr-gdb.
• V-USB — программная реализация протокола USB для микроконтроллеров AVR.

• Avrdude — средство для прошивки микроконтроллеров.
• PonyProg — универсальный программатор через LPT-порт, COM-порт (подерживается и USB-эмулятор COM-порта).

Проприетарные

• AVR Studio — бесплатная IDE от самой Atmel
• IAR AVR — коммерческая среда разработки для микроконтроллеров AVR
• Bascom-avr — среда разработки основанная на Basic-подобном языке программирования.
• CodeVisionAVR — компилятор C и программатор — CVAVR, генератор начального кода.

• Proteus — симулятор электрических цепей, компонентов, включая различные МК и др. периферийное оборудование.

Также архитектура AVR позволяет применять операционные системы при разработке приложений, например FreeRTOS, uOS, ChibiOS/RT.

См. также

• AVR32
• ARM7
• Intel 8051
• PIC
• MSP430
• Arduino

Ссылки

• Atmel AVR 8- and 32-bit Microcontrollers на сайте компании Atmel
• AVR в каталоге ссылок Open Directory Project (dmoz).