AVR

Логотип AVR.

Atmel AVR ATmega8 в корпусе DIP

Atmel AVR ATmega169V в корпусе MLF

AVR в семейство восьмибитных микроконтроллеров фирмы Atmel. Год разработки в 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) в 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 r16вr31;
• 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.

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

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

Версии контроллеров

AT(mega/tiny)xxx в базовая версия.
ATxxxL в версии контроллеров, работающих на пониженном (Low) напряжении питания (2,7 В).
ATxxxV в версии контроллеров, работающих на низком напряжении питания (1,8 В).
ATxxxP в малопотребляющие версии (до 100 нА в режиме Power-down), применена технология picoPower (анонсированы в июле 2007), повыводно и функционально совместимы с предыдущими версиями.
ATxxxA в 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» с точки зрения программатора ничем не отличаются.

АТxxx-PI в корпус DIP
АТxxx-PU в корпус DIP, бессвинцовый (Pb-free) припой

АТxxx-AI в корпус TQFP
АТxxx-AU в корпус TQFP, бессвинцовый (Pb-free) 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;
  • 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 в JTAG или порт в 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 10 бит (12 для XMEGA AVR):
  • 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

• Avrdude в средство для прошивки микроконтроллеров.
• Code::Blocks в кроссплатформенная среда разработки.
• DDD в графический интерфейс к avr-gdb.
• PonyProg в универсальный программатор, подключение через COM-порт, LPT-порт (подерживается и USB эмулятор COM-порта) поддерживает МК AVR, PIC и др.
• V-USB в программная реализация протокола USB для микроконтроллеров AVR.
• WinAVR - сборка avr-gcc под Windows, включающая в себя компилятор, ассемблер, компоновщик и другие инструменты.

Проприетарные

• AVR Studio в IDE, ассемблер, отладчик. Freeware.
• Bascom-avr в среда разработки основанная на Basic-подобном языке программирования.
• CodeVisionAVR в компилятор C и программатор в CVAVR, генератор начального кода.
• Proteus в 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).