第二章
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单片机系统结构
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第二章 ＡＶＲ 单片机系统结构
ＡＴＭＥＬ 公司的 ９０ 系列嵌入式单片微处理器是一种基于 ＡＶＲ 增强性½ Ｒ ＩＳＣ 结构的 ½功耗
ＣＭＯＳ 技术 八½微控制器（Ｅ½½½½½½½ ＲＩＳＣ Ｍ½½½½½½½½½½½½½½½） 通常简称为 ＡＶＲ 单片机 目前
有 ＡＴ９０Ｓ１２００ ＡＴ９０Ｓ２３１３ ＡＴ９０Ｓ４４１４ ＡＴ９０Ｓ８５１５ ＡＴ９０Ｓ２３２３ ＡＴ９０Ｓ４４３４ ＡＴ９０Ｓ８５３５
ＡＴ½½½½８３－１６３ ＡＴ½½½½６０３／１０３ ＡＴ½½½½１６１ ＡＴ½½½½１０／１１／１２／１５／２２／２４／２８ 等多种型号 它们的
基本结构½比较相近 这一章以 ＡＴ９０Ｓ８５１５ 单片机的内部结构为主来叙述 ＡＶＲ 单片机系统结构
２．１ ＡＶＲ 单片机总½结构
９０ 系列单片机通过在单一时钟周期内执行功½强大的指令， ＭＨ½ 可实现 １ＭＩＰＳ 的处理解力，
每
这½得设计者可以优化功耗与速度之间的矛盾
ＡＶＲ 核为 ３２ 个通用工½寄存器与丰富指令集的组合 ３２ 个寄存器全部直接地与运算逻辑单元
（ＡＬＵ）连接 这½得可以通过在一个时钟周期内执行一条指令来访问到两个独立的寄存器 这种组
合机构具备的代码效率比完成同样处理½力的常规 ＣＩＳＣ 微控制器要快十倍
９０ 系列单片机具有以下特征 １Ｋ １２８Ｋ 字节可下½½的 Ｆ½½½½ 存储器 ６４ ４Ｋ 字节 Ｅ２ＰＲＯＭ
１２８ ４Ｋ 字节 ＲＡＭ ５ ４８ 条通用的 Ｉ Ｏ 线 ３２ 个通用工½寄存器 带模拟比较器的定时器 计
数器 可编程的异步 ＵＡＲＴ 串行口 内部及外部中断 带内部晶振的可编程看门狗定时器 一个为
下½½程序而设计的 ＳＰＩ 串行口 １０ ½ Ａ Ｄ ½换器 以及 ２ 个可通过½件选择的省电模式 闲½
模式停止 ＣＰＵ 的工½ 而 ＳＲＡＭ 定时器 计数器 片内振荡器（ＲＴＣ） ＳＰＩ 口及中断系统继续工
½ 电源检测功½（ＢＯＤ），掉电模式保留寄存器的内容 ½冻结晶振 终止芯片的其它功½ 直至
下一次外部中断或硬件复½
该器件的制造运用了 ＡＴＭＥＬ 公司的高密度非易失存储器技术 芯片内可下½½的 Ｆ½½½½ 存储器
可以通过 ＳＰＩ 串行接口或通过通用的非易失存储器编程器对程序存储器进行系统内的重新编程
通过在单一芯片内将一个增强性½的 ＲＩＳＣ ８ ½ ＣＰＵ 与可下½½的 Ｆ½½½½ 结合 ½得 ＡＴＭＥＬ 的 ９０
系列单片机成为一种适合于许多要求 具有高度灵活性和½成本的嵌入式控制应用的高效微控制
器
９０ 系列单片机 ＡＶＲ 的全套编程和系统开发工具包括 Ｃ 编译器 ＢＡＳＣＯＭ－ＡＶＲ，宏汇编器 程
序调试器 程序仿真器 系统在线仿真器和 ＳＬ－ＡＶＲ 开发下½½实验器
图 ２．１ 为 ＡＴ９０Ｓ８５１５ 单片机方框图 说明了 ９０ 系列单片机的内部结构
一 脚说明
引
ＡＴ９０Ｓ４４１４／ＡＴ９０Ｓ８５１５ 引脚相同，仅 Ｆ½½½½ ＳＲＡＭ 和 Ｅ２ＰＲＯＭ 相差一倍 ＡＴ９０Ｓ４４１４／ＡＴ９０Ｓ８５１５
引脚与 ＭＣＳ－５１ 系列单片机 ８Ｘ５１／８Ｘ５２ 的引脚兼容，仅复½电平不同，ＡＶＲ ½电平复½，ＭＣＳ－５１ 高电
平复½ 这对用 ＡＶＲ 单片机替代 ＭＣＳ－５１ 单片机硬件电路带来方便
（½）
Ｖ ½ ½
Ｖ½½
为供电引脚 连接到正电源
（２） Ｇ
Ｎ Ｄ
ＧＮＤ 为接地引脚 连接到电源地
（３） Ａ
口（ＰＡ７ ＰＡ０）
Ａ 口为一个 ８ ½双向 Ｉ Ｏ 口 每一引脚内部½有上拉电阻 Ａ 输出缓冲器
可以吸收 ２０½Ａ 的电流 因而½直接驱动 ＬＥＤ 显示器 ½ Ａ 口被用于输入且内部上拉被触发时
如果外部被拉½ 则会输出电流 ½½用外部 ＳＲＡＭ 时 Ａ 口½为复用的地址 数据和输入 输出
口
（４） Ｂ
口（ＰＢ７ ＰＢ０）
Ｂ 口为一个 ８ ½双向 Ｉ Ｏ 口 每一引脚内部½有上拉电阻 Ｂ 口的输出缓
冲器可以吸收 ２０½Ａ 的电流 ½ Ｂ 口被用于输入且内部上拉被触发时 如果外部被拉½ 则会输
出电流 Ｂ 口也提供后面列出的 ９０ 系列单片机许多特殊功½
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（５） Ｃ
口（ＰＣ７ ＰＣ０）
Ｃ 口为一个 ８ ½双向 Ｉ Ｏ 口 每一引脚内部½有上拉电阻 Ｃ 口的输出
缓冲器可以吸收 ２０½Ａ 的电流 ½ Ｃ 口被用于输入且内部上拉被触发时 如果外部被拉½ 则会
输出电流 ½½用外部 ＳＲＡＭ 时 Ｃ 口½为地址输出
（６）
口（ＰＤ７ ＰＤ０）
口为带有内部拉高的 ８ ½双向 Ｉ Ｏ 口 Ｄ 口的输出缓存器可以吸收 ２０½Ａ
Ｄ
Ｄ
的电流 ½ Ｄ 口被用于输入且内部上拉被触发时 如果外部被拉½ 则会输出电流 Ｄ 口也提供
后面列出的 ９０ 系列单片机许多特殊功½
（７） ＲＥＳＥＴ ＲＥＳＥＴ 为复½输入 ½晶振运行时 引脚上一个两周期的½电平可对器件进行复½
（８）
Ｘ Ｔ Ａ Ｌ １
ＸＴＡＬ１ 为晶振反相放大器的输入端和内部时钟操½电路的输入端
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（９） Ｘ
Ｔ Ａ Ｌ ２
ＸＴＡＬ２
以为晶振反相放大器的输出端
（１０）
Ｉ Ｃ Ｐ
ＩＣＰ 是定时器 计数器 ½ 的输入捕获功½的输入引脚
（１１） Ｏ
Ｃ １ Ｂ
ＯＣ１Ｂ 是定时器 计数器 １ 的输出比较功½ Ｂ 的输出引脚
（１２） ＡＬＥ ＡＬＥ 是½用外部存储器时的地址锁存触发端 ＡＬＥ 选通门被用于在第一个访问周期中
将½½地址锁存到地址锁存器中 而 ＰＤ０ ＰＤ７ 在第二个访问周期中被用½数据
二 晶振
ＸＴＡＬ１ 和 ＸＴＡＬ２ 单独地½为反相放大器的输入和输出 该放大器如图 ２．２ 所示 可被设½为
片内的晶振 可½用石英晶振或陶瓷谐振器 为了由外部源驱动器件 ½ ＸＴＡＬ１ 被驱动时 ＸＴＡＬ２
不½连接 如图 ２．３ 所示
图 ２．３ 外部时钟驱动设½ 图 ２．２ 晶振连接
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２．２ ＡＶＲ 单片机中央处理器 ＣＰＵ
９０ 系列单片机 ＡＶＲ ＲＩＳＣ 微控制器向上与 ＡＶＲ 增强 ＲＩＳＣ 结构兼容 为 ９０ 系列单片机 ＭＣＵ
而编写的程序与 ＡＶＲ ８ ½ ＭＣＵ（ＡＴ９０ＳＸＸＸＸ）全部系列产品的源代码和运行的时钟周期相兼容
２ ． ２ ． １ 结构概述
快速访问寄存器堆概念包括 ３２ 个带有单一时钟周期访问时间的 ８ ½通用工½寄存器 这意味
着在一个单一时钟周期内 执行一个 ＡＬＵ 操½（运算逻辑单元） 从寄存器堆中输出两个操½数
且操½数被执行 运行结果被存储回寄存器堆
这些操½在一个时钟周期内完成
３２ 个寄存器中的 ６ 个寄存器½为 ３ 个 １６ ½间接地址寄存器指针 被用于数据空间寻址 从
而可以进行高效的地址计算 ３ 个寄存器中的一个还被用½地址指示器 完成常量表的查询功½
这些新加的功½寄存器为 １６ ½ Ｘ 寄存器 １６ ½ Ｙ 寄存器 １６ ½ Ｚ 寄存器
ＡＬＵ 支持寄存器之间的运算和逻辑功½ 以及常数和寄存器之间的运算与逻辑功½ ＡＬＵ 也执
行单一的寄存器操½ 图 ２．４ 所示为 ＡＴ９０Ｓ８５１５ 单片机 ＡＶＲ 的结构
除了寄存器操½功½之外 常规存储器寻址模式还可用在寄存器堆上 寄存器堆被分配在最
½的 ３２ 个数据空间地址（￥００ ￥１Ｆ） ½触发时 即½它们为一般的存储地址 也½访问到
Ｉ Ｏ 存储器空间包含 ６４ 个½为 ＣＰＵ 外围功½的地址，为控制寄存器 定时器 计数器 Ａ Ｄ
½换器及其它 Ｉ Ｏ 功½ Ｉ Ｏ 存储器可被直接访问 或½为寄存器堆之后的数据空间 地
址为 ￥２Ｏ ￥５Ｆ
ＡＶＲ 运用 Ｈ½½½½½½ 结构概念 即对程序存储和数据带有不同的存储器和总线 通过单一级的
流水线可对程序存储器进行访问 ½执行某一指令时 下一指令被预先从程序存储器中取回 这
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½得指令可以在每一个时钟周期内被执行 芯片内的程序存储器为系统内可下½½的 Ｆ½½½½ 存储器
通过相关的½移和调用指令 全部的 ４Ｋ 地址空间可以被直接访问到 所有 ＡＶＲ 指令均有一个
单一的 １６ ½字格式 这意味着每个程序存储器地址包含了一个单一的 １６ ½或 ３２ ½指令
在中断和子程序调用过程中 返回地址程序计数器（ＰＣ）被存储于堆栈之中 该堆栈被高效率
地放½在通用 ＳＲＡＭ 中 ½为结果 堆栈的大小只被 ＳＲＡＭ 的大小及对 ＳＲＡＭ 的½用而限制 所有
的用户程序必须在复½状态初始化 ＳＰ（在子程序和中断程序被执行之前，因为复½后，ＳＰ 为
００００Ｈ） １６ ½的堆栈指针 ＳＰ 可在 Ｉ Ｏ 空间之中被进行读 写访问
１２８Ｂ ４Ｋ 字节的数据 ＳＲＡＭ 可以通过 ＡＶＲ 结构中的不同种寻址模式很容易地访问
ＡＶＲ 结构中的存储器空间均为线性和有规律的存储器映射 图 ２．５ 为存储器映射图
一个灵活的中断模块 在 Ｉ Ｏ 空间中有它自己的控制寄存器 并且在状态寄存器中带有一
个附加的全局中断触发½ 所有不同的中断 在程序存储器开始½½的中断向量（对应固定中断入
口地址及中断申请名称）表中 带有一个独立分开的中断向量 不同的中断优先级与中断向量½½
相一致 中断地址向量的½½越½ 优先级越高（中断向量控制方式同 ＭＣＳ－５１ 单片机）
2.2.2
通用寄存器堆
图 ２．６ 为 ＡＶＲ 单片机 ＡＴ９０Ｓ８５１５ ＣＰＵ 中 ３２ 个通用寄存器的结构图
程序存储器 数据存储器 ７ ０ 地址
￥０００ ￥００００ Ｒ０
￥ ００
32
个
ＡＴ９０Ｓ８５１５ Ｒ１
￥ ０１
通用工½
程序
Flash
Ｒ２ ￥ ０２
寄存器
(4KX16
￥００１Ｆ
…
或
8KX8)
64
个
I/O
￥００２０
Ｒ１３
￥ ０Ｄ
寄存器
Ｒ１４
￥ ０Ｅ
￥ＦＦＦ
￥００５Ｆ
Ｒ１５
￥ ０Ｆ
内部
SRAM
￥００６０
Ｒ１６
￥ １０
Ｒ１７
￥ １１
(512X8)
￥０２５Ｆ
…
外部
Ｒ２６ ￥ １Ａ Ｘ－寄存器½字节
SRAM
￥０２６０
可扩展
Ｒ２７
￥ １Ｂ Ｘ－寄存器高字节
(0-64KX8)
Ｒ２８
￥ １Ｃ Ｙ－寄存器½字节
Ｒ２９
￥ １Ｄ Ｙ－寄存器高字节
￥ＦＦＦＦ
Ｒ３０
￥ １Ｅ Ｚ－寄存器½字节
Ｒ３１
￥ １Ｆ Ｚ－寄存器高字节
图 ２．５ 存储器映射图 （ＡＴ９０Ｓ８５１５） 图 ２．６ ＡＶＲ 单片机 ＣＰＵ 通用寄存器
指令集中所有的寄存器操½指令均带有方向 并½在单一周期中访问所有的寄存器 唯一的
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