AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐

第1篇  基礎(chǔ)與入門
第1章  單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)概述
1.1 嵌入式系統(tǒng)簡介2
1.1.1 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2
1.1.2 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)4
1.1.3 單片機(jī)的發(fā)展歷史5
1.1.4 單片機(jī)的發(fā)展趨勢6
1.2 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用領(lǐng)域9
1.2.1 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)9
1.2.2 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域10
1.3 AVR單片機(jī)簡介11
1.3.1 ATMEL公司的單片機(jī)簡介11
1.3.2 AVR單片機(jī)的主要特點(diǎn)13
1.3.3 AVR單片機(jī)系列簡介14
1.3.4 AVR與51單片機(jī)18
思考與練習(xí)19
第2章  AVR單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
2.1 單片機(jī)的基本組成20
2.1.1 單片機(jī)的基本組成結(jié)構(gòu)20
2.1.2 單片機(jī)的基本單元與作用21
2.2 Atmega16單片機(jī)的組成24
2.2.1 AVR單片機(jī)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)24
2.2.2 ATmega16的特點(diǎn)26
2.2.3 ATmage16的外部引腳與封裝27
2.3 ATmega16單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)29
2.3.1 中央處理器CPU29
2.3.2 系統(tǒng)時(shí)鐘部件32
2.3.3 CPU的工作時(shí)序33
2.3.4 存儲器35
2.3.5 I/O端口35
2.4 存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間35
2.4.1 支持ISP的Flash程序存儲器35
2.4.2 數(shù)據(jù)存儲器SRAM空間 36
2.4.3 內(nèi)部EEPROM存儲器36
2.5 通用寄存器組與I/O寄存器37
2.5.1 通用寄存器組37
2.5.2 I/O寄存器38
2.5.3 狀態(tài)寄存器和堆棧指針寄存器41
2.6 Atm ega16單片機(jī)的工作狀態(tài)43
2.6.1 AVR單片機(jī)最小系統(tǒng)44
2.6.2 AVR的復(fù)位源和復(fù)位方式45
2.6.3 對AVR的編程下載49
2.6.4 ATmega16的熔絲位50
2.6.5 AVR單片機(jī)的工作狀態(tài)52
2.6.6 支持ISP編程的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)53
2.7 AVR單片機(jī)內(nèi)部資源的擴(kuò)展和剪裁55
思考與練習(xí)55
第3章  AVR的指令與匯編系統(tǒng)
3.1 ATmega16指令綜述57
3.1.1 指令格式及3種表示方式58
3.1.2 AVR指令系統(tǒng)中使用的符號59
3.1.3 AVR指令的尋址方式和尋址空間60
3.1.4 AVR指令操作結(jié)果對標(biāo)志位的影響66
3.2 算術(shù)和邏輯指令66
3.2.1 加法指令66
3.2.2 減法指令67
3.2.3 取反碼指令68
3.2.4 取補(bǔ)碼指令68
3.2.5 比較指令69
3.2.6 邏輯“與”指令69
3.2.7 邏輯“或”指令70
3.2.8 邏輯“異或”指令71
3.2.9 乘法指令71
3.3 跳轉(zhuǎn)指令73
3.3.1 無條件跳轉(zhuǎn)指令73
3.3.2 條件跳轉(zhuǎn)指令74
3.3.3 子程序調(diào)用和返回指令80
3.4 數(shù)據(jù)傳送指令81
3.4.1 直接尋址數(shù)據(jù)傳送指令81
3.4.2 間接尋址數(shù)據(jù)傳送指令82
3.4.3 從程序存儲器中取數(shù)裝入寄存器指令84
3.4.4 寫程序存儲器指令86
3.4.5 I/O口數(shù)據(jù)傳送指令86
3.4.6 堆棧操作指令86
3.5 位操作和位測試指令87
3.5.1 帶進(jìn)位邏輯操作指令87
3.5.2 位變量傳送指令88
3.5.3 位變量修改指令88
3.6 MCU控制指令91
3.7 AVR匯編語言系統(tǒng)92
3.7.1 匯編語言語句格式93
3.7.2 匯編器偽指令93
3.7.3 表達(dá)式98
3.7.4 器件定義頭文件m16def.inc100
第4章  AVR單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)工具
4.1 單片機(jī)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)103
4.1.1 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所需的基礎(chǔ)知識和技能103
4.1.2 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程105
4.2 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具與環(huán)境108
4.2.1 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語言108
4.2.2 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)軟件平臺109
4.2.3 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的硬件開發(fā)工具110
4.2.4 AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺113
4.2.5 AVR實(shí)驗(yàn)開發(fā)板118
4.3 自制ISP下載電纜124
4.4 AVR開發(fā)環(huán)境的建立127
4.4.1 AVR研發(fā)型開發(fā)環(huán)境127
4.4.2 AVR學(xué)習(xí)型實(shí)驗(yàn)開發(fā)環(huán)境127
思考與練習(xí)128
第5章  實(shí)戰(zhàn)練習(xí)（一）
5.1 秒節(jié)拍顯示器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)129
5.1.1 秒節(jié)拍顯示器硬件設(shè)計(jì)129
5.1.2 秒節(jié)拍顯示器軟件設(shè)計(jì)思路131
5.1.3 秒節(jié)拍顯示器匯編源程序131
5.1.4 通用延時(shí)子程序分析132
5.2 AVR Studio匯編語言集成開發(fā)環(huán)境的使用133
5.2.1 AVR Studio和其他輔助工具的安裝134
5.2.2 系統(tǒng)工程文件與AVR匯編源程序文件的建立、編譯134
5.2.3 使用軟件模擬仿真調(diào)試程序138
5.3 CVAVR+AVR Studio——高級語言集成開發(fā)環(huán)境的使用142
5.3.1 秒節(jié)拍顯示器的高級C語言源程序142
5.3.2 系統(tǒng)工程文件與源程序文件的建立、編譯143
5.3.3 在CVAVR中使用AVR Studio進(jìn)行軟件模擬仿真調(diào)試程序146
5.4 AVR熔絲位的設(shè)置和執(zhí)行代碼下載147
5.4.1 AVR51多功能板的硬件連接148
5.4.2 AVR熔絲位的配置148
5.4.3 執(zhí)行代碼文件的下載151
5.5 一個(gè)比較復(fù)雜的AVR匯編語言實(shí)例153
5.5.1 系統(tǒng)功能與硬件設(shè)計(jì)153
5.5.2 AVR匯編源代碼154
思考與練習(xí)162
第2篇  基本功能單元的應(yīng)用
第6章  通用I/O接口的基本結(jié)構(gòu)與輸出應(yīng)用
6.1 通用I/O接口的基本結(jié)構(gòu)與特性164
6.1.1 I/O接口的基本結(jié)構(gòu)164
6.1.2 I/O接口寄存器167
6.1.3 通用數(shù)字I/O接口的設(shè)置與編程168
6.2 通用I/O接口的輸出應(yīng)用171
6.2.1 通用I/O接口的輸出設(shè)計(jì)要點(diǎn)171
6.2.2 LED發(fā)光二極管的控制171
6.2.3 繼電器控制174
6.2.4 步進(jìn)電機(jī)控制175
6.3 LED數(shù)碼顯示器的應(yīng)用177
6.3.1 單個(gè)LED數(shù)碼管控制177
6.3.2 多位LED數(shù)碼管顯示180
6.3.3 點(diǎn)陣LED顯示控制188
6.4 LCD液晶顯示器的應(yīng)用190
6.4.1 LCD的特點(diǎn)與分類191
6.4.2 通用點(diǎn)陣字符LCD顯示器的應(yīng)用191
思考與練習(xí)197
第7章  中斷系統(tǒng)與基本應(yīng)用
7.1 中斷的基本概念198
7.1.1 中斷處理過程198
7.1.2 中斷源、中斷信號和中斷向量199
7.1.3 中斷優(yōu)先級和中斷嵌套200
7.1.4 中斷響應(yīng)條件與中斷控制201
7.2 Atmega16的中斷系統(tǒng)203
7.2.1 ATmega16的中斷源和中斷向量203
7.2.2 ATmega16的中斷控制205
7.2.3 AVR的中斷響應(yīng)過程207
7.3 中斷服務(wù)程序的編寫209
7.3.1 匯編語言AVR中斷程序的編寫209
7.3.2 CodeVision中斷程序的編寫214
7.4 ATmega16的外部中斷217
7.4.1 外部中斷的觸發(fā)方式和特點(diǎn)217
7.4.2 與外部中斷相關(guān)的寄存器和標(biāo)志位218
7.5 外部中斷應(yīng)用實(shí)例221
思考與練習(xí)232
第8章  定時(shí)/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用
8.1 定時(shí)/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)233
8.1.1 8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器T/C0的結(jié)構(gòu)234
8.1.2 8位T/C0的工作模式242
8.1.3 8位T/C0的計(jì)數(shù)工作時(shí)序246
8.2 8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器T/C0的應(yīng)用248
8.2.1 外部事件計(jì)數(shù)器248
8.2.2 定時(shí)器應(yīng)用設(shè)計(jì)253
8.3 PWM脈寬調(diào)制波的產(chǎn)生和應(yīng)用258
8.3.1 PWM脈寬調(diào)制波258
8.3.2 基于比較匹配輸出的脈沖寬度調(diào)制PWM260
8.4 16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器T/C1的應(yīng)用263
8.4.1 16位T/C1增強(qiáng)功能介紹264
8.4.2 16位T/C1應(yīng)用示例267
思考與練習(xí)272
第9章  鍵盤輸入接口與狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)
9.1 通用I/O數(shù)字輸入接口設(shè)計(jì)273
9.1.1 I/O輸入接口硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)273
9.1.2 I/O輸入接口軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)275
9.2 基于狀態(tài)機(jī)的按鍵輸入接口設(shè)計(jì)276
9.2.1 簡單的按鍵輸入硬件接口與分析276
9.2.2 基于狀態(tài)機(jī)的按鍵輸入軟件接口設(shè)計(jì)278
9.3 矩陣鍵盤輸入接口設(shè)計(jì)291
9.3.1 矩陣鍵盤的工作原理和掃描確認(rèn)方式292
9.3.2 定時(shí)掃描方式的鍵盤接口程序293
思考與練習(xí)301
第10章  模擬比較器和ADC接口
10.1 模擬比較器302
10.1.1 與模擬比較器相關(guān)的寄存器和標(biāo)志位302
10.1.2 模擬比較器的應(yīng)用設(shè)計(jì)305
10.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC306
10.2.1 10位ADC結(jié)構(gòu)307
10.2.2 與ADC相關(guān)的I/O寄存器309
10.2.3 ADC應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)313
10.2.4 ADC的應(yīng)用設(shè)計(jì)315
10.2.5 ADC應(yīng)用設(shè)計(jì)的深入討論318
思考與練習(xí)321
第11章  實(shí)踐練習(xí)（二）
11.1 頻率測量和簡單頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)322
11.1.1 頻率測量原理322
11.1.2 測頻法測量頻率323
11.1.3 測周法測量頻率326
11.1.4 頻率測量小結(jié)330
11.2 基于T/C1捕捉功能實(shí)現(xiàn)高精度的周期測量330
11.3 帶校時(shí)和音樂報(bào)時(shí)功能時(shí)鐘的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)338
思考與練習(xí)344
第3篇  串行接口與通信
第12章  串行數(shù)據(jù)接口概述
12.1 串行接口與串行通信基礎(chǔ)知識348
12.1.1 并行傳輸348
12.1.2 串行傳輸349
12.1.3 常見的串行傳輸和通信接口350
12.2 數(shù)字I/O口的串行擴(kuò)展351
12.2.1 串行擴(kuò)展并行輸出口352
12.2.2 串行擴(kuò)展并行輸入口355
12.2.3 數(shù)字I/O口串行擴(kuò)展設(shè)計(jì)要點(diǎn)357
思考與練習(xí)357
第13章  異步通信與USART接口基礎(chǔ)
13.1 異步傳輸?shù)幕靖拍?59
13.1.1 異步傳輸?shù)淖址麛?shù)據(jù)幀格式359
13.1.2 異步通信361
13.2 AVR的異步傳輸接口USART362
13.2.1 概述363
13.2.2 串行時(shí)鐘發(fā)生器364
13.2.3 數(shù)據(jù)幀格式366
13.2.4 USART寄存器367
13.2.5 串行通信波特率的設(shè)置與偏差372
13.3 USART的基本操作375
13.3.1 USART的初始化375
13.3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送376
13.3.3 數(shù)據(jù)接收379
13.4 基于USART接口基本通信的實(shí)現(xiàn)與測試382
13.4.1 USART的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收382
13.4.2 RS232C總線標(biāo)準(zhǔn)介紹386
13.4.3 AVR系統(tǒng)的RS232C傳輸接口的實(shí)現(xiàn)與測試388
13.4.4 異步通信中易產(chǎn)生的問題與AVR系統(tǒng)時(shí)鐘的選擇394
13.5 AVR USART接口特性的進(jìn)一步說明394
13.5.1 使用獨(dú)立的高精度波特率發(fā)生器394
13.5.2 數(shù)據(jù)接收采用3級接收緩沖器結(jié)構(gòu)395
13.5.3 硬件自動(dòng)處理校驗(yàn)位及錯(cuò)誤檢測395
13.5.4 USART數(shù)據(jù)接收的硬件掃描檢測和接收時(shí)序395
思考與練習(xí)397
第14章  USART實(shí)用設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
14.1 異步通信接口應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)399
14.1.1 接口的硬件設(shè)計(jì)399
14.1.2 上層應(yīng)用通信協(xié)議和規(guī)范的制定401
14.1.3 典型USART底層驅(qū)動(dòng)+中間層軟件結(jié)構(gòu)示例402
14.2 一個(gè)USART應(yīng)用的完整示例407
14.2.1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成407
14.2.2 通信協(xié)議的制定408
14.2.3 下位機(jī)系統(tǒng)程序409
14.2.4 測試和上位機(jī)程序413
14.3 基于異步通信接口實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信414
14.3.1 多機(jī)通信實(shí)現(xiàn)原理414
14.3.2 多機(jī)通信實(shí)現(xiàn)方式一415
14.3.3 多機(jī)通信的通用實(shí)現(xiàn)方式417
思考與練習(xí)422
第15章  串行SPI接口應(yīng)用
15.1 SPI串行總線介紹424
15.1.1 SPI總線的組成424
15.1.2 SPI通信的工作模式和時(shí)序425
15.1.3 多機(jī)SPI通信427
15.2 AVR的SPI接口原理與使用428
15.2.1 SPI接口的結(jié)構(gòu)和功能428
15.2.2 與SPI相關(guān)的寄存器431
15.2.3 SPI接口的設(shè)計(jì)應(yīng)用要點(diǎn)433
15.3 SPI接口應(yīng)用實(shí)例435
15.3.1 SPI接口基本方式的應(yīng)用435
15.3.2 典型SPI底層驅(qū)動(dòng)+中間層軟件結(jié)構(gòu)示例443
思考與練習(xí)445
第16章  串行TWI(I2C)接口應(yīng)用
16.1 I2C串行總線介紹447
16.1.1 I2C總線結(jié)構(gòu)和基本特性447
16.1.2 I2C總線時(shí)序與數(shù)據(jù)傳輸448
16.1.3 I2C總線尋址與通信過程450
16.2 AVR的TWI(I2C)接口與使用452
16.2.1 TWI模塊概述452
16.2.2 TWI寄存器454
16.2.3 使用TWI總線458
16.2.4 TWI(I2C)接口設(shè)計(jì)應(yīng)用要點(diǎn)466
16.3 TWI接口應(yīng)用實(shí)例467
16.3.1 24C256的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)468
16.3.2 AVR讀/寫24C256應(yīng)用設(shè)計(jì)471
16.4 專用鍵盤/LED驅(qū)動(dòng)器ZLG7290的應(yīng)用485
16.4.1 ZLG7290簡介485
16.4.2 AVR與ZLG7290的連接486
思考與練習(xí)488
第4篇  進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)
第17章  AVR片內(nèi)資源應(yīng)用補(bǔ)遺
17.1 AVR熔絲位的功能與配置491
17.1.1 AVR熔絲位的正確配置492
17.1.2 ATmega16中重要熔絲位的配置493
17.1.3 JTAG口的使用與配置494
17.1.4 提高系統(tǒng)可靠性的熔絲位配置496
17.1.5 片內(nèi)WDT的應(yīng)用497
17.2 片內(nèi)EEPROM的應(yīng)用501
17.2.1 EEPROM的讀/寫訪問操作501
17.2.2 寄存器描述502
17.2.3 簡單的讀/寫EEPROM例程504
17.2.4 高級語言開發(fā)環(huán)境中使用EEPROM506
17.3 外部并行擴(kuò)展接口507
17.3.1 關(guān)于單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的并行接口擴(kuò)展問題的討論507
17.3.2 AVR的并行接口擴(kuò)展509
17.4 AVR中斷應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)511
17.4.1 AVR中斷設(shè)計(jì)注意點(diǎn)511
17.4.2 AVR的中斷優(yōu)先級與中斷嵌套處理512
17.4.3 高級語言開發(fā)環(huán)境中的中斷服務(wù)程序的編寫513
17.5 AVR實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用要點(diǎn)513
第18章  迎奧運(yùn)倒計(jì)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì)實(shí)例
18.1 系統(tǒng)功能分析517
18.2 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)518
18.2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)518
18.2.2 應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)518
18.2.3 系統(tǒng)面板設(shè)計(jì)519
18.2.4 DS1302介紹520
18.3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)523
18.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)524
附錄A ATmega16熔絲位匯總528
附錄B AVR51多功能實(shí)驗(yàn)開發(fā)板電原理圖537
附錄C 本書所附光盤內(nèi)容簡介540
附錄D 自制USBISP下載線
D．1 問題的提出541
D．2 自制USB下載線542
參考文獻(xiàn)544