第2讲 AVR的硬件资源

动手实践是学习单片机的最佳方法。一块单片机系统板、一款编程器、配以适合软件绝对会让你的开发事半功倍。

作为AVR的初学者，入门AVR开发是低成本的，一方面你可以从市场上购买一块成品开发板，这样可以节约一些时间，让你更加专注于单片机功能的学习和代码的编写。另一方面你也可以自己动手DIY一块AVR的系统板，这不仅会让你更加有成就感，而且还可以提高你动手实践、解决问题的能力，而这样的能力正是你日后成为一名硬件工程师所不可或缺的。本书将从DIY一块AVR系统板入手，用它来完成本书全部内容的学习和代码测试工作。

1 搭建AVR系统板

自己动手搭建AVR系统板其实是一个既简单又有趣的过程，所需的材料也很易得。一片DIP40封装的ATmega32A单片机、一小块多孔电路板（俗称洞洞板），再配上一些电阻、电容、二极管、三极管、数码管等元器件即可成功搭建系统板。搭建AVR系统板的材料如图3-1所示，材料清单详见附录B。

材料准备好后，就可以动手搭建AVR的系统板了，系统板的电路原理图详见附录A。在搭建最小系统板时，你还需要电烙铁、万用表和镊子等工具以及焊锡丝、助焊剂等辅助材料，这些都可以在电子市场买到。搭建过程中一定要注意在板上预留ISP和JTAG接口，以便于连接基于ISP或JTAG接口的编程器或仿真器。作者自行搭建的AVR系统板如图3-2所示。

为了使板面更加简洁，我们已经将系统板的连线及部分元器件安放在了板的背面，系统板搭建好后，你需要再次认真对板的连线做一次检查，确认接线无误后就可以将单片机按照正确的引脚顺序安装到IC座上了。安装好单片机的AVR系统板及其各部分的功能如图3-3所示。你千万不要小看这样的一块系统板，它绝对可以帮助你完成本书全部内容的学习和代码测试工作。

为了确保代码的正确性，本书中所列的源代码均在AVR系统板和AVR开发平台AVR_bronco实验板上验证通过。AVR_bronco实验板是经优化的AVR单片机开发平台，可以适用于DIP40封装的megaAVR系列单片机做代码测试及开发工作，其核心同样是DIP40封装的ATmega32A单片机，实验板的外观详见附录D。

2 AVR单片机的编程

程序源代码在PC上经编译器编译后，生成可以被单片机执行的机器码。将机器码写入单片机的过程称为对单片机的编程或烧写，AVR单片机常用的编程方式有以下三种：

1.高压/并行编程

AVR系列单片机的高压/并行编程是较早出现的编程方法，因其编程时需要连接较多的引脚所以称其为“并行编程”；在编程过程中，需要在RESET引脚上施加12V电压，所以称之为“高压编程”。此种编程方式由于涉及的引脚较多，对于贴片封装的单片机十分不便，因此目前很少采用。

2.串行编程（ISP编程）

ISP是In System Programming的缩写，意为在线系统编程。AVR单片机允许通过串行SPI总线对片内的FLASH、E2PROM、熔丝位等进行编程。串行编程是通过单片机的SPI接口实现的，使用SCK、MOSI、MISO和RESET引脚完成对芯片代码的写入。在设计硬件电路时，可以先将上述四个引脚做适当预留，当产品量产时，可以先将单片机焊接于PCB板上，之后通过预留的接口向单片机片内下载程序，即所谓的在系统编程，这样可以大大方便产品的生产和后期系统固件的升级和维护。

基于ISP编程方式的编程器有很多种，最常见的莫过于AVRISP编程器了，它的市场价格不过十几元，但却能完成大部分AVR系列单片机的编程下载任务，是目前市场上最具性价比的一类编程器。但由于此编程器推出时间较早，也存在一些缺点，如在编程时需要第三方软件的支持、对Windows 7操作系统的兼容性不好、不能在Atmel Studio 6集成开发环境中使用等。AVRISP编程器如图3-4所示。

另一种ISP编程器是由ATMEL推出的STK500，采用了ATMEL官方的固件，使其可烧写全系列的AVR单片机，并且可以自动升级以支持未来更多的单片机型号。STK500烧写速度快，支持最新的Atmel Studio 6集成开发环境，但由于其不支持USB接口，所以会给使用笔记本的用户带来一些不便。

AVRISP mkⅡ编程器是ATMEL公司开发的基于ISP编程方式的第二代产品，支持全系列AVR以及部分其他内核（如S51）单片机的编程。该编程器使用USB接口连接PC进行程序的下载，因此特别适用于当前的电脑用户。AVRISP mkⅡ编程器体积小巧，结构紧密，可以自动升级固件，与Atmel Studio 6集成开发环境无缝连接，是一种非常适合初学者使用的编程器。本书将使用此款编程器，配合Atmel Studio 6集成开发环境进行代码的编写和下载。AVRISP mkⅡ编程器如图3-5所示。

3.JTAG编程

通过AVR单片机的JTAG接口，不仅可以实现片上调试、边界扫描和测试PCB等功能，还可以完成对FLASH、E2PROM、熔丝位和锁定位的编程任务。使用JTAG接口对AVR系统单片机编程时需要使用四个引脚，即TCK、TMS、TDI和TDO。此编程方式不需要额外的12V电压，相对于SPI编程，JTAG编程方式占用了更多的I/O端口，而且一旦JTAG接口被使能，这些端口只能专用于JTAG的调试和下载，对单片机的资源会造成一定程度的浪费。基于JTAG接口的编程/仿真器有JTAG ICE和JTAG ICE mk II等多种，本教程不作进一步介绍。

3 编程/仿真接口设计

我们已经知道，AVR单片机的编程和仿真是通过专用的接口实现的，其中ISP接口用于连接基于ISP下载方式的编程器，其接口引脚有其固定的定义，具体如图3-6所示。

ISP接口有两种不同的引脚组织形式，图中左侧的是10针的ISP接口，右侧的是6针的ISP接口，AVRISP mkⅡ编程器使用的是6针的ISP接口。在设计目标板时，如果MOSI、MISO或SCK引脚在完成ISP下载功能后还需要作为普通I/O口使用，那么就需要对这些I/O做适当的电气隔离。一个比较简单的办法就是将I/O口与驱动电路之间串联一个1kΩ左右的电阻，目标芯片与编程器引脚间则是直接连接。

另外，为了使目标芯片进入编程模式，ISP编程器在编程时需要拉低目标芯片的RESET引脚。因此，RESET引脚上外接的上拉电阻阻值应该不小于4.7kΩ，否则会导致目标芯片不能正确进入编程状态。

用于仿真调试功能的JTAG接口虽然在外观上与10针的ISP接口相同，但其引脚有自己特别的定义方式，具体如图3-7所示。