AVR ist eine 8-Bit Microcontroller-Familie mit RISC-Architektur. Im Gegensatz zu vielen anderen Microcontroller-Architekturen hat die AVR-Architektur keine Vorgänger. Sie ist ein komplettes Neudesign, das Anfang der 90-Jahre an der Universität von Trondheim/Norwegen entwickelt und vom (bis heute einzigen) Hersteller Atmel aufgekauft wurde. Es gibt eine ganze Serie von AVR-Controllern. Sie alle werden ähnlich programmiert, haben vergleichbaren Befehlssatz und physikalische Eigenschaften, bieten jedoch unterschiedliche Features und Peripherie.
Es gibt zahlreiche und kostenlose Entwicklungssysteme in den Sprachen Basic, C/C++, Pascal und Assembler für diese Controller-Familie.
Inhaltsverzeichnis
Wofür steht AVR?
"AVR" steht angeblich für Advanced Virtual RISC (in einem Paper der Entwickler des AVR-Kerns Alf Egin Bogen und Vegard Wollan). Laut Atmel bedeutet es nichts.
Hardware
AVR-Controller besitzen eine zweistufige Pipeline (fetch and execute), die es ermöglicht, die meisten Befehle innerhalb eines einzigen Prozessortaktes auszuführen. Dadurch ist ein AVR wesentlich schneller als etwa 8051-Controller, bei denen der Prozessortakt intern noch durch 12 geteilt wird.
- AVR-Kern
- Harvard-Architektur (getrennter Befehls- und Datenspeicher)
- 8-Bit Architektur ist für Hochsprachen (C) optimiert
- 32 Register, davon 6 als 3 Pointerregister, kein Akkumulator
- Lineares Speichermodell (keine Segmentierung bis 128 kBytes Programmspeicher)
- In-System programmierbar: die Controller können sehr einfach über ein Programmierkabel (oft ISP-Kabel genannt), das mit dem PC verbunden wird, programmiert werden – auch dann, wenn sie sich nicht in einer Schaltung befindet.
- integrierter Flash-Speicher für Programm
- umfangreiche Peripherie
- Watchdog, Bootloader-Support, verschiedene Stromspar-Modi, Brownout-Erkennung, Interner Oszillator
- EEPROM-Datenspeicher
- 8- und 16-Bit-Timer/Counter mit PWM, Capture/Compare, externe Betaktung, asynchrone Operation
- Kommunikation: USART, SPI, I2C (TWI)
- Analog-Comparator, Analog-Digital-Wandler
- unterschiedlichste externe und interne Interrupt-Quellen (UART, SPI, Timer, A/D-Wandler, Analog-Comparator, ...)
- JTAG (Debugerinterface) (Teilweise)
- AVR Typen (AT90 "Classic AVR", ATtiny, ATmega), trotzdem sehr ähnlich, die neue XMega Serie ist vor allem bei der Peripherie etwas anders
- erhältlich in unterschiedlichen Gehäusen, idR Durchsteck und als SMD
- Viele Entwicklungsboards erhältlich, z.B. das Roboternetzboard RN-Control
Einige Pinbelegungen der populärsten AVR-Controller
(in etwa nach Leistungsfähigkeit sortiert)
- Atmel Controller Mega128 (SMD-Chip)
Die AVR-Pin-Bezeichnungen und deren Funktion
Die meisten Ports sind doppelt belegt und besitzen neben der normalen Port-Funktion noch eine Sonderfunktion. Die verschiedenen Pinbezeichnungen und Sonderfunktionen werden hier beschrieben:
| Versorgungs- und Referenzpins, Reset | |
|---|---|
| VCC | Versorgungsspannung von 2,7 V bis 5,5 V bei den L-Varianten (low power), ansonsten 4,5V bis 5,5 V. Neuere AVR ab 2,7 V und ab 1,8 V in V-Variante. |
| GND | Masse |
| AREF | Referenzspannung für den Analog-Digital-Wandler. Auch die interne Bandgap-Referenzspannung kann über diesen Pin entstört werden (dann KEINE externe Spannung an diesen Pin geben (Kurzschluss)!). |
| AGND | Analoge Masse für AD Wandler und dazugehörige Ports. Sollte in aller Regel mit GND verbunden werden. |
| AVCC |
Die Betriebsspannung für den Analog-Digital-Wandler (und einiges mehr) (siehe Beschaltungsskizze). Die Pins AVCC und AGND müssen immer beschaltet werden, selbst wenn man den AD-Wandler und Port A nicht benutzt. |
| RESET | Rücksetz-Eingang, intern über einen Pullup mit VCC verbunden. Ein LOW–Pegel an diesem Pin für die Dauer von mindestens zwei Zyklen des Systemtaktes bei aktivem Oszillator setzt den Controller zurück. Rücksetzen der Ports erfolgt unabhängig von einem evtl. anliegenden Systemtakt. |
| PEN | Programming Enable - Diesen Pin gibt es nur beim Mega128/64 u.ä. Wird dieser Pin beim Power-On Reset nach Masse gezogen, geht der Controller in den ISP Programmiermodus. Man kann ihn also alternativ zu Reset verwenden. In der Regel verwendet man aber die Reset-Leitung und PEN sollte man direkt mit VCC verbinden. |
| System-Takt | |
| XTAL1 | Eingang des internen Oszillators zur Erzeugung des Systemtaktes bzw. Eingang für ein externes Taktsignal, wenn der interne Oszillator nicht verwendet werden soll bzw. Anschluss von Quarz/Keramik-Resonator/RC-Glied. |
| XTAL2 | Anschluss von Quarz oder Keramik-Resonator oder Ausgang des integrierten Oszillators zur Nutzung als Systemtakt (Je nach Fuse-Einstellungen). |
| Digitale bidirektionale I/O-Ports | |
| Jeder Pin der Ports kann individuell als Eingang oder Ausgang konfiguriert werden. Die I/O-Ports sind maximal 8 Bit breit und verfügen ja nach AVR-Typ über eine unterschiedliche Anzahl von Pins. An jedem als Eingang (Input) geschalteten Pin gibt es zuschaltbare Pullup-Widerstände, die teilweise auch bei aktivierter Sonderfunkton verfügbar sind.
Bei eingeschalteten Sonderfunktionen wie UART, SPI, ADC, etc. sind die entsprechenden Pins nicht als "normale" digitale I/O verwendbar, sondern dienen der Sonderfunktion. Die Anzahl der als I/O verwendbaren Pins ist auch abhängig von den Fuse-Einstellungen (Vorsicht beim Umstellen, Handbuch GENAU lesen!). | |
| PA 0 – 7 | Port A |
| PB 0 – 7 | Port B |
| PC 0 – 7 | Port C |
| PD 0 – 7 | Port D |
| PE 0 – 7 | Port E |
| PF 0 – 7 | Port F |
| PG 0 – 7 | Port G |
| Externe Interrupts | |
| Die PCINT-Interrupts gibt es nur für neuere AVRs wie den ATmega88. Falls die Anzahl an externen Interrupts nicht ausreicht, kann evtl. auch andere Hardware dafür eingesetzt werden, etwa der Analog-Comparator mit interner Bandgap-Referenz, falls er anderwärtig nicht gebraucht wird. | |
| INT0 | Externer Interrupt 0 |
| INT1 | Externer Interrupt 1 |
| INT2 | Externer Interrupt 2 |
| PCINTx | Pin-Change Interrupt |
| Timer und PWM | |
| T0 | Timer 0: externer Takteingang. |
| T1 | Timer 1: externer Takteingang. |
| OC0 | PWM bzw. Output Compare Ausgang des Timers 0 |
| OC1A | Ausgang für die Compare-Funktion des integrierten Zeitgeber- / Zählerbausteines
Der erste PWM-Ausgang des Timers1. Er kann zum Regeln der Bot-Motorgeschwindigkeit benutzt werden. |
| OC1B | Ausgang für die Compare-Funktion des integrierten Zeitgeber- / Zählerbausteines
Der zweite PWM-Ausgang des Timers1. Er kann zum Regeln der Bot-Motorgeschwindigkeit benutzt werden. |
| ICP1 | Eingang für die Capture-Funktion des integrierten Zeitgebers / Zählerbausteines |
| OC2 | Pwm bzw. Output Compare Ausgang des Timers2. Er kann zum Regeln der Bot-Motorgeschwindigkeit benutzt werden. |
| TOSC1, TOSC2 | TOSC1 und TOSC2 sind Eingänge für den asynchronen Modus von Timer2. Sie sind vorgesehen für den Anschluss eines externen Uhrenquarzes ( 32.768 kHz ). Damit lassen sich zum Beispiel genaue Ein-Sekunden-Impulse für eine Uhr generien, sogar wenn der normale Takt im Power-save Modus aus ist. |
| Analog-Digital-Wandler | |
| ADC0 bis ADC7 | Eingänge des AD-Wandlers. Spannungen können hier gemessen werden oder an den Analog-Komparator weiter geleitet werden. |
| Analog-Komparator | |
| AIN0, AIN1 | Die beiden externen Eingänge des Analog-Komparators.
Mit AIN0(+) und AIN1(-) kann man zwei Spannungen miteinander vergleichen. Wenn die Spannung an AIN0 höher als bei AIN1 ist, liefert der Komparator "High", ansonsten ein "Low". Als interne Eingänge des Komparators können die Interne Bandgap-Referenzspannung oder Ausgänge des ADC-Multiplexers dienen. |
| Serielle Schnittstelle (USART) | |
| RXD | Eingang der Seriellen Schnittstelle (Receive Data), TTL-Pegel |
| TXD | Ausgang Serielle Schnittstelle (Transmit Data), TTL-Pegel |
| XCK | Taktsignal der USART im synchronen Mode (z.B. als SPI Master). |
| SPI-Schnittstelle | |
| SS | SPI-Interface – wird benötigt, um den µC als aktiven Slave auszuwählen |
| MOSI | SPI-Interface – Datenausgang (als Master) oder Dateneingang (als Slave), verwendet bei ISP (In-System-Programmierung) |
| MISO | SPI-Interface – Dateneingang (als Master) oder Datenausgang (als Slave), verwendet bei ISP (In-System-Programmierung) |
| SCK | SPI-Interface – Bustakt vom Master, verwendet bei ISP (In-System-Programmierung) |
| I2C-Schnittstelle (TWI) | |
| SDA | I2C-Schnittstelle (Bus aus 2 Leitungen) Datenleitung |
| SCL | I2C-Schnittstelle (Bus aus 2 Leitungen) Clockleitung |
| JTAG-Interface | |
| TDI | JTAG-Debug Interface - Über dieses Interface kann man den AVR programmieren und debuggen. Die Schnittstelle ist ähnlich wie die SPI Schnittstelle und hat getrennte Dateneingangs- und Datenausgangsleitungen sowie eine Taktleitung. TDI ist die Dateneingangsleitung |
| TDO | JTAG-Debug Interface - TDO ist die Datenausgangsleitung des JTAG Interface |
| TMS | JTAG-Debug Interface |
| TCK | JTAG-Debug Interface |
Timer/Counter
Für Infos zu Timer und Counter siehe Artikel Timer/Counter (Avr).
Analog-Digital-Wandler
Für Infos zu Analog-Digital-Wandler siehe Artikel ADC (Avr).
Analog-Komparator
Für Infos zu Analog-Komparator siehe Artikel Analog Komparator (Avr).
TWI/I2C
Für Details über das Two-wire Serial Interface (kurz TWI) siehe Artikel TWI.
UART/USART
Für Details über den UART/USART siehe Artikel UART.
SPI - Serial Peripheral Interface
Für Details über SPI siehe Artikel SPI.
Näheres zu SPI beim AVR siehe SPI (AVR).
USI - Universal Serial Interface
Für Infos zu USI (Universal Serial Interface) siehe Artikel USI (Avr).
IO-PORTs
Die IO-Port dienen dazu direkt digitale Werte auszugeben oder einzulesen. Zu jedem Port (im folgenden X für A,B,C,D,...) gehören 3 Register. Zum einem Port gehören bis zu 8 Pins (PX0,...,PX7).
- DDRX : Datenrichtungsregister (1 = Ausgang, 0 = Eingang)
- PORTX bzw. Portx bei BASCOM : Ausgaberegister. Für Ausgänge wird hier der Ausgabewert bestimmt. Für Eingänge wird hier der Pullup-Widerstand eingeschaltet (1) oder ausgeschaltet (0).
- PINX bzw. Pinx bei BASCOM : Eingangsregister. Lesen gibt den Zustand am Pin (1 = high, 0 = low). Das gilt auch wenn der IO Pin als Ausgang funktioniert. Die Wirkung beim Schreiben in dieses Register hängt vom Typ ab (siehe Datenblatt). Bei älteren Typen passiert beim schreiben nichts. Bei einigen neueren Typen wird beim schreiben einer 1 das entsprechende Bit im Register PORTX umgedreht.
Von außen gesehen kann der IO Pin also 4 Zustände haben: niederohmig an VCC (high), niederohmig an GND (low), Pullup an VCC und hochohmiger Eingang. Für die Ausgabe nutzt man in der Regel PORTX, für Eingänge immer PINX.
Die Fusebits
Zur Konfigurierung eines AVR-Controllers werden Fusebits benutzt. Bei der Auslieferung neuer AVR Controller sind die Fusebits bereits vorkonfiguriert, in der Regel auf den internen RC Oszillator und etwa 1 MHz Frequenz. In vielen Fällen kann die Konfiguration unverändert bleiben. Bei den Typen Mega xxx bestimmen einige Fusebits beispielsweise, dass der interne Taktgeber aktiviert ist. Soll z.B. dagegen ein externer Quarz anschlossen oder die Taktfrequenz geändert werden, so müssen auch die Fusebits geändert werden. Auch das Deaktivieren des "On Chip Debugging" Modus ist oft notwendig, wenn alle Ports genutzt werden sollen.
Die Fusebits werden in der Regel über die Software eingestellt, welche auch für das Übertragen des Programmcodes zuständig ist. Besonders einfach geht dies beispielsweise mit der Entwicklungsumgebung Bascom. Aber auch andere Programme wie PonyProg können für die Umstellung der Fusebits genutzt werden. Einmal eingestellte Fusebits bleiben bis zur erneuten Fusebit-Änderung erhalten. Der normale Programmiermodus verändert die Fusebits nicht.
Je nach AVR Controllertyp sind unterschiedliche Fusebits (Einstellungen) vorhanden. Die genaue Beschreibung findet man im jeweiligen Datenblatt. Da aber falsch gesetzte Fusebit-Einstellungen zu den häufigsten Problemen gehören (siehe auch unter dieser Tabelle), liste ich hier die Funktion der üblichen Fusebits nochmals genauer auf:
| CKSEL0, CKSEL1, CKSEL2, CKSEL3 | Die Kombination dieser 4 Fusebits bestimmt die Taktquelle des Controllers. Das kann eine interner Taktgenerator, ein Quarz, Quarzoszillator, RC-Glied und ähnliches sein. |
| JTAGEN | Hiermit wird die "On Chip Debugging" Schnittstelle aktiviert bzw. deaktiviert. Das sind die Bits mit den Bezeichnungen TDI, TDO, TMS und TCK. Möchte man diese Pins als normalen Port nutzen, so muss diese Schnittstelle immer deaktiviert werden. Alternativ kann man das JTAG aber auch per Software deaktivieren. |
| SUT0, SUT1 | Die sogenannte StartUp-Zeit (PowerOn delay). Diese Einstellung muss abhängig von der Art des Taktgenerators eingestellt werden, genaueres im jeweiligen Datenblatt. |
| SPIEN | Hiermit kann die serielle ISP-Programmierung, welche die meisten Programmierkabel nutzen, deaktiviert werden. Dies sollte man lieber vermeiden, denn wenn dieser Programmiermodus deaktiviert wurde, kann nur noch der Parallel-Programmiermodus genutzt werden. Der Parallel-Programmiermodus benötigt jedoch ein spezielles Programmiergerät, das die wenigsten Bastler besitzen. Also Vorsicht! |
| BODEN | Über dieses Bit wird der Brown-out Detector aktiviert bzw. deaktiviert. Dies ist eine Überwachung der Betriebsspannung, die dafür sorgt, dass bei zu geringer Spannung der Controller angehalten wird und dann ein ordentlicher RESET durchgeführt wird, wenn die Spannung wieder ausreicht. Dadurch wird verhindert, dass der Controller in einen undefinierten Zustand gerät (hängen bleibt), sich verrechnet oder versehentlich das EEPROM / Flash verändert. In der Regel sollte man daher den Brown-out Detector aktivieren. |
| BODLEVEL | Über dieses Bit (ggf. auch mehrere) wird festgelegt, ab welcher Spannung der Brown-out Detector anspricht. |
| BOOTRST | Gewöhnlich startet ein Programm im Controller nach einem RESET ab Adresse 0. Durch dieses Fusebit kann der Controller jedoch veranlasst werden, nach einem Reset einen sogenannten Bootloader-Bereich auszuführen. Ein Bootloader kann genutzt werden, um Controller über andere Schnittstellen (z.B. RS232) zu programmieren. |
| BOOTSZ0, BOOTSZ1 | Der zuvor genannte Bootloaderbereich kann bei AVR-Controllern verschieden groß sein. Über diese beiden Bits können vier verschiedene Größen eingestellt werden. Siehe unter Bootloader. |
| EESAVE | Dieses Bit legt fest, ob beim Programmieren des Controllers (man nennt es auch brennen) immer das EEPROM gelöscht werden soll. |
| CKOPT | Abhängig von den Einstellungen von CKSEL kann hier dir Oszillator-Verstärkung eingestellt werden. Genaueres im Datenblatt des jeweiligen Controllers. |
| CKDIV8 | Bei neueren µCs (aber etwa Mega88) stellt dieses Bit den Teiler für den Takt ein. Default ist dieses Bit aktiv, so dass der Takt des internen Oszillators von 8 MHz auf 1 MHz geteilt wird. |
| WDTON | Schaltet den WatchDog-Timer beim Booten ein/aus. Dies ist auch per Software möglich |
| RSTDISBL | Durch dieses Bit kann man den RESET-Pin deaktivieren und dann als normalen I/O-Port nutzen. Aber Vorsicht! Da die RESET-Leitung beim Programmieren (Brennen) des Chips genutzt wird, kann man nach dessen Deaktivierung den Controller mit den üblichen ISP-Adaptern nicht mehr programmieren. In diesem Fall könnte man zwar den Controlle noch mit speziellen Programmiergeräten im Parallelmodus programmieren, aber in der Praxis verfügen nur wenige Bastler über ein Programmiergerät, das dies leistet. |
| LB1, LB2 | Das sind die sogenannten Lockbits, mit denen sich das Auslesen des Flash- als auch EEPROM-Speichers verhindern läßt. Zwar können andere Anwender immer noch Daten lesen, allerdings handelt es sich dabei nicht mehr um den wirklichen Inhalt sondern lediglich um wirre Datenbytefolgen. Programmierer, die den erarbeiteten Code vor Raubkopierern schützen wollen, nutzen diese Lockbits. Das Programmieren ist auch bei gesetzen Lockbits noch möglich. Der Bootloader-Bereich wird nicht durch die Lockbits geschützt. |
| BLB01, BLB02 | Durch diese Bits kann der Code sogar vor dem Zugriff durch den Bootloader geschützt werden |
| BLB11, BLB12 | Diese Bits schützen den Bootloaderbereich selbst |
Wie man die Fusebits mit Bascom einstellt, wird im Beitrag Bascom - Erstes Programm in den AVR Controller übertragen erläutert.
Autoren des Artikels: Frank, Luma
Fusebits verstellt auf Externer Oszillator gehört zu den sehr häufigen Fehlern insbesondere bei Anfängern. Eine Möglichkeit, diesen Fehler mit einem Minimum an Hardware (minimalistisch gehts mit nur 1 Widerstand an einer EIA232-Schnittstelle) zu reparieren, ist hier vorgestellt: Fuse irrtümlich auf extern Takt?.
Siehe auch
Entwicklungsumgebungen
- Microsoft Visual Studio - Die kostenlose "Express Edition" setzt auf WinAVR und auf den GCC auf, compiliert über custom-build und generiert ein Script für Ponyprog
- Bascom - Basic-Entwicklungssystem
- Bascom - Erstes Programm in den AVR Controller übertragen
- avr-gcc - Leistungsfähiger AVR-Port des freien Compilers GCC
- WinAVR - Freies, kostenloses Werkzeugpaket mit avr-gcc, binutils, tools (make, Programmer's Notepad, avrdude, etc.) für MS-Windows.
- Linuxdistribution_Avr-live-cd
- AVR Assembler Einführung (AvrStudio)
- MikroPascal for AVR Sehr gute kommerzielle Pascal Entwicklungsumgebung. Der Compiler ist auch für PIC und andere Controller verfügbar.
Hardware
- AVR-ISP Programmierkabel - Bauanleitung für die AVR Controller Programmierkabel
- RN-Control - Eines der beliebtestet AVR-Boards im Roboternetz
- RNBFRA-Board - Größeres Board mit zwei Atmel Controllern
Sonstiges
Weblinks
