Микропроцессорные устройства

1.2 Архитектура микроконтроллеров ATmega16, 
программная модель 
В настоящее время в серийном производстве находятся три основных се-
мейства AVR – Tiny, Mega и xMega. Микроконтроллеры семейства Tiny (до 
20 МГц) имеют небольшой объем памяти программ и весьма ограниченную пе-
риферию и специально предназначены для систем, чувствительных к размерам 
и стоимости. Самые миниатюрные микросхемы tinyAVR имеют габариты 
1,5 1,4

мм. Их можно использовать в качестве одночиповых решений для ком-
пактных систем. Способны работать при напряжении питания выше 0.7 В, что 
соответствует одному аккумулятору питания. Они выпускаются в 8-выводных 
корпусах и являются самыми дешевыми. 
Более развитую периферию, бόльшие объемы памяти данных и программ 
имеют микроконтроллеры семейства Mega (до 20 МГц), которые рассматрива-
ются в данном курсе. Самая быстрая и дорогая линейка xMega (до 32 МГц) 
имеет в своем ядре аппаратные блоки шифрования AES/DES и расширенную 
периферию. 
Все микроконтроллеры построены на модифицированном фирмой AVR 
ядре RISC. Сама идея создания нового RISC-ядра родилась в 1994 г. в Норве-
гии. В 1995 г. два его изобретателя Альф Боген (Alf-Egil Bogen) и Вегард Вол-
лен (Vegard Wollen) предложили корпорации Atmel выпускать новый
8-разрядный RISC-микроконтроллер как стандартное изделие и снабдить его 
Flash-памятью программ на кристалле. Руководство Atmel Corp. приняло реше-

---

12 
ние инвестировать данный проект. В 1996 г. был основан исследовательский 
центр в городе Тронхейм (Норвегия). Оба изобретателя стали директорами но-
вого центра, а микроконтроллерное ядро было запатентовано и получило 
название AVR (Alf-Egil Bogen + Vegard Wollen + RISC). Первый опытный кри-
сталл 90S1200 был выпущен на рубеже 1996–1997 гг., а с 3-го квартала 1997 г. 
корпорация Atmel приступила к серийному производству нового семейства 
микроконтроллеров и их рекламной и технической поддержке. 
Рассмотрим линейку ATMega подробно. Основной нишей семейства 
ATMega являются дешевые конечные изделия общего пользования, не требу-
ющие серьезных вычислительных затрат и высокой скорости реакции: цифро-
вые платы индикации для отображения информации, обработчики клавиатуры, 
простейшие устройства управления шаговыми двигателями, преобразователь 
интерфейсов либо ретранслятор сигналов и т. п. Часто применяются в составе 
сложных изделий для уменьшения нагрузки на центральный высокопроизводи-
тельный микроконтроллер. 
Микроконтроллер выполняет одну полноценную инструкцию за один 
такт, что соответствует производительности 1 MIPS/МГц. Максимальная часто-
та работы составляет 16 МГц или 62,5 нс (1/16 МГц) на 1 простейшую опера-
цию. 
Микроконтроллер AVR ATmega16 содержит типовой набор периферий-
ных блоков (рис. 1.1): 

порты ввода/вывода, позволяют вывести 1 (5 вольт) либо 0 (земля) на 
ножку микросхемы; 

три внутренних таймера, позволяющих отсчитывать интервалы вре-
мени, по истечении которых выполнять определенные действия; 

широтно-импульсный модулятор (ШИМ), позволяет изменять скваж-
ность импульсов (их заполнение); 

один 10-битный АЦП позволяет сделать 1024 (210) сравнения при 
преобразовании аналогового сигнала; 

аналоговый компаратор для одной задачи; 

цифровые шины данных (UART, SPI, I2C) как для связи с другим кон-
троллером, так и с различными датчиками и устройствами; 

вспомогательные внутренние периферийные блоки (монитор питания, 
сторожевой таймер и т. д.). 

---

13 
Рис. 1.1 – Архитектура ATMega 16 

---

14 
Следует отметить, что данные блоки могут работать независимо друг от 
друга, т. е. если в основной программе запущены аналого-цифровой преобразо-
ватель, ШИМ и принимаются данные по интерфейсам, то производительность 
центрального процессора не уменьшится. Если каждый принятый, оцифрован-
ный либо выданный байт данных будет в основном коде программы обрабаты-
ваться, то это время обработки следует учесть. 
Специальные разновидности микросхем могут содержать внутренние 
блоки USB, Ethernet, радиомодем, более точный АЦП либо несколько одинако-
вых цифровых интерфейсов. Если стоит задача передавать данные по UART 
(COM Port) между несколькими устройствами, то следует выбрать нужную раз-
новидность контроллера, в котором имеются четыре аппаратных блока UART 
для реализации задачи. Однако цена у последнего будет выше, и, возможно, 
будет отсутствовать часть базового функционала. 
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
Контрольные вопросы по главе 1 
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
1. Назовите основные свойства, области использования и особенности 
микропроцессоров общего назначения. 
2. Приведите сравнительную характеристику RISC-архитектуры. 
3. Приведите сравнительную характеристику Принстонской архитекту-
ры (фон Неймана). 
4. Приведите сравнительную характеристику Гарвардской архитектуры. 
5. Дайте характеристику аспектов построения процессорного ядра. 

---

15