用ATmega8單片機(jī)設(shè)計(jì)串行編程器

通常進(jìn)行單片機(jī)實(shí)驗(yàn)和開發(fā)，編程器是必不可少的。仿真、調(diào)試完的程序要借助編程器寫入單片機(jī)的存儲(chǔ)器中，隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了MTP（可多次編程）存儲(chǔ)器技術(shù)和ISP（在系統(tǒng)可編程）技術(shù)，這樣就可以省去昂貴的仿真器，只要通過計(jì)算機(jī)接口和一條串行下載線就可直接在目標(biāo)芯片上編程。ATmega8就是一種具有MTP與ISP功能的單片機(jī)，他也是AVR單片機(jī)中價(jià)格性能比最高的單片機(jī)，因此研究他的串行編程特性對(duì)利用他的上述功能來開發(fā)應(yīng)用單片機(jī)有很高的實(shí)用價(jià)值。

1　ATmega8的體系結(jié)構(gòu)與主要性能特點(diǎn)

ATmega8是ATMEL公司在2002年推出的一款新型的AVR高檔單片機(jī)，他的芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具備 AVR高檔單片機(jī)MEGE系列的全部性能和特點(diǎn)。但由于采用了小引腳封裝（為 DIP28和TQFP／MLF32），所以價(jià)格僅和低檔單片機(jī)相當(dāng)，再加上AVR單片機(jī)的系統(tǒng)內(nèi)在可編程特性，使得無需購(gòu)買昂貴的仿真器，只需要一條具有編程器功能的串行下載線就可以進(jìn)行單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC（精簡(jiǎn)指令集）結(jié)構(gòu)的8 b單片機(jī)。AVR單片機(jī)的核心是將32個(gè)工作寄存器和豐富的指令集連接在一起，所有的工作寄存器都與ALU（算術(shù)邏輯單元）直接相連，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一條指令同時(shí)訪問（讀寫）2個(gè)獨(dú)立寄存器的操作。這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時(shí)間僅為一個(gè)時(shí)鐘周期。因此，ATmega8可以達(dá)到將近1 MIPS／MHz的性能，運(yùn)行速度比普通的單片機(jī)高出10倍。

ATmega8的主要性能特點(diǎn)如下：

（1）高性能、低功耗的8 b AVR微控制器，先進(jìn)的RISC精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，130條功能強(qiáng)大的指令，大多數(shù)為單周期指令，32個(gè)8 b的通用工作寄存器，工作在16 MHz時(shí)具有16 MIPS的性能。

（2）片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

8 kB的Flash程序存儲(chǔ)器，可擦寫次數(shù)大于10 000次；512 B的E2RROM，擦寫次數(shù)至少100 000次；支持可在線編程（ISP）和可應(yīng)用自編程（IAP）；可編程的程序加密位。

（3）豐富強(qiáng)大的外部接口性能

3個(gè)PWM通道，可實(shí)現(xiàn)任意16 b以內(nèi)的、相位和頻率可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制輸出；6通道A／D轉(zhuǎn)換；一個(gè)I2C的串行接口，一個(gè)可編程的USART接口；一個(gè)支持主／從、收／發(fā)的SPI同步串行接口；2個(gè)帶預(yù)分頻的8 b定時(shí)／計(jì)數(shù)器，1個(gè)帶預(yù)分頻的16 b定時(shí)／計(jì)數(shù)

（4）特殊的微控制器性能

可控制的上電復(fù)位延時(shí)電路和可編程的欠電壓檢測(cè)電路；內(nèi)部和外部共18個(gè)中斷源；5種休眠模式（空閑，ADC噪聲抑制，省電，掉電，待命）。

2　串行編程器的設(shè)計(jì)

從上面的描述我們就對(duì)ATmega8有了一個(gè)總體的認(rèn)識(shí)，ATmega8的在線可編程功能為單片機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了極大的方便，工程人員可以編譯完程序后直接通過編程器將程序?qū)懭隖lash存儲(chǔ)器（而無需昂貴的仿真器）。并且可以自己來設(shè)計(jì)編程器，下面就以ATmega8作為處理芯片來設(shè)計(jì)一個(gè)串行編程器，也通過這個(gè)應(yīng)用的例子來介紹一下ATmega8的具體應(yīng)用。

（1）硬件電路，串行編程器的電路原理圖如圖1所示。

從PC機(jī)的串行口通過RS232引出3條線：RXD，TXD，GND用于PC機(jī)與ATmega8的通信。最右端的5條線分別與要寫入程序的芯片相連。

（2）串行編程器的工作原理

ATmega8的同步串行接口SPI允許在幾個(gè)AVR單片機(jī)之間，以與SPI接口協(xié)議兼容的方式進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。因此可以把串行編程器的處理芯片設(shè)計(jì)為主機(jī)，目標(biāo)芯片就作為從機(jī)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)程序的燒寫過程。數(shù)據(jù)由主機(jī)發(fā)送從機(jī)接收。向主機(jī)的SPI數(shù)據(jù)寄存器 SPDR裝入待發(fā)送數(shù)據(jù)的寫操作，自動(dòng)啟動(dòng)SPI時(shí)鐘發(fā)生器，于是該數(shù)據(jù)便在時(shí)鐘脈沖的控制下開始逐位左移或右移。若設(shè)定最高位MSB先傳送，主機(jī)的 MSB將自MOSI（PB3）引腳輸出，經(jīng)從機(jī)的MOSI引腳進(jìn)入其8 b移位寄存器中，占據(jù)最低位LSB的位置。同時(shí)，從機(jī)的MSB由MISO（PB4）引腳移出，通過主機(jī)的MISO引腳進(jìn)入到主機(jī)移位寄存器中，作為他的 LSB位。這樣8個(gè)時(shí)鐘脈沖后，主機(jī)SPI移位寄存器中的內(nèi)容就完全送給了從機(jī)。圖2為主從機(jī)通信流程圖?！　?/p>

（3）具體的工作過程

把圖2的ATmega8設(shè)為主機(jī)，PB3（MOSI），PB4（MISO），PB6（SCK），PB1管腳用于控制對(duì)目標(biāo)芯片的寫入。PB1引腳控制單片機(jī)的Reset，只有當(dāng) Reset被拉為低時(shí)單片機(jī)才進(jìn)入串行編程模式。從機(jī)的所有I／O引腳都處于輸入狀態(tài)且上拉電阻被禁止。PB6（SCK）引腳用于提供串行編程的時(shí)鐘，他在上電期間必須為低電平，這樣才能保證主機(jī)芯片和從機(jī)芯片的87時(shí)鐘同步，因此上電期間給Reset一個(gè)正脈沖（至少2個(gè) XTAL1時(shí)鐘周期）以保證SCK的低電平，這可以通過軟件來實(shí)現(xiàn)。PB3（MOSI）引腳用于將程序送入從機(jī)中。數(shù)據(jù)在SCK的上升沿被輸入，從機(jī)的 Reset被拉低后，總是將他的MOSI設(shè)為上拉禁止的輸入狀態(tài)，用于從主機(jī)接收數(shù)據(jù)。當(dāng)從從機(jī)中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)在SCK的下降沿輸出。設(shè)計(jì)硬件時(shí)要保證從機(jī)的Reset，SCK，MOSI，MISO這4根線能被編程器自由地置高置低，否則不可能進(jìn)行在片編程。具體的命令字格格式可參照ATmega8 manual中所給出的串行編程命令表。

（4）軟件設(shè)計(jì)

編程器的軟件分為兩部分，即上層程序和下層程序。上層程序在PC機(jī)上運(yùn)行，用VB編寫，來完成HEX文件的發(fā)送。下層程序用C語言編寫，可通過下載線下載到ATmega8（主機(jī)）中；完成接收HEX文件和寫入、讀及擦除功能。

寫芯片下層程序?qū)EX文件傳送給ATmega8。HEX文件的文件結(jié)構(gòu)是由匯編程序的指令并用ASCII碼表示的文本文件，他由若干數(shù)據(jù)幀組成，每幀的結(jié)構(gòu)順序?yàn)椋簲?shù)據(jù)長(zhǎng)度、高位地址、低位地址、數(shù)據(jù)屬性、數(shù)據(jù)及校驗(yàn)和。因?yàn)锳SCII碼是一個(gè)4位的二進(jìn)制數(shù)，每2個(gè)ASCII碼合起來才能用1 B表示，所以要先把HEX文件轉(zhuǎn)換后，再發(fā)送。發(fā)送過程中對(duì)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和是由每一幀的校驗(yàn)和與該幀的最后兩位相比較完成的。下層程序完成接收HEX文件和寫目標(biāo)芯片，其過程為先接收HEX文件存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，根據(jù)地址將數(shù)據(jù)寫入目標(biāo)芯片的存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)存放以高位地址、低位地址和數(shù)據(jù)為順序存放，所以在讀取時(shí)要嚴(yán)格按順序讀取。寫程序的流程圖如圖3所示。

讀芯片　讀芯片的過程是通過編程器將目標(biāo)芯片中的數(shù)據(jù)送PC機(jī)，PC機(jī)收到數(shù)據(jù)后保存在一個(gè)文件里。下層用C編寫控制主機(jī)從從機(jī)讀取數(shù)據(jù)，上層用VB實(shí)現(xiàn)，調(diào)用MSCOMM和COMMDIAL即可完成對(duì)數(shù)據(jù)的接收及存儲(chǔ)。讀芯片的流程圖如圖4所示。

在數(shù)據(jù)的傳送過程中，要絕對(duì)保證數(shù)據(jù)不丟失。通常采用2種方法：一種是延時(shí)，即寫入數(shù)據(jù)后等待一段時(shí)間再寫入下一個(gè)數(shù)據(jù)；另一種是采用數(shù)據(jù)校驗(yàn)技術(shù)，就是在寫入數(shù)據(jù)后再讀數(shù)據(jù)然后判斷是否正確寫入。但是這兩種方法都存在缺陷，第1種時(shí)間太長(zhǎng)并且不能保證寫入數(shù)據(jù)的完全正確，第2種方法當(dāng)要寫入的數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器的原始數(shù)據(jù)相同時(shí)就判斷失效?？梢园堰@兩種方法有機(jī)地結(jié)合起來，從而保證數(shù)據(jù)不丟失。具體的過程如下：

當(dāng)向Flash的某一地址寫入數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)寫入完畢，允許寫下一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，讀取這一地址的數(shù)據(jù)，如果讀到的數(shù)據(jù)不是0xFF（程序被擦除后，存儲(chǔ)單元里的數(shù)據(jù)都為0xFF），就再繼續(xù)接著向存儲(chǔ)器里寫數(shù)據(jù)，如果讀到的數(shù)據(jù)是0xFF，就再重新寫數(shù)據(jù)再校驗(yàn)。但是當(dāng)要向存儲(chǔ)器里寫的數(shù)據(jù)正好是 0xFF時(shí)，用這種方法就出錯(cuò)，這時(shí)可以通過程序控制在檢驗(yàn)到讀出數(shù)據(jù)為0xFF時(shí)，再連續(xù)實(shí)行2次這樣的操作，如果讀出數(shù)據(jù)還是0xFF，就采取延時(shí)的方法處理后，再接著進(jìn)行對(duì)Flash的操作。

擦除芯片　對(duì)芯片擦除就是對(duì)芯片重新固化?？梢酝ㄟ^控制編程引腳高低電平來實(shí)現(xiàn)，但是加控制信號(hào)時(shí)間太短的話，無法擦除干凈，如果過長(zhǎng)就容易燒壞芯片。

其實(shí)擦除的結(jié)果是所有地址里的數(shù)據(jù)都為0xFF，這樣也就是說可以通過向存儲(chǔ)器里寫0xFF操作來實(shí)現(xiàn)擦除，本設(shè)計(jì)采取這種方法就避免了因?yàn)檫x擇控制信號(hào)時(shí)間不合適而導(dǎo)致的一些問題。

3　結(jié)　語

本文介紹了ATmega8這款A(yù)VR高檔單片機(jī)，并論述了他的串行下載特性和串行編程器的工作原理；同時(shí)提出了新的串行編程數(shù)據(jù)校驗(yàn)方法和程序擦除方法。MTP（可多次編程）和ISP（在系統(tǒng)編程）技術(shù)給單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)提供了很大的方便和靈活性，利用這兩種技術(shù)可以直接在電路板上反復(fù)進(jìn)行下載調(diào)試，甚至可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線升級(jí)，因此對(duì)單片機(jī)編程特性的研究有很高的實(shí)用價(jià)值。

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