用ATmega8單片機設(shè)計串行編程器

通常進行單片機實驗和開發(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的存儲器中，隨著單片機技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了MTP（可多次編程）存儲器技術(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，只要通過計算機接口和一條串行下載線就可直接在目標芯片上編程。ATmega8就是一種具有MTP與ISP功能的單片機，他也是AVR單片機中價格性能比最高的單片機，因此研究他的串行編程特性對利用他的上述功能來開發(fā)應(yīng)用單片機有很高的實用價值。

1　ATmega8的體系結(jié)構(gòu)與主要性能特點

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

ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC（精簡指令集）結(jié)構(gòu)的8 b單片機。AVR單片機的核心是將32個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，實現(xiàn)了在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一條指令同時訪問（讀寫）2個獨立寄存器的操作。這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時間僅為一個時鐘周期。因此，ATmega8可以達到將近1 MIPS／MHz的性能，運行速度比普通的單片機高出10倍。

ATmega8的主要性能特點如下：

（1）高性能、低功耗的8 b AVR微控制器，先進的RISC精簡指令集結(jié)構(gòu)，130條功能強大的指令，大多數(shù)為單周期指令，32個8 b的通用工作寄存器，工作在16 MHz時具有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)存儲器

8 kB的Flash程序存儲器，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）豐富強大的外部接口性能

3個PWM通道，可實現(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I2C的串行接口，一個可編程的USART接口；一個支持主／從、收／發(fā)的SPI同步串行接口；2個帶預(yù)分頻的8 b定時／計數(shù)器，1個帶預(yù)分頻的16 b定時／計數(shù)

（4）特殊的微控制器性能

可控制的上電復(fù)位延時電路和可編程的欠電壓檢測電路；內(nèi)部和外部共18個中斷源；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

從上面的描述我們就對ATmega8有了一個總體的認識，ATmega8的在線可編程功能為單片機的設(shè)計和開發(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存儲器（而無需昂貴的仿真器）。并且可以自己來設(shè)計編程器，下面就以ATmega8作為處理芯片來設(shè)計一個串行編程器，也通過這個應(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機的串行口通過RS232引出3條線：RXD，TXD，GND用于PC機與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AVR單片機之間，以與SPI接口協(xié)議兼容的方式進行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。因此可以把串行編程器的處理芯片設(shè)計為主機，目標芯片就作為從機，這樣就可以實現(xiàn)2個單片機的數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)程序的燒寫過程。數(shù)據(jù)由主機發(fā)送從機接收。向主機的SPI數(shù)據(jù)寄存器 SPDR裝入待發(fā)送數(shù)據(jù)的寫操作，自動啟動SPI時鐘發(fā)生器，于是該數(shù)據(jù)便在時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，主機的 MSB將自MOSI（PB3）引腳輸出，經(jīng)從機的MOSI引腳進入其8 b移位寄存器中，占據(jù)最低位LSB的位置。同時，從機的MSB由MISO（PB4）引腳移出，通過主機的MISO引腳進入到主機移位寄存器中，作為他的 LSB位。這樣8個時鐘脈沖后，主機SPI移位寄存器中的內(nèi)容就完全送給了從機。圖2為主從機通信流程圖?！　?/p>

（3）具體的工作過程

把圖2的ATmega8設(shè)為主機，PB3（MOSI），PB4（MISO），PB6（SCK），PB1管腳用于控制對目標芯片的寫入。PB1引腳控制單片機的Reset，只有當(dāng) Reset被拉為低時單片機才進入串行編程模式。從機的所有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鐘，他在上電期間必須為低電平，這樣才能保證主機芯片和從機芯片的87時鐘同步，因此上電期間給Reset一個正脈沖（至少2個 XTAL1時鐘周期）以保證SCK的低電平，這可以通過軟件來實現(xiàn)。PB3（MOSI）引腳用于將程序送入從機中。數(shù)據(jù)在SCK的上升沿被輸入，從機的 Reset被拉低后，總是將他的MOSI設(shè)為上拉禁止的輸入狀態(tài)，用于從主機接收數(shù)據(jù)。當(dāng)從從機中讀取數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)在SCK的下降沿輸出。設(shè)計硬件時要保證從機的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。