1.2 AVR单片机的基本结构
如图1-1所示为AVR单片机的结构框图。AVR单片机抛弃了复杂指令计算机指令（CISC），采用精简指令集（RISC），一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器，并以字作为指令长度单位，具有取值周期短、可预取指令的特点，可达到IMIPS/MHz的高速运行处理能力。
图1-1 AVR单片机结构框图
快速存取RISC寄存器是由AVR的内核中的32个通用工作寄存器构成的，在一个时钟周期内可执行一个完整的ALU操作，操作流程为：先从寄存器中取出操作数，执行操作，最后将操作结果放回目的寄存器中。通用寄存器还可以代替累加器，克服了采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象，同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。
在32个通用工作寄存器中，有6个可以用作3个16位的间接地址寄存器指针以寻址数据空间，实现高效的地址运算，它们分别称为X寄存器、Y寄存器、Z寄存器，其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。
AVR单片机采用CMOS技术，具有高速度、低功耗的特点，同时还具有休眠（SLEEP）功能。为了最大限度的提高并行处理的运行效率，它运用了Harvard结构，即程序存储器和数据存储器使用不同的存储空间和总线，可直接访问全部的灵敏据存储器和程序存储器，寄存器文件被双向映射并能被访问，算术逻辑单元（ALU）在执行某一指令时，下一个指令被预先从程序存储器中提取处理，提高了MCU的运行效率。
算术逻辑单元（ALU）支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算，以及单一寄存器操作，每次的运算结果都通过状态寄存器（SREG）反映出来。
程序流程通过有/无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而直接寻址整个地址空间，大多数指令长度为16位，也即每个程序存储器地址都包含一条16位和32位的指令。
AVR的程序存储器空间分为引导程序区和应用程序区。它们的读和读/写保护由对应的锁定位来实现。用于写应用程序区的SPM指令必须位于引导程序区。
AVR单片机内嵌高质量的可擦写10000次的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和LAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。内嵌可擦写10000次的E2PROM。可多次更改程序，快速完成商品化。片内大容量的RAM可有效支持使用高级语言开发系统程序，并可扩展外部RAM。
在中断和子程序调用过程中，程序计数器（PC）中返回地址被保存在堆栈之中，而堆栈处于数据存储器（SRAM）中，因此堆栈的大小只受系统总的静态存储器（SRAM）的大小及其使用情况的限制。
AVR存储器空间为线性的平面结构。它具有一个灵活的中断模块，每个中断都对应一个中断入口地址，各个中断的优先级与其在中断入口地址有关，中断入口地址越小，中断优先级就越高。
I/O存储器空间包含64个I/O寄存器空间，它们用来控制MCU的各个外围功能。映射到数据空间即为寄存器文件之后的地址为$20～$5F。
AVR单片机的I/O线带有可设置的上拉电阻，可单独设定为输入/输出，作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10～20mA（吸入输出）；作输出时可输出40m（单一输出）大电流，可直接驱动固态继电器（SSR），内置看门狗定时装置（WDT），使得I/O口资源灵活，产品抗干扰能力强。
AVR单片机内具备多种独立的时钟分频器，可以提供给串行异步通信（URAT）、SPI传输功能使用。8/16位定时/计数器可作比较器、计数器外部中断和PWM用于控制输出。AVR单片机的定时/计数器进行（单）双向计数形成三角波，并与输出比较匹配寄存器配合，可生成占空比、频率、相位都可变的方波信号。
AVR单片机有自上电复位电路（POR）、独立的看门狗电路（WDT）、低电压检测电路BOD，多个复位源，只要在复位端接一个上拉电阻就可以了，不需要外接外部复位器件。
AVR单片机具有Flash程序存储器、看门狗、E2PROM、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D模数转换器、定时/计数器等多种器件和增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式，品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时/计数器、具替换功能的I/O端口多种功能，性能十分强大，内部结构比较复杂。