1.3 ATmega128系列单片机
ATmega128位微控制器是ATMEL推出的AVR单片机中的高档产品，具有高速低功耗、超强功能、精简指令的特点，能够同时读、写。在执行指令的同时，通过SPI、UART或两线接口对快闪存储器进行编程或重新编程。ATmega128在实际应用中有着非常强大的功能，本书将以AVR单片机中的高档产品——ATmega128单片机为主线进行介绍，使读者通过本书的学习，能够熟练掌握ATmega128单片机的应用。
1.3.1 ATmega128单片机的特点
ATmega128单片机具有133条指令，大多数指令可以在一个时钟周期内完成，而且有32个8位通用工作寄存器及外设控制寄存器，克服了一般单片机单一累加器数据处理带来的瓶颈现象，从而使得指令代码更加灵活，编码更容易。ATmega128单片机除具有先进的RISC结构外，还具有以下优点。
①非易失性的程序和数据存储器。ATmega128单片机具有128KB的系统内可编程Flash，寿命为10000次写/擦除周期。具有独立锁定位和可选择的启动代码区。可通过片内的启动程序实现系统内编程真正的读-修改-写操作，而且包括寿命为100000次写/擦除周期的4KB E2PROM及4KB的内部SRAM，有多达64KB的优化的外部存储器空间。ATmega128单片机可以对锁定位进行编程以实现软件加密，并可以通过SPI实现系统内编程。
②JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容）。ATmega128单片机遵循JTAG标准的边界扫描功能，支持扩展的片内调试，可以通过JTAG接口实现对Flash、E2PROM、熔丝位和锁定位的编程。
③外设特点。ATmega128单片机具有两个包含独立的预分频器和比较器功能的8位定时/计数器，两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时/计数器，并且具有独立预分频器的实时时钟计数器，同时含有两路8位PWM，6路分辨率可编程（2～16位）的PWM，8路10位转换器，面向字节的两线接口，两个可编程的串行USART，可工作于主机/从机模式的SPI串行接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，输出比较调制器，片内模拟比较器等外设。
④特殊的处理器特点。ATmega128单片机具有上电复位以及可编程的掉电检测，片内经过标定的RC振荡器，片内/片外中断源可以通过软件进行选择的时钟频率，通过熔丝位可以选择ATmega103兼容模式和全局上拉禁止功能及6种睡眠模式。6种睡眠模式分别为空闲模式、ADC噪声抑制模式，省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式。
⑤ATmega128L工作电压范围为2.7～5.5V，系统时钟为0～8MHz，ATmega128工作电压范围为4.5～5.5V，系统时钟为0～16MHz，而且ATmega128具有整套的开发工具，包括C编译器、宏汇编、程序调试器/仿真器和评估板。
1.3.2 ATmega128与ATmega103的兼容性
ATmega128是一个高度复杂的微处理器，它的I/O数目为AVR指令集所保留的64个I/O的超集。为了保持其与ATmega103的兼容性，所有ATmega103的I/O位置与ATmega128的相同。多数添加的I/O位于＄60～＄FF扩展的I/O空间（也就是位于AT-mega103的内容RAM空间）。这些地址可以通过指令LD/LDS/LDD和ST/STS/STD来访问，而不是IN/OUT指令。内部RAM空间的变换对ATmega103用户来说仍然是个问题。此外，当程序代码使用了绝对地址时，逐渐增多的中断向量也可能是个问题。为了解决这些问题，ATmega128设置了一个熔丝位M103C。通过对熔丝位进行编程就可以使ATmega128工作于ATmega103兼容模式。此时扩展I/O空间将无法使用，而内部RAM正好与ATmega103的一致。同时扩展的中断向量也被取消了。
熔丝位M103C的配置将设定ATmega128是否以与ATmega103兼容的方式工作，兼容性主要表现在RAM、I/O引脚和中断向量上。ATmega128在出厂时M103C默认状态为“0”，即默认与ATmega103兼容方式工作。但是，在这种兼容模式下，ATmega128的以下一些新特点将起作用。
ATmega128新特点如下：
①只剩下一个USART，支持异步模式。只有低8位的波特率寄存器可用。
②一个16位的定时/计数器有两个比较器寄存器，而不是两个16位定时/计数器有三个比较寄存器。
③不支持两线串行接口。
④端口C只能用作输出。
⑤端口G只能用作第二功能，而不能作通用I/O端口。
⑥端口F只能作为输入引脚，而不能作ADC的模拟输入引脚。
⑦不支持引导程序功能。
⑧不能够校准片内RC振荡器的频率。
⑨在外部存储器接口不能释放任何地址引脚作为通用I/O，也不能够为不同的外部存储器地址区配置不同的等待周期。
此外，下面的特性使ATmega128更兼容ATmega103。
①只有EXTRF和PORF存在于状态寄存器MCUCSR里。
②改变看门狗溢出时间没有时序要求。
③外部中断引脚3～0只能作为电平中断。
④USART没有FIFO缓冲器。
在写操作中，ATmega103没有使用I/O应该写。
1.3.3 ATmega128单片机的引脚配置
ATmega128单片机有64个引脚，其中包含53个可编程I/O端口线，且多数端口都含有第二功能。共封装有TQFP与MLF两种，这两种封装的64引脚布局均相同，如图1-2所示，但是引脚的位置及引脚的同间距有所差别，在绘制电路板时要加以注意。
图1-2 ATmega128单片机的引脚
ATmega128单片机各引脚说明如下。
（1）VCC 数字电路的电源。
（2）GND 地。
（3）端口A（PA7～PA0） 端口A为8位双向I/O，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口A为三态。
（4）端口B（PB7～PB0） 端口B为8位双向I/O，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口B为三态。
（5）端口C（PC7～PC0） 端口C为8位双向I/O，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口C为三态。
（6）端口D（PD7～PD0） 端口D为8位双向I/O，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口D为三态。
（7）端口E（PE7～PE0） 端口E为8位双向I/O，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口E为三态。
（8）端口F（PF7～PF0） 端口F为8位双向I/O，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口F为三态。
（9）端口G（PG7～PG0） 端口G为8位双向I/O，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口G为三态。
（10）RESET 复位输入引脚。超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。低于此时间的脉冲不能保证可靠复位。
（11）XTAL1 反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入。
（12）XTAL2 反向振荡器放大器的输出。
（13）AVCC 端口F以及ADC转换器的电源。需要与VCC相连接，即使没有使用ADC也应如此。使用ADC时应该通过一个低通滤波器与VCC连接。
（14）AREF ADC的模拟基准输入引脚。
（15）PEN SPI串行下载的使能引脚。在上电复位时保持PEN为低电平将使器件进入SPI串行下载模式。在正常工作过程中PEN引脚没有其他功能。
1.3.4 ATmega128单片机的结构
ATmega128单片机为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间。ATmega128的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而缓减了系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
ATmega128单片机的内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，所有的寄存器直接与算术逻辑单元（ALU）相连接，使得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。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高10倍的数据吞吐率。ATmega128单片机的总体结构框图如图1-3所示。
图1-3 ATmega128单片机的总体结构框图
ATmega128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。同时有降低功耗抗干扰的休眠模式、中断系统、输入捕获/输出比较、多样化功能的定时/计数器以及具有替换功能的I/O端口。
ATmega128单片机性能十分强大，内部结构相对比较复杂，其总体结构包括以下几个部分，分别介绍如下。
（1）快速存取RISC寄存器 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。
（2）32个通用工作寄存器 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，它们分别为X寄存器、Y寄存器、Z寄存器。
（3）Harvard结构 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。为了最大限度地提高并行处理的运行效率，它采用了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，可直接访问全部的数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被提取处理，提高了MCU的运行效率。
（4）算术逻辑单元（ALU） 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，每一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，即每个程度存储器地址都包含一条16位或32位指令。
（5）程序存储器 AVR的程序存储器空间由引导程序区和应用程序区组成。它们的读和读/写保护由对应的锁定位来实现。
（6）I/O存储器 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。
（7）多种独立的时钟分频器 多种独立的时钟分频器为串行步通信（URAT）、SPI提供传输。8/16位定时/计数器可用作比较器、计数器外部中断和PWM的控制输出。AVR单片机定时/计数器（单）双向计数形成三角波与输出比较匹配寄存器配合，可以生成占空比、频率、相位可变的方波信号。
（8）其他电路 AVR单片机有自动上电复位电路（POR）、独立的看门狗电路（WDT）、低电压检测电路BOD，多个复位源，只需在复位端接一个上拉电阻即可实现复位，不需要另加外部复位器件。