2.6 ATmega16单片机的工作状态
对采用单片机所构成的嵌入式电子系统来讲，单片机芯片构成了嵌入式系统的“心脏”，整个系统的正常工作是由单片机来控制、指挥和协调的。可以这样简单地理解：将一块单片机，加上必要的外围电路（如发光二极管、显示器、继电器、按键键盘等），以及根据一定功能要求和硬件电路编写的系统运行程序，三者有机的结合，就能组成各种类型、各种功能、千姿百态的电子系统和产品。如果把电子产品比喻为人，那么单片机就是人的大脑和心脏，外围电路就如同人的五官和四肢，电路板上的路线如同人的神经系统，而系统运行程序就代表人的知识、思维、判断和反应。外围电路通过各种不同的传感器，测量和获取到现实世界的状态（如温度、转速、压力），这些状态值经过线路传送到单片机中，由单片机中的程序进行计算和判断，然后再发出控制信号到外围电路，外围的控制机构产生正确的动作。
AVR单片机的工作状态通常包括：复位状态、正常程序执行工作状态、休眠节电工作状态、程序运行代码下载的编程，以及熔丝位的配置。用户必须非常熟悉和了解AVR单片机的这些工作状态和它们之间的转换关系。
2.6.1 AVR单片机最小系统
一个单片嵌入式系统的核心，其实就是一个单片机最小系统。它仅仅由一片单片机芯片、两个电阻、一个石英晶体和两个电容构成，如图2-13所示。
图2-13所示的几个器件所构成的最小系统，就是一颗单片嵌入式系统完整的“心脏”和“大脑”，已经可以工作了。学过51单片机的读者可能会发现，这个最小系统里没有复位电路和晶振。是的，在前文中已经讲到，AVR单片机出厂熔丝配置成内部RC 1MHz时钟，当然AVR单片机内部还带有上电复位电路，所以最小系统才会这么简单。
图2-13 ATmega16最小系统电路图
2.6.2 AVR单片机的复位源和复位方式
复位是单片机芯片本身的硬件初始化操作，例如，单片机在上电开机时都需要复位，以便CPU以及其他内部功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个初始状态开始工作。
除了系统上电的正常复位初始化之外，当系统程序在运行中出现错误或受到电源的干扰出现错误时，也可通过外部引脚RESET进行人工复位，或由芯片内部看门狗定时器（WDT）自动复位，或由芯片内部掉电检测（BOD）来使系统自动进入复位初始化操作。
图2-14所示的电路给出了ATmega16系统的复位逻辑，表2-2给出了复位电特性的参考值。
图2-14 ATmega16系统复位逻辑图
ATmega16单片机共有5个复位源，如下所示：
1）上电复位。当系统电源电压低于上电复位门限VPOT时，MCU复位。
2）外部复位。当外部引脚RESET为低电平，且低电平持续时间大于1.5μs时，MCU复位。
3）掉电检测（BOD）复位。BOD使能时，且电源电压低于掉电检测复位门限（4.0V或2.7V）时，MCU复位。
4）看门狗复位。WDT使能时，并且WDT超时溢出时，MCU复位。
5）JTAG AVR复位。当使用JTAG接口时，可由JTAG口控制MCU复位。
表2-2 系统复位电参数
当任何一个复位信号产生时，AVR单片机将进行复位操作。复位操作过程并不需要时钟源处于运行工作状态（AVR单片机采用异步复位方式，提高了可靠性）。在MCU复位过程中，所有的I/O寄存器被设为初始值，程序计数器（PC）置0。当系统电压高于上电复位门限VPOT（或BOD复位门限电压）时，复位信号撤销，硬件系统Delay Counters将启动一个可设置的计数延时过程（延时时间为tTOUT，由一组熔丝位SUT、CKSEL确定）。经过一定的延时后，AVR单片机才进行系统内部真正的复位启动。采用这种形式的复位启动过程，能够保证电源电压在达到稳定后单片机才进入正常的指令操作。
AVR单片机复位启动后，由于程序计数器（PC）置为$0000，因此CPU取出的第一条指令就是在Flash存储器空间的$0000处，即复位后系统程序从地址$0000处开始执行（指非BOOT LOAD方式启动）。通常在$0000地址中放置的指令为一条相对转移指令RJMP或JMP，跳到主程序的开始。这样，系统复位启动后，首先执行$0000处的跳转指令，然后转到执行主程序的指令。
由此可见，AVR单片机的复位过程考虑得非常周到，也是非常可靠的。AVR单片机采用5个复位源，异步复位操作，以及内部可设置的延时启动，大大提高了芯片的抗干扰能力和整个系统的可靠性，这在工业控制中非常重要，同时也是AVR单片机的优点之一。与此同时，AVR单片机内部的MCU控制和状态寄存器MCUCSR还将引起复位的复位源进行了记录，用户程序启动后，可以读取MCUCSR中的标记，查看复位是由于何种情况造成的，是正常复位还是异常复位，从而根据实际情况执行不同的程序，实现不同的处理。这对于实现高可靠的系统控制、掉电保护处理、故障处理等应用非常有用，具体请参考AVR单片机的器件手册说明。
1.上电复位
AVR单片机内部含有上电复位（Power On Reset，POR）电路。POR电路确保了只有当VCC超过一个安全电平时，器件才开始工作，如图2-15、图2-16所示。
无论何时，只要VCC低于检测电平VPOT时，器件进入复位状态。一旦当VCC超过门限电压VPOT，而RESET电压也达到VRST时，将启动芯片内部的一个可设置的延时计数器。在延时计数器溢出之前，器件一直保持复位状态（保持高电平）。经过tTOUT时间后，延时计数器溢出，将内部复位信号拉低，CPU才开始正式工作。
2.外部复位
外部复位是由外加在RESET引脚上的低电平产生的。当RESET引脚被拉低于VRST的时间大于1.5μs时即触发复位过程，如图2-17所示。当RESET引脚电平高于VRST后，将启动内部可设置的延时计数器。在延时计数器溢出之前，器件一直保持复位状态（保持高电平）。经过tTOUT时间后，延时计数器溢出，将内部复位信号拉低，CPU才开始正式工作。
图2-16 MCU上电复位启动，RESET由外部控制
图2-17 外部RESET复位
3.掉电检测（BOD）复位
ATmega16有一个片内的BOD（Brown Out Detection）电源检测电路，用于在系统运行时对系统电压VCC的检测，并与一个固定的阈值电压相比较。BOD检测阈值电压可以通过BODLEVEL熔丝位设定为2.7V或4.0V。BOD检测阈值电压有迟滞效应，以避免系统电源的尖峰毛刺误触发BOD检测器。阈值电平的迟滞效应可以理解为上阈值电压VBOT+=VBOT+VHYST/2，下阈值电压VBOT-=VBOT-VHYST/2。
BOD检测电路可以通过编程BODEN熔丝位来置成有效或者无效。当BOD被置成有效，并且VCC电压跌到下阈值电压VBOT-（见图2-18）以下时即触发复位过程，CPU进入复位状态。当VCC回升，而且超过上阈值电压VBOT+后，再经过设定的启动延时时间，CPU重新启动运行。注意，只有当VCC电压低于阈值电压并且持续tBOD后，BOD电路才启动延时计数器计数。
图2-18 掉电检测（BOD）复位
4.看门狗复位
ATmega16片内还集成一个独立的看门狗定时器（WDT）。该WDT由片内独立的1MHz振荡器提供时钟信号，并且可用专用的熔丝位或由用户通过指令控制WDT的启动和关闭，以及设置和清零计数值。当WDT启动计数后，一旦发生计数溢出，它将触发产生一个时钟周期宽度的复位脉冲。脉冲的上升沿将使器件进入复位状态，脉冲的下降沿启动延时计数器计数，经过设定的启动延时时间，CPU重新开始运行（见图2-19）。使用WDT功能，可以防止系统受到干扰而引起的程序运行紊乱和跑飞，提高了系统的可靠性。
图2-19 WDT溢出复位
2.6.3 对AVR单片机的编程下载
现在，单片机系统程序的编写、开发和调试都是借助于个人计算机（PC）完成的。用户首先在PC上通过使用专用单片机开发软件平台，编写由汇编语言或高级语言构成的系统程序（源程序），再由编译系统将源程序编译成单片机能够识别和执行的运行代码（目标代码）。运行代码的本身是一组二进制的数据，在PC中对于纯二进制码的数据文件一般是采用BIN格式保存的，以“bin”作为文件的扩展名。但是实际使用中，通常使用的是一种带定位格式的二进制文件（HEX格式的文件），一般以“hex”作为文件的扩展名。
对单片机的编程操作，通常也称为程序下载，是指以特殊手段和软硬件工具，对单片机进行特殊的操作，以实现下面的3种功能：
1）将在PC上生成的该单片机系统程序的运行代码写入单片机的程序存储器中。
2）用于对片内的Flash、EEPROM进行擦除、数据的写入（包括运行代码）和数据的读出。
3）实现对AVR单片机配置熔丝位的设置、芯片型号的读取、加密位的锁定等。
AVR单片机支持多种形式的编程下载方式：
（1）高压并行编程方式
对于外围引脚数大于20的AVR单片机芯片，一般都支持这种高压并行编程方式。这种编程方式也是最传统的单片机的程序下载方式，其优点是编程速度快。但使用这种编程方式需要占用芯片众多的引脚和12V的电压，所以必须采用专用的编程器单独对芯片操作。这样AVR单片机芯片必须从PCB上取下来，不可以实现芯片在线（板）的编程操作，因此这种方式不适合系统调试过程以及产品的批量生产需要。
（2）串行编程方式（ISP）
串行编程方式是通过AVR单片机芯片本身的SPI或JTAG串行口实现的，由于编程时只需要占用比较少的外围引脚，所以可以实现芯片的在系统编程（In System Programmable，ISP），不需要将芯片从PCB上取下来，所以串行编程方式也是最方便和最常用的编程方式。
串行编程方式还细分成SPI、JTAG方式，前者表示通过芯片的SPI串口实现对AVR单片机芯片的编程操作，后者则是通过JTAG串口来实现的。AVR单片机的许多芯片都同时集成有SPI和JTAG两种串口，因此可以同时支持SPI和JTAG的编程。使用JTAG方式编程的优点是，通过JTAG串口还可以实现系统的在片实时仿真调试（On Chip Debug），缺点是需要占用AVR单片机的4个I/O引脚。而采用SPI方式编程，只需要一根简单的编程电缆，同时可以方便地实现I/O口的共用，因此是最常使用的方式。其不足之处是不能实现系统的在片实时仿真调试。
（3）其他编程方式
一些型号的AVR单片机还支持串行高压编程方式和IAP（In Application Programmable，在应用编程）方式。串行高压编程是替代并行高压编程的一种方式，主要针对8个引脚的Tiny系列的AVR单片机使用。IAP方式则是采用了ATMEL公司称为自引导加载（Boot Load）技术实现的，往往在一些需要进行远程修改更新系统程序，或动态改变系统程序的应用中才采用。
ATmega16片内集成了16KB的支持系统在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）的Flash程序存储器，以及512B的EEPROM数据存储器。另外，在它的内部，还有一些专用的可编程单元熔丝位，用于加密锁定和对芯片的配置等。对ATmega16编程下载操作，就是在片外对上述的存储器和熔丝单元进行读/写（烧入）以及擦除的操作。
由于ATmega16片内含有SPI和JTAG串口，所以对ATmega16能使用3种编程的方式：高压并行编程、串行SPI编程、串行JTAG编程。在本书中将主要介绍和采用串行SPI编程方式。
2.6.4 ATmega16的熔丝位
在AVR单片机内部有多组与器件配置和运行环境相关的熔丝位，这些熔丝位非常重要，用户可以通过设定和配置熔丝位，使AVR单片机具备不同的特性，以更加适合实际的应用。下面只介绍在开始学习和使用ATmega16时，需要特别注意和关心的重要熔丝位的使用配置。
ATmega16单片机在售出时，片内的Flash存储器和EEPROM存储器阵列是处在擦除的状态（即内容为$FF），且可被编程。同时其器件配置熔丝位的默认值为使用内部1MHz的RC振荡源作为系统时钟。
1.存储器加密锁定位
ATmega16有2个加密锁定位LB1和LB2，用于设定对片内存储器的加密方式，用户可在编程方式下，对LB1、LB2不编程（1），或编程（0），从而获得对片内存储器不同的加密保护方式，见表2-3。
表2-3 加密锁定位保护方式
需要进一步说明的是：
1）在AVR单片机的器件手册中，使用已编程（Programmed）和未编程（Unpro-grammed）定义加密位和熔丝位的状态。“Unprogrammed”表示熔丝状态为“1”（禁止），“Programmed”表示熔丝状态为“0”（允许），即1：未编程；0：编程。
2）AVR单片机的加密位和熔丝位可多次编程，不是OPT熔丝。
3）AVR单片机芯片加密锁定后（LB2/LB1=1/0，0/0），在外部不能通过任何方式读取芯片内部Flash和EEPROM中的数据，但熔丝位的状态仍然可以读取，不能修改配置。
4）需要重新下载程序时，或芯片被加密锁定后，或发现熔丝位配置不对，都必须先在编程状态使用芯片擦除命令，清除芯片内部存储器中的数据，同时解除加密锁定。然后重新下载运行代码和数据，修改和配置相关的熔丝位，最后再次配置芯片的加密锁定位。
5）编程状态的芯片擦除命令是将Flash和EEPROM中的数据清除，并同时将两位锁定位状态配置成无锁定状态（LB2/LB1=1/1）。但芯片擦除命令并不改变其他熔丝位的状态。
6）下载编程的正确的操作程序是：在芯片无锁定状态下，下载运行代码和数据，配置相关的熔丝位，最后配置芯片的加密锁定位。
2.系统时钟类型的配置
ATmega16可以使用多种类型的系统时钟源，最常用的为2种：使用内部的RC振荡源（1MHz/2MHz/4MHz/8MHz）和外接晶体（晶体可在0～16MHz之间选择）配合内部振荡放大器构成的振荡源。具体系统时钟类型的配置由CKOPT和CKSEL 3..0共5个熔丝设定，表2-4、表2-5给出了具体的配置值。用户在使用中，首先要根据实际使用情况进行正确的设置，而且千万注意不要对这些熔丝位误操作。
表2-4 系统时钟类型为使用内部RC振荡源
AVR单片机提供了用户更多的灵活选择系统时钟的可能性，以满足和适合实际产品的需要。
ATmega16在片内集成有内部可校准的RC振荡器，能提供固定的1MHz/2MHz/4MHz/8MHz的系统时钟，这些频率是在5V、25℃时的标称数值。CKOPT和CKSEL熔丝按表2-4编程配置时，可以选择4种内部RC振荡源之一作为系统时钟使用，此时将不需要外部的元件。
当产品对系统时钟的精度要求比较高，或需要使用一些特殊频率的系统时钟场合时，如使用了USART通信接口，系统时钟频率需要使用4.6080MHz/7.3728MHz/11.0592MHz时，就要采用第2种方式来组成系统时钟源：使用外接晶体（晶体可在0～16MHz之间选择）配合内部振荡放大器构成振荡源，具体连接电路如图2-6a所示。此时需要将CKOPT和CKSEL熔丝按表2-5编程配置。
表2-5 使用外部晶体与片内振荡放大器构成的振荡源
在表2-5中，当CKOPT=0时，振荡器的输出振幅较大，容易起振，适合在干扰大的场合以及使用的晶体超过8MHz时的情况下使用。而CKOPT=1时，振荡器的输出振幅较小，这样可以减小对电源的消耗，对外的电磁辐射也较小。
2.6.5 AVR单片机的工作状态
当AVR单片机芯片的VCC与系统电源接通后，根据RESET引脚的电平值的不同，单片机将进入不同的状态：复位状态、常规工作状态、编程状态。
1.RESET引脚电平为高
在通常情况下，RESET引脚通过一个上拉电阻接系统电源，为高电平“1”。在此条件下，一旦接通电源，AVR单片机将进入上电复位状态。经过短暂的内部复位操作后，芯片便进入了常规的工作状态（BOD和WDT引起的复位类同）。
AVR单片机处在常规工作状态时，有两种工作方式：正常程序执行工作方式和休眠节电工作方式。
（1）正常程序执行工作方式
正常程序执行工作方式是单片机的基本工作方式。由于硬件的复位操作将程序计数器置为零（PC=$0000），因此程序的执行总是从Flash地址的$0000开始的（指非BOOT LOAD方式启动）。
对于ATmega16来讲，Flash地址的$0002～$0028是中断向量区，所以真正实际要开始运行的程序代码一般放在从$002A以后的程序地址空间中。标准的做法是在Flash的$0000单元中放置一条转移指令JMP或RJMP，使得CPU在复位重新启动后，首先执行该转移指令，跳过中断向量区，转到执行实际程序的开始处。典型的程序结构如下：
Flash空间地址 指令字 说明
$0000 JMP RESET ；复位中断向量
（2）休眠节电工作方式
休眠节电工作方式是使单片机处于低功耗节电的一种工作方式。当单片机需要处于长时间等待外部触发信号，待有外部触发后才做相应的处理，或每隔一段时间才需要做处理的情况时，可以使用休眠节电工作方式，以减小对电源的消耗。CPU处于等待的时候（待机状态）可进入休眠节电工作方式，此时CPU暂停工作，不执行任何指令。在休眠节电工作方式中，只有部分单片机的电路处于工作状态，而其他的电路停止工作，这样就可节省单片机对电源消耗，形成系统的省电待机状态。一旦有外部的触发信号，或等待时间到，CPU从休眠状态中被唤醒，重新进入正常程序执行工作方式。
ATmega16有6种不同的休眠模式，每一种模式对应的电源消耗也不同，被唤醒的方式也有多种类型，用户可以根据实际的需要进行选择。
休眠节电工作方式对使用电池供电的系统非常重要，AVR单片机提供了更多的休眠模式，更加符合和适应实际的需要。如ATmega16处在掉电休眠模式状态，其本身的耗电量小于1μA。
2.RESET引脚电平为低
AVR单片机通电后，如果RESET引脚的电平被外部拉为低电平“0”，则芯片将进入和处在复位状态，如图2-16和图2-17所示。通常情况下，该复位状态一直延续到RESET引脚的低电平被撤销。一旦RESET恢复了高电平，AVR单片机将重新启动，进入常规工作状态。利用该特点可以实现对AVR单片机系统的人工复位或外部强制复位操作。
尤其需要说明的是，一旦RESET引脚的电平被外部拉低，当满足某些特殊条件后，芯片将进入编程状态。例如，如果芯片带有SPI接口，支持SPI串行编程，则通过以下方式将使芯片进入SPI编程状态：
1）外部将SPI口的SCK引脚拉低，然后外部在RESET引脚上施加一个至少为2个系统周期以上低电平的脉冲；
2）延时等待20ms后，由外部通过AVR单片机的SPI口向芯片下发允许SPI编程的指令。
在AVR单片机的器件手册的存储器编程（Memory Programming）一章中串行下载（Ser-ial Downloading）一节里，详细介绍了利用AVR单片机的SPI接口实现ISP编程的硬件连接、编程方式状态的进入过程和串行编程的命令等。
一旦芯片进入编程状态，就可以通过SPI口将运行代码写入AVR单片机的程序存储器，对片内的Flash、EEPROM进行擦除、数据的写入（包括运行代码）和数据的读出，以及实现对AVR单片机配置熔丝位的设置、芯片型号的读取和加密位的锁定等操作了。
2.6.6 支持ISP编程的最小系统设计
在本节中给出一个最基本的、典型的支持ISP编程的AVR单片机最小系统硬件图。尽管ATmega16的SPI和JTAG口都可以实现ISP在线编程，但采用SPI口实现ISP在线编程是常用的方式，因为这样不会造成AVR单片机的I/O口浪费。
如图2-13以ATmega16芯片构成的AVR单片机最小系统中，并没有考虑如何实现对AVR单片机的编程。如果完全按图2-13完成硬件系统后，要对AVR单片机编程时，就必须将芯片从PCB上取下，放到专用的编程设备上才能将系统的执行代码下载到芯片中，然后再将芯片插回到PCB上，对于系统调试和生产都非常不方便。
图2-20上增加了一个ISP编程下载口，该口的2、3、4、5脚与芯片SPI口的MOSI（PB5）、MISO（PB6）、SCK（PB7）和RESET引脚连接。当需要改动AVR单片机的熔丝位配置，或将编译好的运行代码烧入AVR单片机的FlashROM中时，就不需要将芯片从PCB上取下了。只要将一根简单的编程线插在该编程下载口上，利用PC就可以方便地实现上面的操作了。
如2.6.5中所介绍的，当PC对AVR单片机编程时，需要先将SCK和RESET引脚拉低，使AVR单片机芯片进入SPI编程状态，然后通过SPI口进行下载操作。所以，在设计AVR单片机系统硬件时，可考虑使用SPI口实现ISP的功能。
AVR单片机的PB5、PB6、PB7与编程下载口连接，在编程状态时这3个引脚用于下载操作。编程完成拔掉下载线，芯片进入正常工作后，PB5、PB6、PB7仍可作为普通的I/O口或AVR单片机的SPI口使用，受AVR单片机的控制，这是使用SPI口实现ISP功能的优点之一。需要注意的是，如果系统中使用了这3个引脚，PCB上这3个引脚已经与外围器件连接在一起的情况下，就需要对外围的连接情况进行分析。如果外围连接在上电情况时表现为强上拉或强下拉（最极端的情况为接高电平或GND），那么为了保证AVR单片机的SPI功能正常工作，应该如图2-20所示，串入3个隔离电阻，阻值在2kΩ左右。
图2-20支持ISP编程的最小系统设计
对于不同的AVR单片机芯片，使用SPI方式进行下载编程的硬件连接口，操作命令和时序请参考与该器件相关器件手册中的详细说明，会有所变化（如ATmega128），但基本方式相同。与使用其他类型的单片机（如8051）一样，可以采用专用的写入设备进行编程下载，但AVR单片机提供了更方便的在线（ISP）串行下载的方法，用户只要制作一个简单的带隔离电路的下载线，就可直接使用PC的打印机口实现AVR单片机的Flash、EEPROM以及熔丝配置位进行编程操作。