Microchip AVR
Atmel AVR ist eine 8-Bit-Mikrocontroller-Familie des US-amerikanischen Herstellers Atmel. Die Controller dieser Familie sind wegen ihres einfachen Aufbaus und ihrer leichten Programmierbarkeit auch bei Hobby-Anwendern weit verbreitet.
Die Typen unterteilen sich in die Gruppen
- ATmega: große AVR-Controller mit bis zu 256 KB Flash-Speicher in 28- bis 100-poligen Gehäusen und mit integriertem Hardware-Multiplizierer.
- ATtiny: kleinere AVR-Controller mit bis zu 16 KB Flash-Speicher in 6- bis 20-poligen Gehäusen.
- AT90USB: ATmega mit integriertem USB-Controller
- AT90CAN: ATmega mit CAN-Controller
- Sondertypen: einige Spezialmodelle, z. B. zur Ansteuerung von Akku-Ladegeräten, LC-Displays und für Motoren- oder Lichtsteuerungen.
- AT90S: veraltete Typen, die „klassischen“ AVRs
Unter dem Namen AVR32 hat Atmel eine 32-Bit-RISC-Architektur mit DSP- und SIMD-Funktionalität entwickelt. Trotz der Namensähnlichkeit und des ähnlichen Logos weisen die beiden Architekturen kaum Gemeinsamkeiten auf.
Programmierschnittstelle
Fast alle Typen können per SPI über einen ISP (AVR ISP, In-System Programmer) programmiert werden, die über simple Programmieradapter Anschluss an die serielle, parallele oder USB-Schnittstelle eines PCs findet. Die Besonderheit liegt in der Möglichkeit, den Prozessor nicht aus der Zielschaltung herausnehmen zu müssen, um ihn mit der extern entwickelten Software zu programmieren. Somit lassen sich Anpassungen (z. B. Schaltzyklen oder Auslöseschwellen) vor Ort im laufenden Betrieb vornehmen.
Neuere Typen besitzen zudem eine Debug-Schnittstelle, die bei kleineren Controllern (ATtiny-Serie sowie 32-Pin-ATmega-Familie) neben den Versorgungsleitungen nur die Resetleitung benötigt (debugWire). Bei größeren Controllern der ATmega Familie kann dagegen leichter auf mehrere Pins (6) verzichtet werden, sodass hier eine JTAG-Schnittstelle zum Einsatz kommt. Hiermit lässt sich ein in den Mikrocontroller heruntergeladenes Programm mittels Zusatzhardware/-software nach dem IEEE-Standard 1149.1 in einer konkreten Hardwareumgebung untersuchen und von eventuellen Programmierfehlern befreien (debuggen).
RISC-Architektur
Ein Vorteil gegenüber anderen Mikroprozessor-Familien ist, dass sich dank der RISC-Architektur die meisten Register-Befehle innerhalb eines Systemtakts abarbeiten lassen, ausgenommen Sprung- und Multiplikationsbefehle, sowie Zugriffe auf das Speicherinterface (u. a. RAM und I/O-Ports). Somit ist diese Architektur sehr schnell im Vergleich zu anderen.
Durch das auf Hochsprachen wie C ausgelegte Hardware-Design können auch Compiler sehr effizienten Code erzeugen; der Entwickler muss sich nicht zwingend auf Assembler-Ebene begeben.
Allerdings wird der binäre Programmcode, wie bei vielen anderen Mikroprozessoren mit integriertem Programmspeicher auch, direkt aus dem Flash-Speicher heraus ausgeführt. Dadurch kommt es vor allem bei den Chipversionen für geringe Versorgungsspannungen von unter 3,3 V zu vergleichsweise geringen maximalen Taktraten des Prozessorkerns von meist unter 10 MHz. Da die Frequenz fast 1:1 in MIPS verwertet wird, entspricht dies maximal 10 MIPS. Es besteht keine Möglichkeit, den internen Prozessorkern mithilfe einer PLL mit einer gegenüber dem externen Takt erhöhten Taktrate zu betreiben. Diese Einschränkung ist durch die Integration der Flash-Speichertechnologie bedingt. Zum Vergleich: Mikroprozessorarchitekturen wie der Blackfin, welche den Programmcode vor der Ausführung von dem nicht flüchtigen Flash-Speicher erst in einen internen SRAM-Speicher kopieren, verfügen über Taktraten des Prozessorkerns von über 500 MHz bei Versorgungspannungen des CPU-Kerns von unter 2 V bei in etwa gleich geringem Stromverbrauch.
Befehlssatz
| Modell | Anzahl der Befehle |
|---|---|
| AT90S1200 | 52 |
| AT90xxxx („Classic“) | 62 |
| ATtiny | bis 123 |
| ATmega | 130–135 |
Im Gegensatz zu den PICmicro-Prozessoren wurde der AVR-Befehlssatz über alle Modelle – abgesehen vom AT90S1200 mit eingeschränktem Befehlssatz und vom ATmega mit leicht erweitertem Befehlssatz – kompatibel gehalten. Kleinere Unterschiede im Befehlsumfang gibt es jedoch aufgrund unterschiedlicher Flashgröße, Bootloader-Support, Multiplikationsbefehle etc.
Die AVR-Prozessoren sind für die effiziente Ausführung von kompiliertem C-Code gestaltet worden. Noch vor Fertigstellung des AVR-Kerns wurde mit der Entwicklung eines C-Compilers begonnen, um dadurch Optimierungspotential zu erkennen[1], etwa:
- Die Instruktion „Addition mit direktem Parameter“ (add immediate) wurde entfernt, denn anstatt dieser Instruktion kann ebenso gut der Befehl „Subtrahiere direkt“ (subtract immediate) mit dem Komplement verwendet werden.
- Der dadurch auf dem Die frei werdende Platz wurde dann zum Realisieren einer „Addition mit direktem 16-Bit-Parameter“ (add immediate word) genutzt.
- Ein Befehl wie „Vergleich mit Carry-Flag“ (compare with carry) wurde eingeführt, um einen effizienten Vergleich von 16- und 32-Bit-Werten – wie er in Hochsprachen an der Tagesordnung ist – zu ermöglichen.
- Anstatt zwei Adressregistern wurden drei Adressregister vorgesehen.
- Auf ein anfangs geplantes segmentiertes Speicher-Layout wurde komplett verzichtet, weil dieses nur schwer von Compilern zu handhaben ist.
Speicherarchitektur
Das Speicher-Management folgt den Richtlinien der Harvard-Architektur. Es gibt also getrennte Adressräume für den Flash-Speicher, das RAM und das EEPROM. Im Gegensatz zu einfacheren Mikrocontrollern besitzen die AVRs 32 Register, mit welchen direkt Operationen ausgeführt werden können. Einige neue Tiny-Typen (ATtiny4, ATtiny5, ATtiny9 und ATtiny10) besitzen nur 16 Register.
AVR XMEGA
Diese Serie wurde Ende Februar 2008 auf den Herstellerseiten angekündigt[2]. Es handelt sich dabei um Mikrocontroller mit erweiterten Peripherien und Funktionen, die jedoch allesamt auf der 8-Bit-AVR-Architektur basieren.
Im Einzelnen handelt es sich bei den Erweiterungen unter Anderem um:
- 4 DMA-Kanäle
- Hardware-Kryptographie (AES und DES)
- Taktraten bis 32 MHz
- Programmspeicher von bis zu 384 KB
- Die ADCs haben nun eine Auflösung von 12 Bit
- DACs sind hinzugekommen
- Jedem Pin ist ein externer Interrupt zuweisbar
- Eight-channel Event System
Einige der Peripherien wurden verbessert und sind jetzt meist mehrfach vorhanden (z. B. SPI, TWI, USART).
Ferner wurde das Interrupt-System überarbeitet; die Bausteine der neuen Serie verfügen über ein sogenanntes Event-System, welches es erlaubt, die eintreffenden Interrupts verschiedener Peripherieeinheiten unmittelbar an ebensolche weiterzuleiten, ohne dass dazu die Rechenzeit des Prozessors in Anspruch genommen werden muss (Hardware-Routing).
Laut Atmel sind die Bausteine der XMEGA-Serie hinsichtlich des Befehlssatzes absolut kompatibel mit den bisher existierenden AVR-Bausteinen. Innerhalb der XMEGA-Serie selbst sind alle zu den jeweiligen Gehäuseformen pin-, quelltext- und binärcodekompatibel. Leider wurde die Versorgungsspannung abgesenkt, so dass ein Austausch in einem bestehenden Design nur möglich ist, wenn diese bereits in dem abgesenkten Spannungsbereich (max. 3,6 V) arbeitet.
AVR-kompatible Mikrocontroller und Nachbauten
- Integral bzw. die Belmicrosystems-Gruppe aus Weißrussland bietet die Classic-AVR Nachbauten IN90S2313DW, IN90LS2323N, IN90S2323N, IN90S2333DW und IN90LS2333DW an, welche zu den entsprechenden AVR-Typen des Unternehmens Atmel als pinkompatibel beworben werden. Sogar Teile des englischen Datenblatts wurden unverändert übernommen.
Software
Weiterhin existiert eine Vielzahl freier Entwicklungswerkzeuge, wie z. B. die für AVR-Cross-Compiling portierten GNU-Tools WinAVR bzw. avr-gcc, avr-libc.
Des Weiteren – für Mikrocontroller eher unüblich – gibt es u. a. den (proprietären) BASIC-Compiler BASCOM.
| Compiler | Hersteller | Lizenz | Plattform | Besonderheiten |
|---|---|---|---|---|
| avr-as | GNU | GPL | Win32, Linux, Mac OS | kostenlos, quelloffen |
| avr-gcc | GNU | GPL | Win32, Linux, Mac OS | kostenlos, quelloffen |
| AVR-ADA | GNU | GPL | Win32, Linux | kostenlos, quelloffen |
| AVR Studio | Atmel | proprietär | Win32 | kostenlos |
| GNAT Pro | AdaCore | GMGPL | Win32, Linux | nur mit professionellem Support-Vertrag |
| KontrollerLab | cadManiac.org | GPL | Linux | Entwicklungsumgebung, kostenlos, quelloffen |
| AVRco | E-LAB Computers | proprietär | Win32 | Demo-Version verfügbar, ATMega8/88-Standardversion kostenlos erhältlich |
| BASCOM | MCS Electronics | proprietär | Win32 | Basic-Compiler. Die kostenlose Demo-Version kompiliert bis 4KB Binärcode. |
| C-Control Pro | Conrad Electronic | proprietär | Win32 | kostenloser C, Basic und ASM-Compiler. |
| mBasic | nettypes.de | proprietär | Win32 | kostenlos zur privaten Verwendung, spez. Hardware erforderlich |
| NanoVM | Till Harbaum | GPL | Win32, Linux | kostenlos, quelloffen |
| amforth | Matthias Trute | GPL | Win32, Linux | kostenlos, quelloffen |
| Embedded Pascal for the AVR | ? | Shareware | Win32 | |
| PyMite | Dean W. Hall et al. | GPL | Win32, Linux, Mac OS | kostenlos, quelloffen |
| IAR Embedded Workbench for AVR | IAR | proprietär | Win32 | MISRA support, hohe Codequalität, teuer |
| myAVR Workpad | myAVR | proprietär | Win32 | Demo-Version verfügbar |
| SiSy AVR | Laser&Co Solutions | proprietär | Win32 | Programmablaufplan, UML-Klassendiagramm |
| Algorithm Builder | Gennady Gromov | proprietär | Win32 | Demo-Version verfügbar, graphisch? |
| AVRA | Jon A. Haugum, Tobias Weber | GPL | Plattformunabhängig | kostenlos, quelloffen, AVR Studio kompatibel |
| CodeVisionAVR | HP InfoTech | proprietär | Win32 | Demo-Version verfügbar |
| AVR-Chipbasic2 | Jörg Wolfram | GPL | On Chip | kostenlos, quelloffen |
| MikroPascal for AVR | Mikroelektronika | proprietär | Win32 | 2K Demo-Version verfügbar |
| Flowcode for AVR | Matrix Multimedia | proprietär | Win32 | Grafische Programmiersprache anhand von Flussdiagrammen. Kostenlose Demo-Version mit begrenztem Code-Umfang. |
| Hersteller | Compiler | Ada | Assembler | BASIC | C | C++ | Pascal | andere |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| GNU | avr-as | – | Ja | – | – | – | – | |
| GNU | avr-gcc | – | – | – | Ja | Ja | – | |
| GNU | AVR-ADA | Ja | – | – | – | – | – | |
| Atmel | AVR Studio | – | Ja | – | Ja | Ja | – | |
| cadManiac.org | KontrollerLab | – | – | Ja | Ja | Ja | – | |
| Conrad Electronic | C-Control Pro [1] | – | Ja | Ja | Ja | – | – | |
| E-LAB Computers | AVRco | – | – | – | – | – | Ja | |
| AdaCore | GNAT Pro | Ja | – | – | Ja | Ja | - | |
| MCS Electronics | BASCOM | – | – | Ja(Dialekt) | – | – | – | |
| nettypes.de | mBasic | – | – | Ja | – | – | – | |
| Till Harbaum | NanoVM | – | – | – | – | – | – | Java |
| Matthias Trute | amforth | – | – | – | – | – | – | Forth |
| ? | Embedded Pascal for the AVR | – | – | – | – | – | Ja | |
| Dean W. Hall et al. | PyMite | – | – | – | – | – | – | Python |
| IAR | IAR Embedded Workbench for AVR | – | – | – | Ja | Ja | – | |
| myAVR | myAVR Workpad | – | Ja | – | Ja | Ja | – | |
| myAVR | SiSy AVR | – | Ja | – | Ja | Ja | – | zusätzlich Codegenerierung aus: Programmablaufplan(ASM), Struktogramm(C), UML-Klassendiagramm(C++) |
| Gennady Gromov | Algorithm Builder | – | Ja | – | – | – | – | Codegenerierung aus Flussdarstellung |
| Jon A. Haugum, Tobias Weber | AVRA | – | Ja | – | – | – | – | erweiterte Makrosprache? |
| HP InfoTech | CodeVisionAVR | – | – | – | Ja | – | – | |
| Mikroelektronika | MikroPascal for AVR | – | – | – | – | – | Ja | |
| Matrix Multimedia | Flowcode for AVR | – | – | – | – | – | - | Flussdiagramme |
Entwicklungs-Boards
Zur einfachen Entwicklung und Programmierung einer Schaltung mit einem AVR benötigt man zwar grundsätzlich nur wenige Bauteile. Besonders Anfänger schätzen Entwicklungs- oder auch Evaluation-Boards, die neben dem AVR auch Peripherie (LEDs, Schalter etc.) bieten.
Atmel selbst bietet entsprechende offizielle Boards an, die universell für mehrere Typen einsetzbar sind.
- STK200
- STK500
- STK600
Zudem existieren für spezielle Controller eigene Boards etwa das „Butterfly“. Verschiedene Anbieter stellen günstige Alternativen bereit.
Deutschsprachige Literatur
- Günter Schmitt: Mikrocomputertechnik mit Controllern der Atmel AVR-RISC-Familie. 4. Auflage, Oldenbourg-Verlag 2008. Einführung in die AVR-Architektur (Tiny und MEGA), basiert auf Assembler und C
- Wolfgang Trampert: AVR-RISC Mikrocontroller. Franzis-Verlag 2003. Hardware- und Assembler-orientiert, nur Classic-AVRs
- Walter, Roland: AVR-Mikrocontroller-Lehrbuch. Denkholz-Verlag 2009, ISBN 978-3-9811894-4-5 (3. Auflage). Systematisches Buch, basiert auf ATmega8/BASCOM, für Lehre geeignet (hier Vorschau)
- Safinaz und Francesco Volpe: AVR-Mikrocontroller-Praxis. Elektor-Verlag 2001. Hauptsächlich Befehlssatz des AVR-Assemblers in deutsch
- Claus Kühnel: Programmieren der AVR RISC Microcontroller mit BASCOM-AVR. Skript-Verlag Kühnel 2004. Systematisches Buch, Schwerpunkt auf BASCOM, jedoch auch mit Assembler-Routinen
- Peter Urbanek: Embedded Systems. HSU-Verlag 2007. Einführung in die AVR-Architektur mit Beispielen in C auf Basis des ATmega16. Anschluss eines externen CAN-Controllers mit Beispielen.
- Roman Mittermayr: AVR-RISC: Embedded Software selbst entwickeln. Franzis-Verlag 2008. Einführung in Assembler für ATmega/ATtiny anhand verschiedener Projekte; wichtigste Grundlagen der C-Programmierung
- Florian Schäffer: AVR - Hardware und C-Programmierung in der Praxis. Elektor-Verlag 2008, ISBN 978-3-89576-200-0.
Weblinks
- ATMEL - AVR Produktseite (en)
- www.mikrocontroller.net - AVR Funktionsweise, Literatur-, Software- und Projektverzeichnis