一種基于ATmega8單片機的串行編程器

1　ATmega8的體系結構與主要性能特點
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，再加上AVR單片機的系統內在可編程特性，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的設計和開發。
ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產的基于AVR RISC（精簡指令集）結構的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（算術邏輯單元）直接相連，實現了在一個時鐘周期內執行的一條指令同時訪問（讀寫）2個獨立寄存器的操作。這種結構提高了代碼效率，使得大部分指令的執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精簡指令集結構，130條功能強大的指令，大多數為單周期指令，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）片內集成了較大容量的非易失性程序和數據存儲器
8 kB的Flash程序存儲器，可擦寫次數大于10 000次；512 B的E2RROM，擦寫次數至少100 000次；支持可在線編程（ISP）和可應用自編程（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，可實現任意16 b以內的、相位和頻率可調的PWM脈寬調制輸出；6通道A／D轉換；一個I2C的串行接口，一個可編程的USART接口；一個支持主／從、收／發的SPI同步串行接口；2個帶預分頻的8 b定時／計數器，1個帶預分頻的16 b定時／計數（4）特殊的微控制器性能
可控制的上電復位延時電路和可編程的欠電壓檢測電路；內部和外部共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計和開發提供了極大的方便，工程人員可以編譯完程序后直接通過編程器將程序寫入Flash存儲器（而無需昂貴的仿真器）。并且可以自己來設計編程器，下面就以ATmega8作為處理芯片來設計一個串行編程器，也通過這個應用的例子來介紹一下ATmega8的具體應用。
（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接口協議兼容的方式進行高速的同步數據傳輸。因此可以把串行編程器的處理芯片設計為主機，目標芯片就作為從機，這樣就可以實現2個單片機的數據傳輸，從而實現程序的燒寫過程。數據由主機發送從機接收。向主機的SPI數據寄存器 SPDR裝入待發送數據的寫操作，自動啟動SPI時鐘發生器，于是該數據便在時鐘脈沖的控制下開始逐位左移或右移。若設定最高位MSB先傳送，主機的 MSB將自MOSI（PB3）引腳輸出，經從機的MOSI引腳進入其8 b移位寄存器中，占據最低位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移位寄存器中的內容就完全送給了從機。圖2為主從機通信流程圖。　　
（3）具體的工作過程
把圖2的ATmega8設為主機，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。PB3（MOSI）引腳用于將程序送入從機中。數據在SCK的上升沿被輸入，從機的 Reset被拉低后，總是將他的MOSI設為上拉禁止的輸入狀態，用于從主機接收數據。當從從機中讀取數據時，數據在SCK的下降沿輸出。設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。
（4）軟件設計
編程器的軟件分為兩部分，即上層程序和下層程序。上層程序在PC機上運行，用VB編寫，來完成HEX文件的發送。下層程序用C語言編寫，可通過下載線下載到ATmega8（主機）中；完成接收HEX文件和寫入、讀及擦除功能。
寫芯片　下層程序將HEX文件傳送給ATmega8。HEX文件的文件結構是由匯編程序的指令并用ASCII碼表示的文本文件，他由若干數據幀組成，每幀的結構順序為：數據長度、高位地址、低位地址、數據屬性、數據及校驗和。因為ASCII碼是一個4位的二進制數，每2個ASCII碼合起來才能用1 B表示，所以要先把HEX文件轉換后，再發送。發送過程中對數據的校驗和是由每一幀的校驗和與該幀的最后兩位相比較完成的。下層程序完成接收HEX文件和寫目標芯片，其過程為先接收HEX文件存儲于數據緩沖區，根據地址將數據寫入目標芯片的存儲器中，數據存放以高位地址、低位地址和數據為順序存放，所以在讀取時要嚴格按順序讀取。寫程序的流程圖如圖3所示。
讀芯片　讀芯片的過程是通過編程器將目標芯片中的數據送PC機，PC機收到數據后保存在一個文件里。下層用C編寫控制主機從從機讀取數據，上層用VB實現，調用MSCOMM和COMMDIAL即可完成對數據的接收及存儲。讀芯片的流程圖如圖4所示。
在數據的傳送過程中，要絕對保證數據不丟失。通常采用2種方法：一種是延時，即寫入數據后等待一段時間再寫入下一個數據；另一種是采用數據校驗技術，就是在寫入數據后再讀數據然后判斷是否正確寫入。但是這兩種方法都存在缺陷，第1種時間太長并且不能保證寫入數據的完全正確，第2種方法當要寫入的數據和程序存儲器的原始數據相同時就判斷失效?？梢园堰@兩種方法有機地結合起來，從而保證數據不丟失。具體的過程如下：
當向Flash的某一地址寫入數據時，當一個數據寫入完畢，允許寫下一個數據時，讀取這一地址的數據，如果讀到的數據不是0xFF（程序被擦除后，存儲單元里的數據都為0xFF），就再繼續接著向存儲器里寫數據，如果讀到的數據是0xFF，就再重新寫數據再校驗。但是當要向存儲器里寫的數據正好是 0xFF時，用這種方法就出錯，這時可以通過程序控制在檢驗到讀出數據為0xFF時，再連續實行2次這樣的操作，如果讀出數據還是0xFF，就采取延時的方法處理后，再接著進行對Flash的操作。

擦除芯片　對芯片擦除就是對芯片重新固化?？梢酝ㄟ^控制編程引腳高低電平來實現，但是加控制信號時間太短的話，無法擦除干凈，如果過長就容易燒壞芯片。
其實擦除的結果是所有地址里的數據都為0xFF，這樣也就是說可以通過向存儲器里寫0xFF操作來實現擦除，本設計采取這種方法就避免了因為選擇控制信號時間不合適而導致的一些問題。

3　結　語
本文介紹了ATmega8這款AVR高檔單片機，并論述了他的串行下載特性和串行編程器的工作原理；同時提出了新的串行編程數據校驗方法和程序擦除方法。MTP（可多次編程）和ISP（在系統編程）技術給單片機應用系統開發提供了很大的方便和靈活性，利用這兩種技術可以直接在電路板上反復進行下載調試，甚至可以實現遠程在線升級，因此對單片機編程特性的研究有很高的實用價值。

參考文獻

［1］　馬潮，詹衛前，耿德根．ATmega8原理及應用手冊［M］．北京：清華大學出版社，2003．
［2］　李勛，耿德根．AVR單片機應用技術［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2002．
［3］　石東海．單片機數據通信技術從入門到精通［M］．西安：西安電子科技大學出版社，2002．
［4］　張俊濤．具有ISP功能的單片AT89S8252［J］．現代電子技術，2001，（8）．
［5］　馬書雷．AVR單片機編程特性的應用研究［J］．微型機與應用，2000，（9）．