初始化AVR单片机

最近做毕业设计在用AVR单片机，另外帮一个同学的教授改写一块PCB的核心也是AVR。使用单片机的第一步当然是根据项目需求配置单片机。

正常来说，在AVR单片机开机启动时，会先进入bootloader。所谓bootloader，其实是一段将串口收到的数据写入程序储存空间的代码。也就是说，在AVR单片机开机时向AVR单片机发送以程序为内容的数据包，就可以对AVR单片机进行编程了。一般配置AVR单片机的做法是，在程序开始的部分，通过SRAM中的SFR（Special function register），即改变单片机的配置。例如，RC时钟矫正，中断向量的位置。

但是，对于一些靠底层的配置，则无法通过修改SFR达到。这时，则需要通过串行编程接口（SPI接口）或并行编程接口对AVR的fuse进行编程。比如说，AVR单片机可以使用外部晶体作为时钟，或是使用内部RC时钟，如果要修改时钟源，则需要对fuse进行编程。

至于为什么要把一些配置项目放入fuse而不是SFR，个人的理解是：

1.这些配置是非常偏底层的，或者说是与电路有关的，软件不太可能会需要修改这些配置。

2.在程序执行过程中修改这些底层配置可能会造成程序不稳定，例如，修改时钟源可能造成芯片内部硬件失去时钟同步。

这一篇博客，我会写一些我如何对我毕设所用的ATmega328P进行串行编程。

ICSP接口

要对AVR单片机进行编程，则需要访问SPI接口。

首先，做出一个ICSP接口（In-Circuit Serial Programmed）。一般来说，要生产一套单片机系统，下游厂家会将电路图发给PCB厂，并联系单片机厂直接向PCB厂发货。PCB厂会将单片机（此时是空白的，没有编程的）与外围电路先焊接在PCB上。下游厂家收到PCB后，通过ICSP接口对单片机进行编程后就可以入库等待销售了。这样做的好处是，避免了单片机厂家-下游厂家编程-上游PCB厂-下游厂家入库的繁复过程，也可以防止PCB厂逆向出单片机内部程序。

下面是一块以ATmega328P为核心的最小系统，仅包括了单片机核心，供电，电源检测和差分信号UART发送/接收电路。

如图，J2就是这一块单片机的ICSP接口。

上图是这一张电路的电路原理图。如图，ICSP包括了SPI的MISO，MOSI，CLK，单片机的供电与RESET，共6根线。

当然，ICSP只是为了方便在后期对系统程序进行升级所用的。实际上，如果不考虑后期方便升级的话，也可以直接在面包板上将编程器与单片机的SPI，供电和RESET连接即可。

Arduino编程器

要对AVR单片机进行串行编程，必须使用编程器。可以使用专业的编程器，例如avrispMkII。

然而专业的编程器虽然好用，但就是太贵。一个备用方案是使用Arduino作为编程器。电脑通过UART（串口）将程序发送给Arduino，Arduino再将串口的数据帧重新组合成SPI的数据帧发送给被编程单片机。

下面是我制作的一个ArduinoISP。其实就是用洞洞板走了几条线而已。

使用ArduinoISP编程时，需要使用AVRdude软件：avrdude.exe -v -P com4 -c arduino -b 115200 -p m328p -U {target}（ArduinoISP的波特率我强制设定的115200）

Arduino的网站上对ArduinoISP进行了详细的解释：https://www.arduino.cc/en/Tutorial/ArduinoISP

自制SPI编程器

最先开始制作这个毕设的时候，手上并没有多的Arduino。于是乎，就用8051做了一个软件SPI。

如果只是修改一下fuse的话，还没什么问题。要是要进行编程的话，就比较麻烦了。后来用上ArduinoISP后，我就“真香”了。

在ATmega328P出厂时，厂家对fuse的设置为：E:0xFF, H:0xD9, L:0x62

关于fuse中每一位的具体含义，参考http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/ATmega48A-PA-88A-PA-168A-PA-328-P-DS-DS40002061A.pdf#page=289

Extended fuse bits

默认的Extended fuse bits为0xFF，二进制码为0b11111111。其中，最高五位是无效位。

E[2:0]：BODLEVEL：111：供电低电压检测器被禁用。供电是12V加7805，没太大的供电不足电压被拉低的可能性。

High fuse bits

默认的High fuse bits为0xD9，二进制码为0b11011001。

H[7]：RETDISBL：1：RESET引脚作为RESET键使用，不作为GPIO。如果软件失效，并且软件复位和看门狗也失效的话，那么RESET键就是最后的解决方案了。所以，RESET键需要留着。

H[6]：DWEN：1：debugWIRE（功能类似于JTAG，用于调试）功能被禁用。_(:3 _| <)__那么贵，我又买不起，我留着干嘛……

H[5]：SPIEN：0：允许通过SPI进行编程。被禁用了的话，就只能通过并行编程了。

H[4]：WDTON：1：看门狗默认关闭。看门狗应该在系统初始化后，由软件打开。

H[3]：EESAVE：1：EEPROM会在擦除芯片时被擦除。因为这里不需要使用EEPROM，所以这个设置无关紧要。

H[2:1]：BOOTSZL：00：Bootloader的大小为最大值——1024个字（2048个字节，AVR的程序为16bit/字）。因为不考虑用户后期通过bootloader编程，所以需要更改为11，即使用最小空间——128字。

H[0]：BOOTRST：1：RESET向量位于0x0000。单片机启动时，从程序区间开始执行，而不是bootloader区间。

Low fuse bits

默认的Extended fuse bits为0x62，二进制码为0b01100010。

L[7]：CKDIV8：0：系统时钟将会被8分频。因为使用内部RC时钟，受环境干扰，时钟频率不稳定。使用8分频后，可以让时钟输出稳定一些。另外，时钟越快，芯片发热与功耗越大。因此，使用分频可以降低功耗与发热。

L[6]：CKOUT：1：CLKO引脚作为GPIO，而不是系统时钟输出。在多机同步工作的情况下，可以让主机输出系统时钟，作为从机的时钟源。另外，因为晶体生产的误差，因此每一块芯片的RC时钟都是不一样的。在校准RC时钟时，将这个bit改写为0，可以方便测量内部时钟频率。

L[5:4]：SUT：10：芯片启动会使用65ms外加14个时钟周期，唤醒会使用6个时钟周期。缓慢的启动芯片可以保证芯片内部所有配件都准备好，防止运行中各部件失去同步。

L[3:0]：CKSEL：0010：使用内部8MHz的RC振荡器作为时钟。

关于时钟源

AVR单片机可以使用多种时钟作为CPU时钟。总的来说分为外部和内部两种。

外部时钟可以是晶体振荡器，一般用于对时钟精度要求高的场景，比如说电子表（虽然现在电子表可以通过网络/授时中心无线电校准时钟所以精度要求没那么严格了）。只要晶体的加工精度够高，CPU就能以非常精确的频率工作。

另一个外部时钟源是震荡，一般用于多机协同工作。因为多台单片机使用同一个时钟，因此所有的单片机都会有完全相等的速度。因此，在通信时就不需要考虑同步问题了。

内部时钟有两个，第一个是128kHz的看门狗专用时钟。这个时钟的工作频率大致在128kHz（看门狗不需要高精度时钟），太慢了，基本没什么用。当然，如果对运算性能要求不高，使用这个时钟可以节约功耗，因为功耗与CPU频率成正比。

另一个外部时钟是可校准的RC时钟。在AVR单片机内部，有一个RC电路组成的振荡器，大致工作频率处于8MHz。通过修改SFR OSCCAL，可以修改这个时钟的频率。一般来说，在出厂时，这个时钟已经被校准过了。但是，为了让这篇文章不是废话让这个时钟更精确，还是进行测量校准一下比较好。

进行校准

现在的气温是30摄氏度，湿度40%。

在校准之前，首先确保fuse设置时钟源为内部RC时钟，并且输出内部时钟。换言之，low fuse设定为0x22。

接下来，使用示波器连接ATmega328P的14脚。对于其他AVR单片机，连接CLKO脚。

连接电源，此时时钟输出是这样。可见，这个误差还是不小的：

要校准，使用在程序中插入如下代码。其中，修改define的RC_CLOCK_CALIBRATE就可以改变时钟频率：

校准后，得到了精确的1MHz频率：

为了方便后续使用，也为了降低单片机对环境的EMI，需要关闭CLKO输出。要关闭CLKO，需要对fuse进行修改。换言之，修改low fuse到0x62。

现在，单片机的前期设定就完成了。接下来，就可以在已经初始化的单片机上开始编写程序了。