ATmega48／88／168存储器及其擦写次数

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：本节讲述ATmega48／88／168的存储器。AVR结构具有两个主要的存储器空间：数据存储器空间和程序存储器空间，此外，ATmega48／88／168还有EEPROM存储器以保存数据，这三个存储器空间都为线性的平面结构。存储器至少可以擦写10 000次。图4-22程序存储器映像图4-23数据存储器映像图2.EEPROM数据存储器ATmega48／88／168包含256／512／512 B的EEPROM数据存储器。图4-24EEPROM地址寄存器——EEARH和EEARLBit15～Bit9es：保留。图4-25EEPROM数据寄存器——EDRBits 7～Bit0——EDR7.0：EEPROM数据。

本节讲述ATmega48／88／168的存储器。AVR结构具有两个主要的存储器空间：数据存储器空间和程序存储器空间，此外，ATmega48／88／168还有EEPROM存储器以保存数据，这三个存储器空间都为线性的平面结构。

ATmega48／88／168具有4／8／16 KB的在线编程Flash，用于存放程序指令代码。因为所有的AVR指令为16位或32位，故Flash组织成2／4／8 KB×16。对于ATmega88与ATmega168，用户程序的安全性要根据Flash程序存储器的两个区：引导（Boot）程序区和应用程序区分开来考虑。ATmega48中没有分为引导程序区和应用程序区，SPM指令可在整个Flash中执行。存储器至少可以擦写10 000次。ATmega48／88／168的程序计数器（PC）为11／12／13位，因此可以寻址2／4／8 KB的程序存储器空间，如图4-22所示。

1.SRAM数据存储器

数据存储器映像图（图4-23）给出了ATmega48／88／168 SRAM空间的组织结构。ATmega48／88／168是一个复杂的微控制器，其支持的外设要比预留的64个I／O（通过IN／OUT指令访问）所能支持的要多。对于扩展的I／O空间段0x60～0xFF只能使用ST／STS／STD和LD／LDS／LDD指令。前768／1 280／1 280个数据存储器包括了寄存器文件、I／O存储器、扩展的I／O存储器以及数据SRAM。起始的32个地址为寄存器文件，然后是64个I／O存储器，接着是160个扩展I／O存储器，最后是512／1 024／1 024 B的数据SRAM。数据存储器的寻址方式分为5种：直接寻址、带偏移量的间接寻址、间接寻址、预减间接寻址和后加间接寻址。寄存器文件中的寄存器R26～R31为间接寻址的指针寄存器。直接寻址范围可达整个数据区。带偏移量的间接寻址模式能够寻址到由寄存器Y和Z给定的基址附近的63个地址。在自动预减和后加的间接寻址模式中，寄存器X、Y和Z自动增加或减少。ATmega48／88／168的全部32个通用寄存器、64个I／O寄存器、160个扩展I／O寄存器及512／1024／1 024 B的内部数据SRAM可以通过所有上述的寻址模式进行访问。

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图4-22　程序存储器映像

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图4-23　数据存储器映像图

2.EEPROM数据存储器

ATmega48／88／168包含256／512／512 B的EEPROM数据存储器。它是作为一个独立的数据空间而存在的，可以按字节读写。EEPROM的寿命至少为100 000次擦除周期。EEP-ROM的访问由地址寄存器、数据寄存器和控制寄存器决定。EEPROM的访问寄存器位于I／O空间。EEPROM的写访问时间由Table 3给出。自定时功能可以让用户监测何时开始写下一字节。如果用户要操作EEPROM，应当注意如下问题：在电源滤波时间常数比较大的电路中，上电／下电时V CC上升／下降速度会比较慢。此时CPU将工作于低于晶振所要求的电源电压。为了防止无意识的EEPROM写操作，在写EEPROM时需要执行一个特定的写时序。当执行EEPROM读操作时，CPU会停止工作4个周期，然后再执行后续指令；当执行EEPROM写操作时，CPU会停止工作2个周期，然后再执行后续指令。EEPROM地址寄存器——EEARH和EEARL如图4-24所示。

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图4-24　EEPROM地址寄存器——EEARH和EEARL

（1）Bit15～Bit9　es：保留。保留位，读操作返回值为零。

（2）Bit 8～Bit 0——EEAR8 EAR～0：EEPROM地址。EEPROM地址寄存器——EARH和EEARL指定了256／512／512 B的EEPROM空间。EEPROM地址是线性的，从0到255／511／511。EEAR的初始值没有定义。在访问如图4-25所示的寄存器时，EEP-ROM之前必须为其赋予正确的数据。EEAR8在ATmega48中为无效位，必须始终将其赋值为“0”。

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图4-25　EEPROM数据寄存器——EDR

（3）Bits 7～Bit0——EDR7.0：EEPROM数据。如图4-26所示，对于EEPROM写操作，EEDR是需要写到EEAR单元的数据；对于读操作，EEDR是从地址EEAR读取的数据。

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图4-26　EEPROM控制寄存器——EECR

（4）Bits 7、Bit6　es：保留。保留位，读操作返回值为零。

（5）Bit5，Bit4——EEPM1与EEPM0：EEPROM编程模式位。如表4-9所示，EEPROM编程模式位的设置决定对EEPE写入后将触发什么编程方式。EEPROM的编程可以作为一个基本操作来实现（擦除旧的数据并写入新的数据），也可以将擦除与写操作分为两步进行。不同编程模式的时序如表4-9所示。EEPE置位时，对EEPM n的任何写操作都将会被忽略。在复位过程中，除非EEPROM处于编程状态，EEPM n位将被设置为0b00。

表4－9　EEPROM编程模式位

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（6）Bit3——EERIE：使能EEPROM就绪中断。若SREG的I为“1”，则置位EERIE使能EEPROM准备好中断。清零EERIE则禁止此中断，当EEWE清零时EEPROM准备好中断即可发生。

（7）Bit2——EEMPE：EEPROM主机写使能。EEMPE决定了EEPE置位是否可以启动EEPROM写操作。当EEMPE为“1”时，在4个时钟周期内置位EEPE把数据写入EEPROM的指定地址；若EEMPE为“0”，则操作EEPE不起作用。EEMPE置位后4个周期，硬件对其清零。见EEPROM写过程中对EEPE位的描述。(https://www.chuimin.cn)

（8）Bit 1——EEPE：EEPROM写使能。写使能信号EEPE是EEPROM的写入选通信号。当EEPROM数据和地址设置好之后，需置位EEPE以便将数据写入EEPROM。此时EEMPE必须置位，否则EEPROM写操作将不会发生。写时序如下（第3和第4步的次序可更改）：

①等待EEPE为“0”。

②等待SPMCSR寄存器的SPMEN为零。

③将新的EEPROM地址写入EEAR（可选）。

④将新的EEPROM数据写入EEDR（可选）。

⑤对EECR寄存器的EEMPE写“1”，同时清零EEPE。

⑥在置位EEMPE之后的4个周期内置位EEPE。

在CPU写Flash存储器的时候不能对EEPROM进行编程。在启动EEPROM写操作之前软件必须检查Flash写操作是否已经完成。第2步仅在软件包含引导程序，允许CPU对Flash进行编程时才有用。如果CPU永远都不会写Flash，则第2步可以忽略。

注意：如有中断发生于步骤⑤和⑥之间，将导致写操作失败。因为此时EEPROM写使能操作将超时。如果一个操作EEPROM的中断打断了另一个EEPROM操作，EEAR或EE-DR寄存器可能被修改，引起EEPROM操作失败。建议此时关闭全局中断标志I。

经过写访问时间之后，EEPE硬件清零。用户可以凭此位判断写时序是否已经完成。EEPE置位后，CPU要停止两个时钟周期才会运行下一条指令。

（9）Bit 0——EERE：EEPROM读使能。读使能信号EERE是EEPROM的写入选通信号。当EEPROM地址设置好之后，需置位EERE以便将数据读入EEAR。EEPROM数据的读取只需要一条指令。读取EEPROM时CPU要停止4个时钟周期，然后才能执行下一条指令。用户在读取EEPROM时应该检测EEPE，如果一个写操作正在进行，就无法读取EEP-ROM，也无法改变寄存器EEAR。防止EEPROM数据丢失如果电源电压过低，CPU和EEP-ROM有可能工作不正常，造成EEPROM数据的毁坏（丢失）。这种情况在使用独立的EEP-ROM器件时也会遇到。由于电压过低造成EEPROM数据损坏有两种可能：一是电压低于EEPROM写操作所需要的最低电压；二是CPU本身已经无法正常工作。

EEPROM数据损坏的问题可以通过以下方法来避免：当电压过低时保持AVR RESET信号为低。这可以通过使能芯片的掉电检测电路BOD来实现。如果BOD电平无法满足要求，则可以使用外部复位电路。若写操作过程当中发生了复位，电源电压足够高，则写操作仍将正常结束。

（10）I／O存储器：ATmega48／88／168的所有I／O和外设都被放置在I／O空间。所有的I／O地址都可以通过LD／LDS／LDD和ST／STS／STD指令来访问，在32个通用工作寄存器和I／O之间传输数据。地址为0x00～0x1F的I／O寄存器还可用SBI和CBI指令直接进行位寻址，而SBIS和SBIC则用来检查单个位置位与否。使用IN和OUT指令时地址必须在0x00～0x3F。如果要像SRAM一样通过LD和ST指令访问I／O寄存器，相应的地址要加上0x20。

ATmega48／88／168是一个复杂的微处理器，其支持的外设要比预留的64个I／O（通过IN／OUT指令访问）所能支持的更多。对于扩展的I／O空间0x60～0xFF，只能使用ST／STS／STD和LD／LDS／LDD指令。为了与后续产品兼容，保留未用的位应写“0”，而保留的I／O寄存器则不应进行写操作。一些状态标志位的清除是通过写“1”来实现的。CBI和SBI指令可以操作I／O寄存器所有的位，并给置位的位回写“1”，因此会清除这些标志位。CBI和SBI指令只对0x00～0x1F的寄存器有效。

3.通用I／O寄存器

如图4-27～图4-29所示，ATmega48／88／168包含三个通用I／O寄存器。这些寄存器可以用来存储信息，尤其适合于存储全局变量与状态标志。位于0x00～0x1F的通用I／O寄存器可以通过SBI、CBI、SBIS与SBIC指令直接进行位寻址。

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