揭秘AVR单片机C程序设计进阶：深入解析寄存器和中断

# 1. AVR单片机C程序设计概述

AVR单片机C程序设计是一种使用C语言对AVR单片机进行编程的技术。它利用AVR单片机的硬件特性，通过C语言的语法和结构，实现对单片机的控制和操作。

C程序设计具有结构化、模块化和可移植性的特点，使得AVR单片机编程更加高效和易于维护。它可以帮助开发者快速实现复杂的控制逻辑，并通过重用代码模块来提高开发效率。

本章将介绍AVR单片机C程序设计的概述，包括C语言在单片机编程中的优势、AVR单片机的特点以及C程序设计的基本流程。

# 2. AVR单片机寄存器详解

### 2.1 寄存器分类和功能

AVR单片机拥有丰富的寄存器资源，可分为以下几类：

| 寄存器类型 | 功能 | 数量 |
|---|---|---|
| 通用寄存器 | 存储数据和地址 | 32 |
| 特殊功能寄存器 | 控制外设和系统功能 | 约100个 |
| I/O寄存器 | 控制I/O端口 | 约20个 |
| 指令寄存器 | 存储当前执行的指令 | 1 |
| 程序计数器 | 指示下一条要执行的指令地址 | 1 |
| 堆栈指针 | 指示堆栈顶部的地址 | 1 |

### 2.2 寄存器寻址方式

AVR单片机支持多种寄存器寻址方式，包括：

- **直接寻址：**直接使用寄存器的名称访问寄存器。
- **间接寻址：**使用另一个寄存器的内容作为偏移量，访问指定的寄存器。
- **寄存器间接寻址：**使用一个寄存器的内容作为另一个寄存器的偏移量，访问指定的寄存器。
- **立即寻址：**直接在指令中指定一个值，访问该值。

### 2.3 寄存器读写操作

AVR单片机提供了一系列指令用于读写寄存器，包括：

- **MOV指令：**将一个值从一个寄存器或内存地址移动到另一个寄存器或内存地址。
- **LDI指令：**将一个立即值加载到一个寄存器中。
- **ST指令：**将一个寄存器中的值存储到一个内存地址中。
- **LDD指令：**从一个内存地址中加载一个值到一个寄存器中。

**代码块：**

// 将寄存器R16中的值移动到寄存器R17
MOV R17, R16

// 将立即值0x55加载到寄存器R18
LDI R18, 0x55

// 将寄存器R19中的值存储到内存地址0x1000
ST 0x1000, R19

// 从内存地址0x1001中加载一个值到寄存器R20
LDD R20, 0x1001

**逻辑分析：**

- MOV指令将R16中的值移动到R17中。
- LDI指令将立即值0x55加载到R18中。
- ST指令将R19中的值存储到内存地址0x1000中。
- LDD指令从内存地址0x1001中加载一个值到R20中。

# 3. AVR单片机中断机制

### 3.1 中断类型和优先级

AVR单片机支持多种中断类型，每种中断类型都有其特定的触发条件和优先级。中断类型主要分为以下几类：

| 中断类型 | 触发条件 | 优先级 |
|---|---|---|
| 外部中断 | 外部引脚上的电平变化 | 最高 |
| 定时器中断 | 定时器计数达到预设值 | 中等 |
| 串口中断 | 串口数据接收或发送完成 | 低 |
| 看门狗中断 | 看门狗定时器溢出 | 最低 |

中断优先级决定了当多个中断同时发生时，哪个中断会被优先处理。优先级高的中断会打断优先级低的中断的执行。

### 3.2 中断处理流程

当一个中断发生时，AVR单片机会执行以下中断处理流程：

1. **保存当前状态：**中断发生时，单片机会保存当前程序计数器 (PC) 和程序状态寄存器 (SREG) 的值到堆栈中。
2. **跳转到中断向量表：**单片机会根据中断类型跳转到中断向量表中的相应中断服务程序 (ISR) 地址。
3. **执行中断服务程序：**ISR 会执行中断处理代码，通常包括读取中断源、清除中断标志位和执行必要的操作。
4. **恢复状态：**中断处理完成后，单片机会从堆栈中恢复 PC 和 SREG 的值，并继续执行被中断的程序。

### 3.3 中断服务程序编写

中断服务程序 (ISR) 是处理中断事件的代码段。ISR 的编写遵循以下规则：

1. ISR 必须以 `ISR(interrupt_type)` 声明，其中 `interrupt_type` 是中断类型。
2. ISR 必须使用 `__interrupt` 关键字修饰。
3. ISR 不能包含任何函数调用或递归调用。
4. ISR 应该尽可能简洁，只执行必要的处理。

以下是一个外部中断 ISR 的示例：

ISR(INT0_vect) {
  // 读取中断源
  uint8_t status = PIND;

  // 清除中断标志位
  EIFR |= (1 << INTF0);

  // 执行中断处理代码
  if (status & (1 << PD2)) {
    // 外部中断引脚 PD2 被触发
  }
}

### 代码块示例

以下代码块演示了如何配置定时器 0 中断：

// 配置定时器 0 中断
void timer0_init() {
  // 设置定时器 0 为 CTC 模式
  TCCR0A |= (1 << WGM01);

  // 设置定时器 0 预设值
  OCR0A = 255;

  // 启用定时器 0 比较匹配 A 中断
  TIMSK0 |= (1 << OCIE0A);

  // 设置定时器 0 时钟源为内部 8MHz 时钟
  TCCR0B |= (1 << CS01);
}

**逻辑分析：**

* `TCCR0A |= (1 << WGM01);`：将定时器 0 的工作模式设置为 CTC 模式。
* `OCR0A = 255;`：设置定时器 0 的比较匹配值 A 为 255。
* `TIMSK0 |= (1 << OCIE0A);`：启用定时器 0 比较匹配 A 中断。
* `TCCR0B |= (1 << CS01);`：设置定时器 0 的时钟源为内部 8MHz 时钟。

### 表格示例

以下表格总结了 AVR 单片机不同中断类型的触发条件和优先级：

| 中断类型 | 触发条件 | 优先级 |
|---|---|---|
| INT0 | 外部引脚 PD2 上升沿 | 最高 |
| INT1 | 外部引脚 PD3 上升沿 | 高 |
| TIMER0_COMPA | 定时器 0 比较匹配 A | 中 |
| TIMER0_OVF | 定时器 0 溢出 | 低 |
| USART0_RX | 串口 0 数据接收完成 | 低 |
| USART0_UDRE | 串口 0 数据发送寄存器为空 | 低 |
| USART0_TX | 串口 0 数据发送完成 | 低 |
| WDT | 看门狗定时器溢出 | 最低 |

### 流程图示例

以下流程图展示了中断处理流程：

graph LR
subgraph 中断发生
    A[中断发生] --> B[保存当前状态]
end
subgraph 中断处理
    B[保存当前状态] --> C[跳转到中断向量表]
    C[跳转到中断向量表] --> D[执行中断服务程序]
    D[执行中断服务程序] --> E[恢复状态]
end
A --> C
E --> F[继续执行被中断的程序]

# 4. AVR单片机C程序设计实践

### 4.1 寄存器操作实例

**例1：设置端口引脚为输出模式**

DDRB |= (1 << PB0); // 将端口B的第0位设置为输出模式

**逻辑分析：**
* `DDRB` 是端口B的数据方向寄存器，用于设置端口引脚的输入/输出模式。
* `|=` 运算符用于将指定位设置为1，从而将引脚配置为输出模式。
* `(1 << PB0)` 是一个位掩码，将第0位设置为1，其他位保持不变。

**例2：读取端口引脚状态**

uint8_t pin_state = PINB & (1 << PB0); // 读取端口B的第0位状态

**逻辑分析：**
* `PINB` 是端口B的输入引脚寄存器，用于读取端口引脚的状态。
* `&` 运算符用于读取指定位的值，其他位保持不变。
* `(1 << PB0)` 是一个位掩码，将第0位设置为1，其他位保持不变，从而只读取第0位的状态。

### 4.2 中断处理实例

**例1：外部中断处理**

ISR(INT0_vect) {
  // 中断处理代码
}

**逻辑分析：**
* `ISR(INT0_vect)` 是外部中断0的中断服务程序。
* 中断发生时，程序会跳转到该函数执行中断处理代码。
* 中断处理代码可以根据需要执行各种操作，例如读取输入、设置输出或更新状态。

**例2：定时器中断处理**

ISR(TIMER1_COMPA_vect) {
  // 中断处理代码
}

**逻辑分析：**
* `ISR(TIMER1_COMPA_vect)` 是定时器1比较匹配A的中断服务程序。
* 当定时器计数器达到比较值时，程序会跳转到该函数执行中断处理代码。
* 中断处理代码可以根据需要执行各种操作，例如更新计数器、生成脉冲或触发其他事件。

**例3：中断优先级设置**

#include <avr/interrupt.h>

// 设置中断优先级
void set_interrupt_priority(uint8_t interrupt_number, uint8_t priority) {
  if (interrupt_number < 8) {
    // 设置低优先级中断的优先级
    SREG |= (1 << (7 - priority));
  } else {
    // 设置高优先级中断的优先级
    SREG |= (1 << (15 - priority));
  }
}

**逻辑分析：**
* `set_interrupt_priority()` 函数用于设置中断的优先级。
* 低优先级中断的优先级通过设置 `SREG` 寄存器的第7位到第4位来设置。
* 高优先级中断的优先级通过设置 `SREG` 寄存器的第15位到第12位来设置。
* 优先级值越小，中断优先级越高。

# 5. AVR单片机C程序设计进阶**

### 5.1 寄存器和中断的优化使用

**寄存器优化**

* **使用局部寄存器变量：**在函数内部声明寄存器变量，减少对全局寄存器的访问，提高程序效率。
* **寄存器组优化：**利用AVR单片机提供的寄存器组，将相关数据存储在同一寄存器组中，便于快速访问。
* **寄存器映射：**将频繁访问的数据映射到寄存器中，减少对内存的访问次数。

**中断优化**

* **中断优先级优化：**根据中断的紧急程度，设置不同的中断优先级，确保重要中断及时处理。
* **中断嵌套优化：**允许中断在处理过程中被其他中断打断，提高程序响应速度。
* **中断屏蔽优化：**在不必要的代码段中屏蔽中断，减少中断处理开销。

### 5.2 AVR单片机外设编程

**外设介绍**

* **定时器/计数器：**用于产生脉冲、测量时间或计数事件。
* **串口：**用于与外部设备进行数据通信。
* **ADC：**用于将模拟信号转换为数字信号。
* **DAC：**用于将数字信号转换为模拟信号。

**外设编程**

* **外设寄存器配置：**通过寄存器配置外设的工作模式、时钟源等参数。
* **中断处理：**为外设配置中断，在特定事件发生时触发中断处理程序。
* **外设驱动开发：**编写外设驱动程序，封装外设操作，简化程序开发。

**代码示例**

// 定时器0配置为CTC模式，周期为1ms
TCCR0A = (1 << WGM01);
TCCR0B = (1 << CS00);
OCR0A = 249;

// 串口0配置为8位数据、无奇偶校验、1个停止位
UCSR0C = (1 << UCSZ01) | (1 << UCSZ00);
UBRR0 = 103;

// ADC配置为单次转换模式，通道0
ADMUX = (1 << REFS0) | (1 << ADLAR);
ADCSRA = (1 << ADEN) | (1 << ADSC);