AVR单片机嵌入式系统设计：深入理解嵌入式系统架构及编程

# 1. 嵌入式系统概论**

嵌入式系统是一种专用于执行特定任务的计算机系统，通常集成在更大系统中。它由硬件和软件组成，硬件负责提供计算能力，而软件则控制硬件并执行所需的任务。

嵌入式系统广泛应用于各种领域，如汽车、医疗、工业自动化和消费电子产品。它们的特点是尺寸小、功耗低、可靠性高和成本低。嵌入式系统通常需要实时响应，这意味着它们必须在指定的时间内完成任务。

# 2. AVR单片机架构

### 2.1 AVR单片机硬件结构

AVR单片机采用哈佛架构，即程序存储器和数据存储器是物理上分开的。AVR单片机的主要硬件组件包括：

- **中央处理单元（CPU）**：负责执行指令和处理数据。
- **存储器**：包括程序存储器（Flash）和数据存储器（SRAM和EEPROM）。
- **输入/输出（I/O）端口**：用于与外部设备进行通信。
- **时钟系统**：提供时钟信号，控制单片机的运行速度。
- **复位电路**：用于复位单片机，使其重新启动。

### 2.2 AVR单片机指令集

AVR单片机指令集采用RISC（精简指令集计算机）架构，具有以下特点：

- **指令长度固定**：所有指令都是16位长，简化了指令解码。
- **操作码少**：指令集只有68个操作码，易于学习和记忆。
- **寄存器寻址**：大多数指令直接操作寄存器，减少了对内存的访问。

### 2.3 AVR单片机存储器结构

AVR单片机具有分段的存储器结构，包括：

- **程序存储器（Flash）**：存储程序代码，通常为32KB或64KB。
- **数据存储器（SRAM）**：存储变量和数据，通常为2KB或4KB。
- **EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）**：存储非易失性数据，通常为512B或1KB。

**存储器映射**

AVR单片机存储器映射如下：

| 地址范围 | 存储器类型 |
|---|---|
| 0x0000 - 0xFFFF | 程序存储器（Flash） |
| 0x0000 - 0x05FF | 数据存储器（SRAM） |
| 0x0600 - 0x07FF | EEPROM |

**代码段、数据段和BSS段**

AVR单片机程序分为代码段、数据段和BSS段：

- **代码段**：存储程序指令。
- **数据段**：存储已初始化的全局变量和静态变量。
- **BSS段**：存储未初始化的全局变量和静态变量，其值默认为0。

**代码块示例**

以下代码块展示了AVR单片机存储器结构：

#include <avr/io.h>

int main(void) {
  // 访问程序存储器
  uint8_t data = pgm_read_byte(0x1000);

  // 访问数据存储器
  uint8_t var = 0x55;

  // 访问EEPROM
  eeprom_write_byte((uint8_t*)0x600, 0xEE);

  retur