AVR单片机的USB在线下载器设计及实现论文 源代码.docx

书目摘要1第一章结论21.1 本论文的探讨目的和意义21.2 USB简介21.3 单片机技术及AVR单片机性能简介4其次章设计构思52. 1技术背景52 .2方案选择103 .3本章小结12第三章系统硬件设计123. 1MCU的选择123.1 硬件电路设计163.2 本章小结16第四章系统软件设计164.1 系统固件程序设计174. 2系统驱动程序设计184.1 ISP下载限制软件274.2 本章小结28第五章应用测试285. 1USB下载器驱动安装285.1 上位机应用程序测试285.2 测试及结果分析29第六章全文总结及展望316. 1全文总结316. 2展望32致谢33参考文献33附录36AVR单片机的USB在线下载设计及实现学生：刘炜指导老师：丁晓波（三峡高校电气信息学院）摘要：本文设计实现了一个基于USB技术的下载器，该下载器可以通过USB下载线将AVR单片机的HEX程序通过SPI线路下载到目标单片机中。在设计上采纳Tmega8单片机做限制器，它及计算机的通信采纳USB通信技术，对目标芯片编程采纳ISP技术，从而可以便利地在全部具有USB接口的计算机上进行AVR单片机系统及其他支持在线编程单片机系统的开发。经测试该下我器能够对单片机在线编程,在速度,牢靠性等方面较并口卜载器有较大的提高。关键词：USB技术；同步串行通信SPI；ISP在线编程；M）M驱动；Abstract：Inthispaper,adesigntechnologybasedontheUSBdevicetodown1oad,thedownloadcanbedown1oadedthroughtheUSBlinetoAVRmicrocontrollerthroughtheSPIlinesHEXprogramdown1oadedtothetargetMCU.Tmega8usedinthedesignofsingle-chipcontrollertodoitwiththecomputerusingtheUSBcommunicationtechnologycommunications,onthetargetchipusingISPProgrtimmingtechnology,whichcaneasilyhaveaUSBinterfaceinal1thecomputersandtheAVRMCUSystemsothersingle-chipsupportforonlineprogrammingsystem.Testedthedownloadofthesingle-chipdevicetoonlineprogramming,intermsofspeed,reliabiIityandsoonthantheparalIelporttodown1oaddevicehasgreatlyimproved.Keywords：USBtechnology;synchronousserialconmunicationSPl;ISPonlineprogramming;WDMdriver;第一章绪论1.1 本论文的探讨目的和意义通常进行单片机试验和开发，编程器是必不行少的。仿真、调试完的程序要借助编程器写入单片机的存储器中，随着单片机技术的发展出现了MTP(可多次编程)存储器技术和ISP(在系统可编程)技术，这样就可以省去昂贵的仿真器，只要通过计算机接口和条串行下载线就可干脆在目标芯片上编程。目前，比较成熟的ISP下载器大多是基于串口或者并口通信的，但存在以下问题：(1)用户PC机的主频、硬件和操作系统不同，可能会造成限制信号错误；(2)不同的厂商供应不同的ISP下载器，互不兼容，给嵌入式开发带来不便；(3)限于串、并口的通信协议，ISP数据传输速率较低，影响嵌入式产品的开发。基于以上缘由，本课题要求完成一个基于计算机USB端口的AVR程序下载器，利用该下载器可以通过计算机的USB端口实现对SPI信号的模拟，并完成对AVR程序的下载。从而可以便利地在全部具有USB接口的计算机上进行AVR单片机开发。1.2 USB简介USB»全称为UniVerSaISerialBUS(通用串行总线)，它是由Compaq、IBM.IntekNEC、MiCroSoft等一些PC大厂商联合开发的一种新型的、基于令牌的、高速的串行接口标准。USB把各种不同的接口统一起来，仅用一个4针插头作为标准插头，通过这个标准插头，采纳菊花链形式可以把全部的外设连接起来，并且不会损失带宽。传输速度是USB发展的主要指标之一，USBI办议已从最初的速度只有1.5MbPS（慢速）和12Mbps（全速）的1.l版本，发展到速度高达480Mbps的2.0版本。如今特地用于USB外设间“可移动互连”的2.0补充规范USBOTG（On-The-Go）已经发布，使得USB总线可以进行点对点的数据传输，而不肯定要求主机的参及。USB接口已被各种流行的操作系统所支持，并应用于各种数据终端设备中。它之所以能够在当今的外用设备标准接口中占有重要的地位，是由于它具有以下的性能特点： 终端用户的易用性：为连接电缆和连接头供应了单一的模型；支持即插即用和热拔插；自我检测外设，自动地进行设备驱动设置；可动态连接，动态重置外设。 应用广泛性：适应不同的设备，供应低速传输（1.5Mbps）.全速传输（12Mbps）和高速传输（480MbPS）；可连接至多127个物理设备，并支持对多个设备的同时操作；在主机和设备之间可以传输多个数据和信息流：利用底层协议，提高了总线利用率。 同步传输带宽：确定的带宽和低延迟适合电话系统和音频的应用；同步工作可以利用整个总线带宽。 敏捷性：可以选择系列大小的数据包，允许对设备缓冲区大小进行选择：通过指定数据缓冲区大小和执行时间，支持各种数据传输率：通过协议对数据流进行缓冲处理。 健壮性：出错处理/差错复原机制在协议中运用；对用户感觉而言,热拔插是完全实时的：可以对有缺陷设备进行认定。 及PC产业的一样性：协议的易实现性和完整性；及PC机即插即用的体系结构的样；对现存操作系统接口的良好连接。 成本低廉：以低廉的价格供应1.5MbPS的子通道设施；将外设和主机硬件进行了最优化的集成；促进了低价特别设的发展：廉价的电缆和连接头。对于数字系统而言，尤其是目前在工业界被广泛应用的嵌入式系统，进行USB技术的开发和应用是特别必要的。一方面，USB技术作为一种新兴的串行通信技术，随着协议版本的不断更新，传输速度已从1.5Mbs的低速发展到480Mbs的高速，可以在很大的程度上满意不同数字系统对串行通信的要求。另一方面，USB技术不同于以往的串行通信接口技术，包含总线通信协议等内容，在实际应用中，可以依据须要把数字系统开发成相应的USB主机、USB设备以及USBOTG(USBOn-the-Go,USB主机、从机自适应)设备,在实现不同系统之间的数据交互方面有很大的敏捷性。对于Sock而言，假如可以将系统内对数据传输要求较高的局部模块设计成具有标准接口的点对点连接方式，而总体仍沿用传统的片内总线数据传输方式，就可以让SoC器件很好的解决接口困难化和同步-异步的协调问题。作为标准化的串行通信接口，USB接口是特别适合SoC点对点连接设计的一种选择，不但在传输速度上可以基本满意SoC器件中各模块间数据交互的要求，而且从结构上来说，USB电缆只需VBus>GND、D+和四根线，特别简洁。因此，基于上述分析，对USB技术在数字系统尤其是嵌入式系统中的应用方法进行探讨，为日后USB技术在Soc设计领域广泛应用奠定基础,就显得尤为重要，具有特别深远的意义。1.3单片机技术及AVR单片机性能简介AVR单片机是ATME1.公司2019年推出的全新配置精简指令集RISC(ReducedInstructionSetCPU)单片机。精简指令集RISC结构是20实际90年头开发出来的，是综合了半导体集成技术和软件性能的新结构。这种结构使得AVR单片机具有接近IMIPS/MHz的高速处理实力。AvR单片机开发的目的在于，能采纳C语言编程，从而能高效的开发出目标产品。为了对目标代码大小，性能及功耗进行优化，AVR单片机采纳了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。快速存取RISC寄存器文件由32个通用工作寄存器组成。传统的基于累加器的结构须要大量的程序代码，以实现累加器和存储器之间的数据传输；在AVR单片机中，用32个通用工作寄存器代替累加器，从而可避开传统的累加器和存储器之间的数据传输造成的瓶颈现象。AVR单片机运用Harvard结构，在前一条指令执行的时候就取出现行的指令，然后以一个周期执行指令。在其它的CISC以及类似的RISC结构的单片机中，外部振荡器的时钟被分频降低到传统的内部指令执行周期，这种分频最大达12倍。AVR单片机是用一个周期执行一条指令的，它是在8位单片机中第一个真正的RISC结构的单片机。AVR单片机采纳低功耗，非挥发的CMOS工艺制造，内部分别集成Flash,EEPROM和SRAMT种不同性能和用途的存储器。除了可以通过SPI口和一般的编程器对AVR单片机的Flash程序存储器和EEPROM数据存储器进行编程外，绝大多数的AVR单片机还具有在线编程（ISP）的特点，这给学习和运用AVR单片机带来了极大的便利。其次章设计构思2.1 技术背景嵌入式系统及开发技术嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、牢靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的应用可以说涵盖了国民经济建设的各个方面，并处于高速发展之中，其中在以下几个方面的发展尤其显著：系统机构处于困难：网络互联成为必定趋势：应用实时精简系统内核、算法来降低功耗和软硬件成本；系统供应友好的人机界面。所以，通过对嵌入式系统的基本概念、应用以及发展趋势的了解，可以看到，嵌入式系统的探讨是计算机学科综合各项理论和技术的集大成者。针对这样的要求，论文本设计是基于嵌入式系统的USB外设的开发。（一）嵌入式系统组成结构嵌入式系统由硬件和软件两部分组成，所以其分类可以从硬件和软件两方面进行划分。嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器及通用处理器最大的不同点在于：嵌入式CPU大多工作在为特定用户群所特地设计的系统，它将通用CPU中很多板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和牢靠性。嵌入式处理器的体系结构经验了从ClSC（困难指令集）到RISC（精简指令集）的转变，位数有4位、8位、16位、32位逐步发展到64位。嵌入式处理器是嵌入式系统硬件部分的核心，近年来嵌入式微处理器的主要发展方向是小体积、高性能、低功耗。专业分工也越来越明显，出现了专业的IPC(IntelIeClUaIProPertyCOre学问产权供应商,如ARM、MIPS等,这些属于微处理器(MicroProcessorUnit,MPU),用于计算机通信领域的嵌入式DSP处理器(DigitalSignalProcessor,DSP)和高度集成的嵌入式片上系统(SystemOnChip,S0C)o目前几乎每一个半导体制造商都生产嵌入式处理器，并且越来越多的公司起先拥有自主的处理器的设计部门，流行的结构有30多个系列，其中以ARM、PowerPC、MIPS等运用得最为广泛。嵌入式软件是针对特定应用领域，基于某个固定的硬件平台，用来达到用户预期目标的计算机软件。为了嵌入式系统的开发更加便利和快捷，须要特地负责管理存储器安排、中断管理、任务调度等功能