Микроконтроллер ATmega8 и ATmega8A

Характеристики ATmega8

Ядро у ATmega8 то же, что у остальных классических ATmega: команды, флаги и такты — в статье «Система команд AVR». Набор команд у него чуть меньше, чем у ATmega328P: в даташите заявлено 130 команд против 131, нет, например, команды BREAK.

ATmega8, ATmega8L и ATmega8A

ATmega8 выпускался в двух исполнениях: ATmega8 на 4,5–5,5 В и до 16 МГц и низковольтный ATmega8L на 2,7–5,5 В и до 8 МГц. ATmega8A объединил их: указание по применению AVR523 называет его функционально идентичной прямой заменой ATmega8, у них одна сигнатура и одна прошивка. Отличаются электрические параметры — ATmega8A делают по другой технологии.

Токи типовые, при 25 °C. У ATmega8 и ATmega8L общий даташит, и ток при 3 В нормирован в нём только для ATmega8L, а при 5 В и 8 МГц — для ATmega8. AVR523 называет снижение потребления главным отличием ATmega8A: от 33 до 51 % в зависимости от режима. Менять при переходе на ATmega8A ничего не нужно — ни схему, ни прошивку, ни фьюзы.

ATmega8 и семейство ATmega88/168/328P

Следующее поколение — ATmega48/88/168, позже ATmega328 — Atmel сделала совместимым с ATmega8 по выводам. Но в AVR094 прямо сказано: ATmega88 не задуман как замена ATmega8, это кристалл со сходным набором возможностей. Что в нём добавилось по сравнению с ATmega8, по тому же документу:

• расширенный диапазон: 4 МГц при 1,8 В, 10 МГц при 2,7 В, 20 МГц при 4,5 В;
• меньшее потребление и более быстрая запись EEPROM — 3,4 мс вместо 8,5 мс;
• делитель системной частоты и вывод тактового сигнала на порт;
• отладка по debugWIRE;
• прерывания по изменению уровня на любом выводе;
• сторожевой таймер с режимом прерывания;
• ШИМ и блоки сравнения у Timer0 и Timer2;
• режим ведущего SPI у USART и регистры общего назначения GPIOR.

Что это значит на практике, разобрано в разделе о замене ATmega8 на ATmega88, а сам ATmega328P — в отдельной статье об ATmega328P.

Распиновка ATmega8

Разводка корпусов у ATmega8 и ATmega8A одинакова и совпадает с ATmega88/168/328P — отличаются только альтернативные функции некоторых выводов. Номера в рамках — выводы Arduino, как их нумерует ядро Arduino AVR для платы NG с ATmega8.

Чем разметка отличается от ATmega328P:

• PD5 и PD6 — только вход счёта T1 и вход компаратора AIN0: выходов OC0B и OC0A нет, потому что у Timer0 нет блока сравнения.
• PD3 — только INT1, выхода OC2B нет: у Timer2 один канал сравнения, его выход OC2 — на PB3 вместе с MOSI.
• PB0 — только вход захвата ICP1, вывода тактового сигнала CLKO нет.
• PCINT нет ни на одном выводе: внешние прерывания — только INT0 (PD2) и INT1 (PD3).

AVCC питает АЦП, линии PC0–PC3 и входы ADC6, ADC7; PC4 и PC5 питаются от VCC. Подключать AVCC нужно всегда, даже без АЦП, с АЦП — через фильтр; разница с VCC — не больше 0,3 В. Абсолютный максимум — 40 мА на вывод и 300 мА через выводы VCC и GND; выходные уровни нормированы при 20 мА и 5 В: низкий не выше 0,9 В, высокий не ниже 4,2 В. Внутренние подтягивающие резисторы — 20–50 кОм, на RESET — 30–80 кОм.

Тактирование ATmega8

Источники тактирования и фьюз CKOPT

Фьюз CKOPT у ATmega8 выбирает режим кварцевого генератора. Незапрограммированный (1) — пониженный размах на XTAL2, меньший ток и ограниченный диапазон: кварцы до 8 МГц, резонаторы тоже до 8 МГц. Запрограммированный (0) — размах от нуля до питания, работа в шумной обстановке и возможность тактировать другие микросхемы с XTAL2; с ним генератор работает с кварцами от 1 МГц и выше, а с резонаторами — до 16 МГц.

В других режимах CKOPT значит другое. С внешним тактовым сигналом и внешней RC-цепочкой он подключает внутренний конденсатор 36 пФ, с часовым кварцем — внутренние конденсаторы 36 пФ на XTAL1 и XTAL2, и тогда внешние не нужны. С внутренним RC-генератором CKOPT по даташиту всегда должен оставаться незапрограммированным.

Внутренний RC-генератор и калибровка

Внутренний генератор даёт 1, 2, 4 или 8 МГц (CKSEL3:0 = 0001, 0010, 0011, 0100). Калибровочных байтов четыре — по одному на частоту, они лежат в сигнатурной строке, но при сбросе в регистр OSCCAL автоматически загружается только байт для 1 МГц. С ним частота при 5 В и 25 °C отличается от номинала не больше чем на ±3 %, а подстройкой во время работы можно добиться ±1 %. Если выбран генератор 2, 4 или 8 МГц, калибровку для этой частоты программа должна записать в OSCCAL сама: прочитать байт программатором (в avrdude — память calibration), сохранить во флеш-памяти или EEPROM и при старте переписать в OSCCAL. Без этого точность частоты не гарантирована: заводская калибровка, загруженная при сбросе, относится только к 1 МГц.

Если программа пишет флеш-память или EEPROM, OSCCAL нельзя поднимать больше чем на 10 % выше номинала: этот генератор задаёт время записи, и запись может не пройти.

У ATmega8 нет делителя системной частоты вроде CLKPR у ATmega328P: частоту выбирают только фьюзами, а внутренний генератор — одним из четырёх значений.

Фьюзы ATmega8

У ATmega8 два байта фьюзов, расширенного байта нет. Бит, равный 0, — запрограммирован.

• BODEN = 0 включает детектор пониженного питания, BODLEVEL выбирает порог: 1 — 2,6 В (2,4–2,9 В), 0 — 4,0 В (3,7–4,5 В).
• SUT1:0 вместе с CKSEL0 задают время запуска: для кварца — 16K тактов и дополнительно 0, 4,1 или 65 мс после сброса.
• BOOTSZ1:0 — размер загрузочной секции: 11 — 128 слов (256 байт), 10 — 256 слов, 01 — 512 слов (1 КБ), 00 — 1024 слова (2 КБ) с началом по адресам слов 0xF80, 0xF00, 0xE00 и 0xC00. BOOTRST = 0 — старт с загрузчика.
• RSTDISBL, WDTON, SPIEN, EESAVE — как у ATmega328P: вывод RESET как порт PC6, сторожевой таймер всегда включён, программирование по SPI, сохранение EEPROM при стирании кристалла.

Значения для Arduino NG взяты из boards.txt ядра Arduino AVR: загрузчик занимает 1 КБ, под скетч остаётся 7168 байт, а загружается он на 19 200 бит/с. Записывают фьюзы avrdude, ключ -p m8:

avrdude -c usbasp -p m8 -B 10 -U lfuse:w:0x1F:m -U hfuse:w:0xC9:m

Частота SCK программатора должна быть ниже четверти тактовой частоты кристалла: новый ATmega8 работает на 1 МГц, и ключ -B 10 (около 100 кГц) здесь обязателен. Опасные ошибки те же, что у ATmega328P: выбор несуществующего источника тактирования лечится подачей внешнего такта на XTAL1, а RSTDISBL — только высоковольтным параллельным программированием. Подробнее — в разделе о фьюзах ATmega328P. У ATmega8 добавляется своя ловушка — кварц 16 МГц с незапрограммированным CKOPT. Это режим вне даташита: генератор с пониженным размахом рассчитан на кварцы только до 8 МГц, и ни запуск, ни устойчивая работа не гарантированы.

Периферия ATmega8 и отличия от ATmega328P

Таймеры: ШИМ только на трёх выводах

• Timer0 — 8-битный счётчик с делителем 1, 8, 64, 256 или 1024 и внешним входом T0 (PD4). Блоков сравнения у него нет, а значит, нет ни ШИМ, ни режима CTC: только прерывание по переполнению. Ядро Arduino для ATmega8 считает на нём millis() с тем же делителем 64, что и на ATmega328P.
• Timer1 — 16 бит, как у ATmega328P: два канала сравнения OC1A (PB1) и OC1B (PB2), захват по ICP1 (PB0) или от компаратора, все 15 режимов, включая fast PWM с верхним значением в ICR1. Код для Timer1 переносится между ATmega8 и ATmega328P почти без изменений: меняются регистры прерываний TIMSK и TIFR, а биты принудительного сравнения FOC1A и FOC1B у ATmega328P переехали из TCCR1A в TCCR1C.
• Timer2 — 8 бит, один канал сравнения OC2 (PB3), режимы normal, CTC, fast PWM и phase correct, делитель 1, 8, 32, 64, 128, 256 или 1024. Все настройки — в одном регистре TCCR2, а не в двух, как у ATmega328P. Timer2 может считать от часового кварца на TOSC1 и TOSC2, но, как и у ATmega328P, только когда ядро работает от внутреннего RC-генератора.

USART: общий адрес UBRRH и UCSRC

Главная ловушка ATmega8. Регистры UBRRH (старшие 4 бита делителя скорости) и UCSRC (формат кадра) делят один адрес ввода-вывода, и запись в него направляет старший бит байта — URSEL: 0 — запись в UBRRH, 1 — в UCSRC.

UBRRH = 0;                                        /* URSEL = 0: this goes to UBRRH */
UBRRL = 103;                                      /* 9600 baud at 16 MHz, +0.2 % */
UCSRC = (1 << URSEL) | (1 << UCSZ1) | (1 << UCSZ0);   /* URSEL = 1: UCSRC, 8N1 */

Если забыть URSEL и написать UCSRC = (1 << UCSZ1) | (1 << UCSZ0), байт 0x06 попадёт в UBRRH: делитель станет 0x667 = 1639, и при 16 МГц скорость упадёт с 9600 примерно до 610 бит/с. С чтением сложнее: первое чтение адреса возвращает UBRRH, а UCSRC — только второе чтение подряд, в следующем такте, поэтому на время чтения запрещают прерывания. После сброса UCSRC уже равен 0x86 — формат 8N1, — так что для обычного кадра его можно вообще не трогать.

У ATmega328P этой особенности нет: UBRR0H и UCSR0C — отдельные регистры, бита URSEL нет, а на его месте в UCSR0C — бит выбора режима UMSEL01. Формулы и таблицы скоростей у обоих одинаковые: UBRR = 103 на 16 МГц для 9600 бит/с с ошибкой 0,2 %, проверить другие сочетания поможет калькулятор скорости UART. Как устроен кадр UART и почему важна точность скорости, разобрано в статье про UART.

АЦП, компаратор, прерывания и сторожевой таймер

• АЦП — 10 бит, тактовая частота 50–200 кГц для полной точности, 13 тактов на преобразование (первое — 25), делитель 2–128 как у ATmega328P. Опорное напряжение — AREF, AVCC или внутренний источник 2,56 В. Автозапуск только один: непрерывный режим битом ADFR. Входы ADC4 и ADC5 совмещены с линиями TWI: работа TWI мешает преобразованиям только на этих двух каналах.
• Аналоговый компаратор — AIN0 (PD6) и AIN1 (PD7); бит ACME, который подключает вместо AIN1 мультиплексор АЦП, лежит в регистре SFIOR.
• Внешние прерывания — только INT0 (PD2) и INT1 (PD3), биты условий — в MCUCR, разрешения — в GICR.
• Сторожевой таймер тактируется собственным генератором; таймаут при 5 В — от 16,3 мс до 2,1 с. Прерывания по таймауту нет: только сброс.
• SPI и TWI устроены так же, как у ATmega328P: выводы PB2–PB5 и PC4, PC5. Подробно — в статьях про SPI и I²C.

Питание и режимы сна

Граница допустимой частоты у ATmega8A идёт от 8 МГц при 2,7 В до 16 МГц при 4,5 В. При питании 3,3 В это около 10,7 МГц, поэтому 3,3-вольтовые схемы на ATmega8A обычно работают на 8 МГц — от кварца или внутреннего RC-генератора. Детектор пониженного питания подстраивают под частоту: для 16 МГц — порог 4,0 В (более высокого у ATmega8 нет), для 8 МГц — 2,6 В.

Токи в таблице — типовые; максимальные в Power-down при 3 В — 3 мкА без сторожевого таймера и 28 мкА с ним. Режим сна выбирают биты SM2:0 и SE в регистре MCUCR — у ATmega328P они переехали в отдельный регистр SMCR. Режима Extended Standby у ATmega8 нет: по даташиту его убрали, потому что выводы TOSC и XTAL совпадают.

Замена ATmega8 на ATmega88, ATmega168 или ATmega328P

Новый кристалл встанет в ту же панельку, но прошивка для ATmega8 на нём не заработает: её нужно пересобрать с другим -mmcu и поправить. Указание по применению AVR094 перечисляет все отличия ATmega8 от ATmega88; для ATmega168 и ATmega328P они те же, только вектор прерывания у них занимает два слова.

Векторы прерываний

У ATmega88 добавились прерывания PCINT, сторожевого таймера и вторых каналов сравнения таймеров 0 и 2, поэтому все векторы, кроме сброса, INT0 и INT1, сдвинулись. Таблица векторов, собранная avr-gcc для ATmega8, на ATmega88 вызовет не те обработчики.

В C достаточно поменять имена векторов в ISR(): avr-gcc сам построит таблицу. В ассемблере таблицу переписывают целиком, а у ATmega168 и ATmega328P вместо RJMP в векторах ставят JMP.

Регистры и биты

Почти все регистры ATmega8 у ATmega88 переехали на другие адреса, многие — в расширенное пространство ввода-вывода 0x60–0xFF. В программе на C с символическими именами это незаметно, а в ассемблере команды IN, OUT, SBI и CBI для таких регистров заменяют на LDS и STS: например, регистры USART, TWI, Timer1, Timer2 и АЦП доступны только через память данных. Переименования из AVR094:

Фьюзы, тактирование и аналоговая часть

• Фьюзы придётся считать заново. У ATmega88 три байта: BOOTSZ и BOOTRST переехали в расширенный байт (у ATmega328P они остались в старшем), детектор пониженного питания задают три бита BODLEVEL2:0, CKOPT исчез, появились CKDIV8, CKOUT и DWEN. Пороги BOD другие: 1,8, 2,7 и 4,3 В у ATmega88 против 2,6 и 4,0 В у ATmega8 — сопоставимые пороги у нового кристалла выше.
• Тактирование. Источники почти те же, кроме внешней RC-цепочки — у ATmega88 её нет. Ко всем задержкам запуска добавлено 14 тактов, а значения CKSEL и SUT нужно подобрать заново по даташиту. Калиброванный внутренний генератор у ATmega88 один — 8 МГц (есть ещё неточный на 128 кГц); с завода он работает через делитель на 8, калибровочный байт загружается автоматически, а другую частоту задают делителем CLKPR, а не фьюзами.
• Опорные напряжения. Внутренний источник для АЦП — 1,1 В вместо 2,56 В, для компаратора — 1,1 В вместо 1,23 В. Коэффициенты пересчёта кодов АЦП в напряжение придётся поменять.
• Сторожевой таймер настраивается другими значениями делителя и отдельной последовательностью: бит WDE нельзя сбросить, пока установлен флаг WDRF в MCUSR.
• Сигнатура ATmega88 — 0x1E 0x93 0x0A, у ATmega88PA — 0x1E 0x93 0x0F: в avrdude меняется ключ -p.

Порядок переноса

1. Пересобрать проект с -mmcu=atmega88 (или atmega168, atmega328p) и исправить ошибки компиляции по таблице регистров выше — это быстрее всего находит устаревшие имена.
2. Переписать инициализацию USART без URSEL, таймеров 0 и 2 — с учётом TCCRxA и TCCRxB, прерываний — с EIMSK, EICRA и TIMSKx.
3. Поменять имена векторов в ISR(); в ассемблере переписать таблицу векторов и обращения к регистрам, переехавшим в расширенное пространство ввода-вывода.
4. Пересчитать фьюзы под новый кристалл и записать их до первой прошивки: не забыть, что с завода включён делитель на 8.
5. Проверить АЦП с внутренней опорой и сторожевой таймер — у них изменились напряжение и логика.

Минимальная схема ATmega8

Схема включения ATmega8 такая же, как у ATmega328P: разводка выводов совпадает, а развязку питания, сброс и кварц AVR042 рекомендует одинаково для всех AVR.

• Кварц 16 МГц с конденсаторами 22 пФ и фьюзы Low 0x1F, High 0xC9 — CKOPT запрограммирован. Для кварца до 8 МГц CKOPT можно не программировать: генератор с пониженным размахом потребляет меньше.
• Без кварца XTAL1 и XTAL2 становятся линиями PB6 и PB7, а кристалл работает от внутреннего генератора 1–8 МГц — для UART без калибровки его точности обычно не хватает.
• Развязка: по 100 нФ у выводов 7–8 и 20–22, AVCC — к питанию даже без АЦП, AREF — конденсатор 100 нФ на общий провод при опоре AVCC или 2,56 В.
• Сброс: подтяжка 10 кОм. debugWIRE у ATmega8 нет, поэтому конденсатор от RESET на общий провод, который AVR042 советует для защиты от помех, ставить можно — но вместе с C6 он образует делитель и ослабляет импульс автосброса.
• ISP — те же выводы MOSI, MISO, SCK и RESET (17, 18, 19 и 1), что и у ATmega328P. USB–UART с цепочкой DTR — C6 — RESET нужен, только если в кристалле есть загрузчик.

Пример на C: один исходник для ATmega8 и ATmega328P

Программа принимает символы через USART на 9600 бит/с, отправляет их обратно и цифрами 0–9 задаёт яркость светодиода на выводе PB3 (OC2 у ATmega8, OC2A у ATmega328P, D11 на Arduino). Кварц — 16 МГц. Различия регистров собраны в двух ветках #if, так что файл собирается для обоих кристаллов — это заготовка для переноса старого проекта.

/* USART echo at 9600 baud, 8N1, and an LED dimmer on PB3; 16 MHz crystal.
 * Builds for ATmega8 (-mmcu=atmega8) and ATmega88/168/328P (-mmcu=atmega328p). */
#ifndef F_CPU
#define F_CPU 16000000UL
#endif
#define BAUD 9600

#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>
#include <util/setbaud.h>

#if defined(__AVR_ATmega8__)
/* ATmega8: UBRRH and UCSRC share one address, URSEL selects UCSRC */
static void uart_init(void)
{
  UBRRH = UBRRH_VALUE;                            /* URSEL = 0: this is UBRRH */
  UBRRL = UBRRL_VALUE;                            /* 103 at 16 MHz */
  UCSRA = USE_2X ? _BV(U2X) : 0;
  UCSRC = _BV(URSEL) | _BV(UCSZ1) | _BV(UCSZ0);   /* URSEL = 1: this is UCSRC, 8N1 */
  UCSRB = _BV(RXEN) | _BV(TXEN);
}
#define UART_RX_READY() (UCSRA & _BV(RXC))
#define UART_TX_READY() (UCSRA & _BV(UDRE))
#define UART_DATA UDR

static void pwm_init(void)
{
  DDRB |= _BV(PB3);                               /* OC2 */
  TCCR2 = _BV(WGM21) | _BV(WGM20) | _BV(COM21) | _BV(CS22);  /* fast PWM, clk/64 */
}
#define PWM_DUTY OCR2

#else
/* ATmega88/168/328P: separate UBRR0H and UCSR0C, timer 2 has TCCR2A and TCCR2B */
static void uart_init(void)
{
  UBRR0H = UBRRH_VALUE;
  UBRR0L = UBRRL_VALUE;
  UCSR0A = USE_2X ? _BV(U2X0) : 0;
  UCSR0C = _BV(UCSZ01) | _BV(UCSZ00);             /* 8N1, no URSEL bit */
  UCSR0B = _BV(RXEN0) | _BV(TXEN0);
}
#define UART_RX_READY() (UCSR0A & _BV(RXC0))
#define UART_TX_READY() (UCSR0A & _BV(UDRE0))
#define UART_DATA UDR0

static void pwm_init(void)
{
  DDRB |= _BV(PB3);                               /* OC2A */
  TCCR2A = _BV(COM2A1) | _BV(WGM21) | _BV(WGM20); /* fast PWM on OC2A */
  TCCR2B = _BV(CS22);                             /* clk/64 */
}
#define PWM_DUTY OCR2A
#endif

int main(void)
{
  uart_init();
  pwm_init();
  for (;;) {
    while (!UART_RX_READY()) {}
    uint8_t c = UART_DATA;
    if (c >= '0' && c <= '9') {
      PWM_DUTY = (uint8_t)((c - '0') * 28);       /* '0'...'9' -> OCR 0...252, duty (OCR + 1) / 256 */
    }
    while (!UART_TX_READY()) {}
    UART_DATA = c;                                /* echo */
  }
}

Частота ШИМ в обоих случаях — 16 МГц / (64 · 256) ≈ 976,6 Гц, а скважность в режиме fast PWM — (OCR + 1) / 256: даже при нуле на выходе остаётся узкий импульс в один такт таймера. У ATmega8 делитель 64 (бит CS22) и режим fast PWM (биты WGM21 и WGM20) задаются в одном регистре TCCR2, у ATmega328P CS22 лежит в TCCR2B, а WGM21 и WGM20 — в TCCR2A. Сборка и прошивка через USBasp:

avr-gcc -mmcu=atmega8 -Os -o echo.elf echo.c
avr-objcopy -O ihex -R .eeprom echo.elf echo.hex
avrdude -c usbasp -p m8 -U flash:w:echo.hex:i

Для ATmega328P меняются -mmcu=atmega328p и -p m328p. Светодиод на PB3 подключают через резистор: его номинал для нужного тока посчитает калькулятор резистора для светодиода. На время прошивки по ISP помните, что PB3 — это ещё и MOSI: нагрузка на нём не должна мешать программатору.

Типичные ошибки

Если нужен 28-выводный AVR для нового устройства, проще сразу взять ATmega328P: та же разводка, вчетверо больше флеш-памяти и вдвое больше каналов ШИМ. Старший кристалл с 128 КБ флеш-памяти и JTAG разобран в статье об ATmega128, сравнение всех семейств и программаторов — в разделе об AVR, а общий обзор микроконтроллеров — в разделе «Микроконтроллеры».