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Last modified: Thu Mar 6 22:53:26 JST 2003 人目

ATMEL AVRで遊ぶ - PICを捨ててAVRを使おう

AVRは PICと同様な8bitの1チップマイコンです。コードとデータ領域が完全に別になっているハーバードアーキテクチャで、メモリにアクセスするのは(基本的には)ロードストア命令のみになってます。

AVRに関するドキュメント

AVR命令セット(英語PDF)
AT90S1200仕様書(英語PDF)
AT90S2313仕様書(英語PDF)
AT90S2323(英語PDF) (日本語PDF)
上記資料の日本語版
PICNICに対抗してAVRNIC? eAVR Project
AVRに関する日本語の本やドキュメントはまだ少ないです。
書籍: マイクロコントローラAVR入門
リンク: AVRで遊ぶ、 ATMEL AVRだ、 Nの電子講座 AVRマイコン編、 TAP-AVR、 chanさんによるAVRの紹介はとても参考になります。

特徴

AVRの特徴、それは安い、速い、プログラミングしやすい、プログラムを焼く時に高電圧をかけなくても良いという点です。

安い

AVRの AT90S1200-12は、PICの PIC16F84A-20/Pよりも安いです。残念ながらAT90S2313-10はPIC16F84A-20/Pとあまり値段が変わらなくなってしまいました。ちょっと前まではPICは￥800位したのですが…。
AVRは後述するSPIを用いればVdd(通常+5V)とは別にVpp(+12V)を用意する必要がないので、Chanさんの所にあるように Writerが楽に作れます。

速い

1命令4サイクルかかるPICと違い、AVRは(大部分の命令が)1命令1サイクルです。なのでAVRは同クロックのPICの4倍速いことになります。でも最近は、50MHzで動く高速PIC 互換チップも出てきたので、価格に糸目をつけなければ速度に対するメリットはそんなにないかもしれません。

プログラミングしやすい

PICでの演算は必ずwレジスタを介して行います。 w以外のレジスタファイル(SRAM)同士での演算はできません。
fをレジスタファイルとすると、w=f+wまたはf=f+wという形になります。
AVRでは、32本ある任意の8bitレジスタ間同士で演算ができます(即値を取る命令を除く)。
引き算命令は、PICではアセンブラでの表記が subwf r なのに演算が w=r-w と普通とは引く方と引かれる方が逆になっているのに対し、
AVRではアセンブラでの表記が sub r1,r2 で演算が r1=r1-r2 と素直になっています。
個人的にはこれらの事が一番気に入ってます。コンピュータアーキテクチャを研究している身から言っても、 ISA(Instruction Set Architecture)が綺麗なのは素晴らしいと思います。
インタプリタやコンパイラを使わずにアセンブラでプログラミングしている場合、この良さを体験すればPICは捨てたくなるでしょう。
世の中にはPIC の入門書は一杯あるのにAVRの入門書は一冊しか私は知りません。
やっと流行りはじめたという感じですね。

プログラムを焼く時に高電圧をかけなくても良い

AVRでSPI(Serial Programming Interface)を用いてプログラミングする場合は、 PICと違って高電圧(Vpp=12V程度)をかける必要がありません。そのため基板につけたまま焼く時でもVddを供給するだけで済みます。これは非常に便利です。
もちろん、基板から石を外してAVRライタやPICライタに挿すことでも焼くことはできます。この場合には両者ともVppが必要となります。

全種類FLASH ROM搭載

PICにはプログラムが一度しか書き込みができないROM(WO-ROM)をもつものがあります。
AVRは全種類FLASH ROMを搭載しているので、1000回程度までプログラムが書き換えできます。

I/Oポートとの違い

以下、PICはPIC16F84A-20を、AVRはAT90S1200-12を示すとします。

PICではPORTBの8bitのみプルアップ可能で、 PORTBの8bitを全てプルアップするかしないかしか選択できない。
AVRではPORTB,PORTDの全ポートについてプルアップ可能で、各bit毎にプルアップするかどうか選択可能。
PICでは、PORTAのRA4にのみ入力にシュミットトリガが入っている。AVRでは全ポートに入っている。 PICのPORTAのRA4はオープンコレクタになっているので、当該ポートから通常の出力を得るにはプルアップ抵抗が必要。AVRにはオープンコレクタ出力は無い。
PICではMCLR(RESET)端子はプルアップしておく必要がある。 AVRではRESET端子は内部でVddにプルアップされているのでプルアップは不要。 (2003/02/11追記:これは嘘で、回路構成によっては10kΩ程度でプルアップしないと勝手にリセットがかかることがある。最初はプログラムがバグってるのかと思ってしまったがバグってるようには見えなかったので、何が原因なのかさっぱりわからなかった。)
AVRはPICよりもIOが2本多い(AVR:15本、PIC:13本)。多いから便利だという場合もあるし、チップの占有面積が広くて邪魔だという場合もあるだろう。
PICには特定のIOレジスタにアクセスするにはバンク切り替えが必要。 AVRではバンクがなく全IOレジスタに直接アクセス可能。 PICではバンク切り替え中に割込処理に入るとハマる可能性があるので注意。

IOのビット操作命令の問題
PICではPORTBに値を書くと結果は出力のラッチに書かれ、 PORTBを読むと現在のポートの値が返る。出力のラッチの値を読むための専用の線は存在しない。
ビット操作命令(BCF/BSF)を使うと、ポートから8bitの値を読み、特定のビットをセットした後、結果の8bitを出力のラッチに書く。そのため、セットするビット以外で、入力モードになっているビットはポートからの入力の影響を受ける。
よって、ポートを入出力兼用とする場合は出力のラッチの値がポートの入力により変化してしまうので注意が必要。他のポートでも同じことが言える。

出力ラッチの値が変化する例          出力ポートのラッチの値
movlw 0          ; W=00000000
bsf   STATUS,RP0 ; バンク切り替え 01
movwf TRISB      ; ポートBは全て出力
bcf   STATUS,RP0 ; バンク切り替え 00
movlw 0          ; W=00000000
movwf PORTB      ; 出力値セット              00000000
movlw 2          ; W=00000010
bsf   STATUS,RP0 ; バンク切り替え 01
movwf TRISB      ; ポートBのbit1のみ入力
bcf   STATUS,RP0 ; バンク切り替え 00
bsf   PORTB,0    ; PORTBのbit0を1にセット
                 ; この時にbit1の入力が0だと 00000001 になる
                 ; この時にbit1の入力が1だと 00000011 になる
movlw 0          ; W=00000000
bsf   STATUS,RP0 ; バンク切り替え 01
movwf TRISB      ; ポートBは全て出力
bcf   STATUS,RP0 ; バンク切り替え 00
                 ; ポートBのbit1はbsf実行時の入力が反映される

AVRでは出力のラッチの値を読み書きするポート(PORTB)と、ポートの値を読むためのポート(PINB)が別に用意されている。
PORTBは読み書きができる。PINBは読み込みのみ。
IOのビット操作命令(SBI/CBI)でPORTBをいじると、出力のラッチの値8bitを読み、特定のビットをセットした後、結果の8bitを出力のラッチに書き戻す。
そのためポート入力の影響を受けず、上記のような問題は生じない。

AVRでの上記と同様の例
ldi   r16,0b11111111 ; r16=11111111
out   DDRB,r16       ; ポートBは全て出力
ldi   r16,0          ; r16=00000000
out   PORTB,r16      ; 出力値セット 出力=00000000
ldi   r16,0b11111101 ; r16=11111101
out   DDRB,r16       ; ポートBのbit1のみ入力
sbi   PORTB,0        ; PORTBのbit0を1にセット
                     ; 出力は必ず 00000001 になる
ldi   r16,0b11111111 ; r16=11111111
out   DDRB,r16       ; ポートBは全て出力
                     ; 出力は必ず 00000001 になる

内部RC発信回路

AT90S1200には、型番の最後にAが付いているAT90S1200Aと、そうでない AT90S1200があります。秋月価格ではA付きはA無しより高いです。Aが付いているものは、最初から内蔵RC発信回路(約1MHz)が有効になっていて、外部クロックを供給しなくても動作します。内蔵RC発信回路はパラレル接続タイプのライタか、 aPonyさんの内部RC発信回路有効化ボードを作って使えば後で有効/無効にできます。
秋月では負荷コンデンサ付セラミック発信子が￥40で売っているので、どうしても部品数を削減したいというのでなければA付きを買うのはあまり意味がないでしょう。

ライタ

簡単なAVRライタの製作法が chanさんの所で紹介されています。特にシリアル形式のライタは部品数も少なく、しかも基板につけたままSPI を使ってプログラミングでき、そのままシリアル通信にも使えるのでとっても便利です。
ただし RS232Cの規格に違反しているので若干注意は必要です。私が試した所では、chanさんと同様全く問題は生じていませんが。

その他

メモリ付AVRではgccがコンパイラとして使える。
Debian GNU/Linux では apt-get install gcc-avr すれば使えるようになる。
AVRとPICの比較

	AT90S1200-12PC	AT90S2313-10PC	AT90S2323-10PC	PIC16F84A-20/P
FLASH	512word(1kB)	1024word(2kB)	1024word(2kB)	896word(1792B)
EEPROM	64B	128B	128B	64B
RAM	なし	128B	128B	68B
Register	32	32	32	1
Stack	3	RAMを使用	RAMを使用	8
MaxClock	12MHz	10MHz	10MHz	20MHz
MaxMIPS	12	10	10	5
Pin数/IO数	20pin/15bit	20pin/15bit	8pin/3bit	18pin/13bit
秋月価格	￥200	￥370	￥380	￥380

注意点

ライタ

上記のシリアル形式ライタでは、内部RC発信回路の有効/無効の設定ができません。
AVR内部のヒューズ設定でSPIが禁止になっている場合、上記シリアル形式ライタではプログラミングができません。
AT90S1200はRAMを持ってないのでCコンパイラでの開発はできません。どうせEPROMも大きくないのでアセンブラで組みましょう。

プログラミング

AT90S1200はメモリが無いのでcall命令は使えません。rcallを使いましょう。アセンブラでcall命令を使ってもエラーにならないので注意！
AT90S1200ではハードウェアスタックを3レベル持っています。割り込みを使用しない場合は3段までならrcallが使えます。割り込みを使用する時は2段までです。
AT90S2313では起動時にスタックポインタを初期化する必要があります。
割り込み時にステータスフラグSREGは自動的に保存されません。割り込み開始時にin命令で明示的に保存し、終了前にout命令で戻しましょう。サンプルコード
subiはあるのに何故かaddi(即値加算命令)はありません。不思議。 -nを引くことにすればnを足すことになるのでそのように対応しましょう。デフォルトでaddiマクロを定義してあれば良いのに。
subi、andi等即値をとる命令ではr16～r31しかオペランドに使用できません。なのでr0～r15は主に値の保存目的に使用した方が良いでしょう。

アセンブラ(avrasm32.exe)

定数の定義は .equ CONSTVALUE = value です。
変数の定義は .def VARIABLE = register です。

Written by

IIZUKA Daisuke (飯塚大介)