AVR 存储器组织结构及内部EEPROM读写范例
AVR 系列单片机内部有三种类型的被独立编址的存储器，它们分别为：Flash 程序存储器、内部SRAM 数据存储器和EEPROM 数据存储器。
Flash 存储器为1K～128K 字节，支持并行编程和串行下载,下载寿命通常可达10,000 次。由于AVR 指令都为16 位或32 位，程序计数器对它按字进行寻址，因此FLASH 存储器按字组织的，但在程序中访问 FLASH 存储区时专用指令LPM 可分别读取指定地址的高低字节。
寄存器堆（R0～R31）、I/O 寄存器和SRAM 被统一编址。所以对寄存器和I/O 口的操作使用与访问内部SRAM 同样的指令。32 个通用寄存器被编址到最前,I/O 寄存器占用接下来的64 个地址。从0X0060 开始为内部SRAM。外部SRAM 被编址到内部SRAM 后。
AVR 单片机的内部有64～4K 的EEPROM 数据存储器，它们被独立编址，按字节组织。擦写寿命可达100，000 次。
1. I/O 寄存器操作
I/O 专用寄存器（SFR）被编址到与内部SRAM 同一个地址空间，为此对它的操作和SRAM 变量操作类似。
SFR 定义文件的包含：
#include <avr/io.h>
io.h 文件在编译器包含路径下的avr 目录下，由于AVR 各器件间存在同名寄存器地址有不同的问题，io.h 文件不直接定义SFR 寄存器宏，它根据在命令行给出的 –mmcu 选项再包含合适的 ioxxxx.h 文件。在器件对应的ioxxxx.h 文件中定义了器件SFR 的预处理宏，在程序中直接对它赋值或引用的方式读写SFR，如：
PORTB=0XFF;
Val=PINB;
从io.h 和其总包含的头文件sfr_defs.h 可以追溯宏PORTB 的原型在io2313.h 中定义：
#define PORTB _SFR_IO8(0x18)
在sfr_defs.h 中定义：
#define _SFR_IO8(io_addr) _MMIO_BYTE((io_addr) + 0x20)
#define _MMIO_BYTE(mem_addr) (*(volatile uint8_t *)(mem_addr))
这样PORTB=0XFF; 就等同于 *(volatile unsigned char *)(0x38)=0xff;
0x38 在器件AT90S2313 中PORTB 的地址对SFR 的定义宏进一步说明了SFR 与SRAM 操作的相同点。
关键字volatile 确保本条指令不会因C 编译器的优化而被省略。
2. SRAM 内变量的使用
一个没有其它属性修饰的 C 变量定义将被指定到内部SRAM，avr-libc 提供一个整数类型定义文件inttype.h，其中定义了常用的整数类型如下表：
定义值长度（字节） 值范围
int8_t 1 -128～127
uint8_t 1 0～255
int16_t 2 -32768～32767
uint16_t 2 0～65535
int32_t 4 -2147483648～2147483647
uint32_t 4 0～4294967295
int64_t 8 -9.22*10^18～-9.22*10^18
uint64_t 8 0～1.844*10^19
根据习惯，在程序中可使用以上的整数定义。定义、初始化和引用
如下示例：
uint8_t val=8; 定义了一个SRAM 变量并初始化成8
val=10; 改变变量值
const uint8_t val=8; 定义SRAM 区常量
register uint8_t val=10; 定义寄存器变量
3. 在程序中访问FLASH 程序存储器
avr-libc 支持头文件：pgmspace.h
#include < avr/pgmspace.h >
在程序存储器内的数据定义使用关键字 __attribute__((__progmem__))。在pgmspace.h
中它被定义成符号 PROGMEM。
(1)． FLASH 区整数常量应用
定义格式：
数据类型 常量名 PROGMEM = 值 ;
如：
char val8 PROGMEM = 1 ;
int val16 PROGMEM = 1 ;
long val32 PROGMEM =1 ;
对于不同长度的整数类型 avr-libc 提供对应的读取函数：
pgm_read_byte(prog_void * addr)
pgm_read-word(prg_void *addr)
pgm_read_dword(prg_void* addr)
另外在pgmspace.h 中定义的8 位整数类型 prog_char prog_uchar 分别指定在FLASH 内的8 位有符号整数和8 位无符号整数。应用方式如下：
char ram_val; //ram 内的变量
const prog_char flash_val = 1; //flash 内常量
ram_val=pgm_read_byte(&flash_val); //读flash 常量值到RAM 变量
对于应用程序FLASH 常量是不可改变的，因此定义时加关键字const 是个好的习惯
2). FLASH 区数组应用：
定义：
const prog_uchar flash_array[] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}; //定义
另外一种形式
const unsigned char flash_array[] RROGMEM = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
读取示例：
unsigend char I, ram_val;
for(I=0 ; I<10 ;I ++) // 循环读取每一字节
{
ram_val = pgm_read_byte(flash_array + I);
… … //处理
}
(3)．FLASH 区字符串常量的应用
全局定义形式：
const char flash_str[] PROGMEM = “Hello, world!”;
函数内定义形式：
const char *flash_str = PSTR(“Hello, world!”);
以下为一个FLASH 字符串应用示例
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>
#include <stdio.h>
const char flash_str1[] PROGMEM = “全局定义字符串”;
int main(void)
int I;
char *flash_str2=PSTR(“函数内定义字符串”);
while(1)
{
scanf(“%d”,&I);
printf_P(flash_str1);
printf(“n”);
printf_P(flash_str2);
printf(“n”);
}
}
4. EEPROM 数据存储器操作
#include <avr/eeprom.h>
头文件声明了avr-libc 提供的操作EEPROM 存储器的API 函数。
这些函数有：
eeprom_is_ready() //EEPROM 忙检测（返回EEWE 位）
eeprom_busy_wait() //查询等待EEPROM 准备就绪
uint8_t eeprom_read_byte (const uint8_t *addr) //从指定地址读一字节
uint16_t eeprom_read_word (const uint16_t *addr) //从指定地址一字
void eeprom_read_block (void *buf, const void *addr, size_t n) //读块
void eeprom_write_byte (uint8_t *addr, uint8_t val) //写一字节至指定地址
void eeprom_write_word (uint16_t *addr, uint16_t val) //写一字到指定地址
void eeprom_write_block (const void *buf, void *addr, size_t n)//写块
在程序中对EEPROM 操作有两种方式
方式一：直接指定EERPOM 地址
示例：
#include <avr/io.h>
#include <avr/eeprom.h>
int main(void)
{
unsigned char val;
eeprom_busy_wait(); //等待EEPROM 读写就绪
eeprom_write_byte(0,0xaa); //将0xaa 写入到EEPORM 0 地址处
eeprom_busy_wait();
val=eeprom_read_byte(0); //从EEPROM 0 地址处读取一字节赋给RAM 变量val
while(1);
}
方式二：先定义EEPROM 区变量法
示例：
#include <avr/io.h>
#include <avr/eeprom.h>
unsigned char val1 __attribute__((section(".eeprom")));//EEPROM 变量定义方式
int main(void)
{
unsigned char val2;
eeprom_busy_wait();
eeprom_write_byte (&val1, 0xAA);
eeprom_busy_wait();
val2 = eeprom_read_byte(&val1);
while(1);
}
在这种方式下变量在EEPROM 存储器内的具体地址由编译器自动分配。相对方式一，数据在EEPROM 中的具体位置是不透明的。为EEPROM 变量赋的初始值，编译时被分配到.eeprom 段中,可用avr-objcopy 工具从.elf 文件中提取并产生ihex 或binary 等格式的文件。
/***********************************************
**** AVR 内部EEPROM读写范例 ***
**** 编译器：WINAVR20050214 ***
***********************************************/
/*
本程序简单的示范了如何使用ATMEGA16的EERPOM
EEPROM的简介
EEPROM的写操作
EEPROM的读操作
出于简化程序考虑，各种数据没有对外输出，学习时建议使用JTAG ICE硬件仿真器。
在打开调试文件到JTAG后，打开Debug -> JTAG ICE Options菜单，然后在JTAG ICE Properties中点击Dbug页面，将preserve eeprom选项选中。 在每次仿真调试时候，就保护EEPROM内容了。否则，会按照默认设置擦除EEPROM的内容。
由于定义了EEPROM变量，JTAG调试时会询问是否初始化EEPROM,请选择[否]，EEPROM的数据也可以在view->memory，选Eeprom窗口下察看
*/
＃i nclude
＃i nclude
////时钟定为内部1MHz,F_CPU=1000000 时钟频率对程序的运行没什么影响
/*
GCCAVR(avr-libc)里面自带了EEPROM的读写函数。
下面列举部分常用函数(原型)
#define eeprom_is_ready() bit_is_clear(EECR, EEWE)
检测EEPROM是否准备好。OK返回1（返回EEWE位）
#define eeprom_busy_wait() do {} while (!eeprom_is_ready())
等待EEPROM操作完成
extern uint8_t eeprom_read_byte (const uint8_t *addr);
读取指定地址的一个字节8bit的EEPROM数据
extern uint16_t eeprom_read_word (const uint16_t *addr);
读取指定地址的一个字16bit的EEPROM数据
extern void eeprom_read_block (void *buf, const void *addr, size_t n);
读取由指定地址开始的指定长度的EEPROM数据
extern void eeprom_write_byte (uint8_t *addr, uint8_t val);
向指定地址写入一个字节8bit的EEPROM数据
extern void eeprom_write_word (uint16_t *addr, uint16_t val);
向指定地址写入一个字16bit的EEPROM数据
extern void eeprom_write_block (const void *buf, void *addr, size_t n);
由指定地址开始写入指定长度的EEPROM数据，但不支持部分AVR，原文如下：
note This library will e not work with the following devices since these
devices have the EEPROM IO ports at different locations:
- AT90CAN128
- ATmega48
- ATmega88
- ATmega165
- ATmega168
- ATmega169
- ATmega325
- ATmega3250
- ATmega645
- ATmega6450
在程序中对EEPROM 操作有两种方式：
方式一：直接指定EERPOM 地址
即读写函数的地址有自己指定，用于需要特定数据排列格式的应用中
方式二：先定义EEPROM 区变量法
在这种方式下变量在EEPROM 存储器内的具体地址由编译器自动分配。
相对方式一，数据在EEPROM 中的具体位置是不透明的。
为EEPROM 变量赋的初始值，编译时被分配到.eeprom 段中，可用avr-objcopy 工具从.elf文件中提取并产生ihex 或binary 等格式的文件， 从而可以使用编程器或下载线将其写入到器件的EEPROM 中。实际上WINAVR 中MFILE 生成的MAKEFILE 已经为我们做了这一切。它会自动生成以 “.eep” 为后缀的文件，通常它是iHex 格式(这次测试发现 分配地址是从0x0000开始的，故增加了一个EEPROM变量Evalvoid[16])，如果同时使用方式1和2，请注意防止地址重叠,自己指定的地址应该选在后面。
*/
//全局变量
unsigned char EDATA;
unsigned char ORGDATA[16]={0x00,0x02,0x04,0x06,0x08,0x0A,0x0C,0x0E,
0x01,0x03,0x05,0x07,0x09,0x0B,0x0D,0x0F}; //原始数据
unsigned char CMPDATA[16]; //比较数据
//仿真时在watch窗口，监控这些全局变量。
//EEPROM 变量定义
unsigned char Evalvoid[16] __attribute__((section(".eeprom"))); //这个没用到
unsigned char Eval[16] __attribute__((section(".eeprom")));
int main(void)
{
eeprom_write_byte (0x40,0xA5); //向EEPROM的0x40地址写入数据 0xA5
EDATA=eeprom_read_byte (0x40); //读出，然后看看数据对不对？
//上面两句编译是有如下警告，但不必理会
//EEPROM_main.c:103: warning: passing arg 1 of `eeprom_write_byte' makes pointer from integer without a cast
//EEPROM_main.c:104: warning: passing arg 1 of `eeprom_read_byte' makes pointer from integer without a cast
eeprom_write_block (&ORGDATA[0], &Eval[0], 16); //块写入
//看看EEPROM数据是否是能失电永久保存，可以注释上面这句程序(不写入，只是读出)，然后编译，烧写,断电(一段时间),上电,调试。
eeprom_read_block (&CMPDATA[0],&Eval[0], 16); //块读出,然后看看数据对不对？
while (1);
}
/*
ATmega16 包含512 字节的EEPROM 数据存储器。它是作为一个独立的数据空间而存在的，可以按字节读写。EEPROM的寿命至少为100,000 次擦除周期。EEPROM的访问由地址寄存器EEAR、数据寄存器EEDR和控制寄存器EECR决定。也可以通过ISP和JTAG及并行电缆来固化EEPROM数据。
EEPROM数据的读取：
当EEPROM地址设置好之后，需置位EERE以便将数据读入EEDR。
EEPROM数据的读取需要一条指令，且无需等待。
读取EEPROM后CPU 要停止4 个时钟周期才可以执行下一条指令。
注意:用户在读取EEPROM 时应该检测EEWE。如果一个写操作正在进行，就无法读取EEPROM，也无法改变寄存器EEAR。
EEPROM数据的写入：
1、 EEPROM的写访问时间(自定时时间，编程时间)
自定时功能可以让用户软件监测何时可以开始写下一字节。(可以采用中断方式)
经过校准的1MHz片内振荡器用于EEPROM定时,不倚赖CKSEL熔丝位的设置。
改变OSCCAL寄存器的值会影响内部RC振荡器的频率因而影响写EEPROM的时间。
EEPROM自定时时间约为8.5 ms 即1MHz片内振荡器的8448个周期
注意：这个时间是硬件定时的，数值比较保险，其实真正的写入时间根本就用不了8.5mS那么长,而且跟电压有关，但芯片没有提供其他的检测编程完成的方法
这个问题表现在旧版的AT90S系列上面，由于没有自定时，数值定得太短，ATMEL给人投诉到头都爆，呵呵！
参考：《用ATmega8535替换AT90S8535》文档里面的写EEPROM定时的改进：
在AT90S8535中写EEPROM的时间取决于供电电压，通常为，4ms@VCC=2.7V。
ATmega8535中写EEPROM的时间为8448个校准过的RC振荡器周期 (与系统时钟的时钟源和频率无关)。
假定校准过的RC振荡器为1.0MHz，则写时间的典型值为8.4ms，与VCC 无关。
2、为了防止无意识的EEPROM 写操作，需要执行一个特定的写时序(如果使用编译器的自带函数，无须自己操心)写时序如下( 第3 步和第4 步的次序并不重要)：
①等待EEWE 位变为零
②等待SPMCSR 中的SPMEN 位变为零
③将新的EEPROM 地址写入EEAR( 可选)
④将新的EEPROM 数据写入EEDR( 可选)
⑤对EECR 寄存器的EEMWE 写"1"，同时清零EEWE
⑥在置位EEMWE 的4 个周期内，置位EEWE
经过写访问时间之后，EEWE 硬件清零。
用户可以凭借这一位判断写时序是否已经完成。
EEWE 置位后，CPU要停止两个时钟周期才会运行下一条指令。
注意：
1、在CPU 写Flash 存储器的时候不能对EEPROM 进行编程。
在启动EEPROM 写操作之前软件必须检查 Flash 写操作是否已经完成
步骤(2) 仅在软件包含引导程序并允许CPU对Flash 进行编程时才有用。
如果CPU 永远都不会写Flash，步骤(2) 可省略。
2、如果在步骤5 和6 之间发生了中断，写操作将失败。
因为此时EEPROM 写使能操作将超时。
如果一个操作EEPROM的中断打断了另一个EEPROM操作，EEAR 或EEDR寄存器可能被修改，引起EEPROM 操作失败。
建议此时关闭全局中断标志I。
经过写访问时间之后，EEWE 硬件清零。用户可以凭借这一位判断写时序是否已经完成。
EEWE 置位后，CPU要停止两个时钟周期才会运行下一条指令。
在掉电休眠模式下的EEPROM写操作：
若程序执行掉电指令时EEPROM 的写操作正在进行， EEPROM 的写操作将继续，并在指定的写访问时间之前完成。
但写操作结束后，振荡器还将继续运行，单片机并非处于完全的掉电模式。因此在执行掉电指令之前应结束EEPROM 的写操作。
防止EEPROM数据丢失：
若电源电压过低，CPU和EEPROM有可能工作不正常，造成EEPROM数据的毁坏(丢失)。
**这种情况在使用独立的EEPROM 器件时也会遇到。因而需要使用相同的保护方案。
由于电压过低造成EEPROM 数据损坏有两种可能：一是电压低于EEPROM 写操作所需要的最低电压；二是CPU本身已经无法正常工作。
EEPROM 数据损坏的问题可以通过以下方法解决：当电压过低时保持AVR RESET信号为低。这可以通过使能芯片的掉电检测电路BOD来实现。如果BOD电平无法满足要求则可以使用外部复位电路。若写操作过程当中发生了复位，只要电压足够高，写操作仍将正常结束。(EEPROM在2V低压下也能进行写操作---有可以工作到1.8V的AVR芯片)
掉电检测BOD的误解：
AVR自带的BOD(Brown-out Detection)电路，作用是在电压过低(低于设定值)时产生复位信号，防止CPU意外动作。
对EEPROM的保护作用是当电压过低时保持RESET信号为低，防止CPU意外动作，错误修改了EEPROM的内容
而我们所理解的掉电检测功能是指 具有预测功能的可以进行软件处理的功能。
例如，用户想在电源掉电时把SRAM数据转存到EEPROM，可行的方法是外接一个在4.5V翻转的电压比较器(VCC=5.0V,BOD=2.7V)，输出接到外部中断引脚(或其他中断)一但电压低于4.5V,马上触发中断，在中断服务程序中把数据写到EEPROM中保护起来。
注意：写一个字节的EEPROM时间长达8mS，所以不能写入太多数据，电源滤波电容也要选大一些。