本文關鍵詞：Arduino技術內幕，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

　　【摘要】Arduino是由一個基于AVR單片機具開放源代碼的硬件平臺和為Arduino板編寫程序的開發(fā)環(huán)境組成。因其具有多平臺、編程環(huán)境簡單、軟硬件開源都可擴展等諸多優(yōu)點而受到許多非專業(yè)愛好者的喜愛。但在其技術內部有著許多東西可挖掘，以此方可合理運用。
　　【關鍵詞】Arduino;AVR;技術內部;合理運用
　　引言
　　Arduino是源于意大利基于AVR單片機具有開放源碼的硬件平臺。Arduino也具有類似Java，C語言的集成開發(fā)環(huán)境。他幫助許多愛發(fā)明創(chuàng)造的業(yè)余者和真正的開發(fā)者實現(xiàn)了自己的想法。具有獨立性和互動性的Arduino可以與PC外圍裝置連接，，也能與PC軟件進行溝通，如：Flash，Processing，Max/Msp。與其他大多數(shù)的單片機系統(tǒng)相比，Arduino還可以在Windous，Macintesh Osx和Linux操作系統(tǒng)上運行。當然有經(jīng)驗的設計師可以對硬件和軟件開源進行擴展�？偟膩碚fArduino更適宜非專業(yè)愛好者使用。為了滿足這一類愛好者的求知欲，得對Arduino的內部進行深入的了解。
　　1.電源
　　要將外部電源輸送、穩(wěn)壓和過濾給Arduino則需要電源電路。電源電路分為外接電源輸入部分和USB電源輸入部分。外接電源輸入部分由二極管、穩(wěn)壓管USB輸入口組成，輸入范圍是從7V到12V。二極管的作用是當電源輸入正反極反轉時也不會燒壞器件。穩(wěn)壓管是將7V到12V的電壓穩(wěn)定為5V。在USB電源輸入電路中由保險管、電阻非常大的排阻、集成運算放大器、PMOS、線性穩(wěn)壓器組成。運行時，若電流大于500mA，保險管會自動斷開保護電路板。保險管也具有自我恢復功能，當電壓恢復到5V的電壓范圍后，保險管則自動恢復連接，為Arduino提供5V的電壓。而排阻則用來對前面的外接電源輸入進行分壓。對于運算放大器若輸出為高電平，則PMOS處于截止狀態(tài)，此時切斷了USB的供電。若輸出為低電平，則PMOS處于導通狀態(tài)，此時USB對Arduino供電。線性穩(wěn)壓器則是負責將5V的電源轉變?yōu)?V電源。（這里主要說的是Arduino UNO）
　　2.串口
　　要實現(xiàn)PC或其他設備與Arduino之間的通信則需要使用串口。Arduino的串口USART（即Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/異步接收器/發(fā)送器）通常與PC的Rs-232端口相連，它以預設的速率異步地在一條線上發(fā)送或接受數(shù)據(jù)。當串口在異步模式時，不需要一個分離的時鐘信號;當在同步模式時，則需要一個專用的信號表示時鐘信息。Rs-232與串口相連時，不可直接相連，Rs-232的電壓比較高，容易燒壞Arduino的電路板，需要一個Rs-232到TTL的適配器。在以往的Arduino中也有個Rs-232的串口存在。后來慢慢轉變?yōu)榱爽F(xiàn)在流行的更小的USB端口，好處在于在通信的同時能提供5V的穩(wěn)壓。USB規(guī)范允許一個已枚舉的設備（能夠正確向USB主機申報自己的設備，如Arduino I/O電路板）使用5V上最多500mA的電流，而未枚舉的可以用100mA的電流。
　　3.處理器
　　這里講的主要處理器為ATmega328，其程序儲存為32KB，其余的大多數(shù)處理器只是程序儲存不同而已。在Arduino中為了使用的方便，對其進行了二次封裝。第一次是將AVR CPU、內存陣列（有程序Flash，數(shù)據(jù)SRAM，EEPROM）、時針和外圍設備（有I/O端口，定時器/計數(shù)器，異步串行接口，同步串行接口，兩線串行接口，模數(shù)轉換）封裝為ATmega328。第二次是將ALU、一組32個通用8位寄存器、一個狀態(tài)寄存器、程序計數(shù)器、一個指令譯碼器和與內置的內存陣列及片內外圍設備的借口封裝為AVR CPU。
　　3.1 時鐘源
　　一般的Arduino電路用外部的陶瓷諧振器或石英晶體來決定其系統(tǒng)時鐘頻率。在ATmega328中有一個片內振蕩器，它有兩個模式：低功率模式消耗的功率小，但無法傳輸?shù)叫酒饷?全幅模式則消耗的功率增大。
　　3.2 程序儲存器
　　程序儲存器儲存著CPU要執(zhí)行的程序語言指令。AVR中，可編程的16位寬Flash陣列作為程序儲存器。有時它也被看做ROM，即只讀儲存器，當?shù)綦姇r也不會丟失數(shù)據(jù)。Arduino中有一小段常駐的固件，叫引導裝載程序，它與PC機通信，將編譯好的程序從PC送過來保存在AVR的程序儲存器中。因此就減少了使用芯片編譯硬件減少了成本。為了跟蹤程序執(zhí)行的位置，則需要寄存器PC。當重啟時，PC清除為0，執(zhí)行的順序則變?yōu)榱顺绦虺跏蓟a的開頭。
　　3.3 數(shù)據(jù)儲存器
　　在AVR中用的是SARM來保存程序運行中的數(shù)據(jù)。SRAM即靜態(tài)隨機存取內存�；陟o態(tài)位格的數(shù)據(jù)儲存器是不需要動態(tài)時鐘信號來觸發(fā)刷新保持數(shù)據(jù)的動作，而動態(tài)RAM則需要。對于SRAM內存，只要芯片有電就保持著里面的數(shù)據(jù)。但掉電時，內存的狀態(tài)時不確定的，不要誤以為會是某個特定的值。
　　3.4 通用寄存器
　　在AVR芯片中的通用寄存器組是由編號為R0到R31的寄存器組成的。由R26和R27組成的X，R28和R29組成的Y，R30和R31組成的Z是16位指向數(shù)據(jù)存儲器的索引指針。當由復雜的指令時，可將X，Y，Z寄存器作為數(shù)據(jù)指針，加上指令內可選的偏移量，加到索引寄存器上形成有效的目的地址。
　　3.5 EEPROM
　　EEPROM（Electrically Erasable，Programmable Read-only Memory，電子可擦除只讀儲存器）。它是只讀的，也是可寫入的，還是可擦除的。EEPROM大部分和程序儲存器一樣，不同的是他可以承受多次的擦除和寫入。這樣便使得用戶可以隨意的更改數(shù)據(jù)和配置了。要尋址EEPROM則需要通過一個特殊的寄存器來訪問，還需要一個相關的I/O寄存器的一個位，則可以引起一個讀的操作，而結果要在另一個寄存器中才可以讀到。寫入的操作也是類似的：先把地址寫入EEPROM地址寄存器，再復制數(shù)據(jù)進入EEPROM數(shù)據(jù)寄存器，最后做稍微復雜的位操作。這種操作的復雜性更利于保護其數(shù)據(jù)。
　　4.結束語
　　通過對Arduino的電源、串口和處理器中的各個部分硬件的淺析，可以使得非專業(yè)的愛好者更了解它，進而設計出更滿足要求、更合理、更可靠的東西。
　　參考文獻
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　　[4]Dale Wheat.Arduino技術內幕[M].北京：人民郵電出版社，2013.

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