深入解析AT43USB326：8位微控制器的卓越之选

在电子设计领域，选择一款合适的微控制器对于项目的成功至关重要。Atmel AT43USB326作为一款基于AVR RISC架构的8位微控制器，以其丰富的功能和出色的性能，在众多应用场景中展现出独特的魅力。今天，我们就来深入了解一下这款微控制器。

文件下载：AT43USB326-AC.pdf

一、AT43USB326的核心特性

1. 高性能处理能力

AT43USB326拥有83ns的指令周期时间，通过在单时钟周期内执行强大指令，能实现接近12 MIPS的吞吐量。其AVR核心将丰富的指令集与32个通用工作寄存器相结合，所有32个寄存器直接连接到ALU，使得在单时钟周期内可访问两个独立寄存器，这种架构比传统CISC微控制器更高效，速度可快达10倍。

2. 丰富的外设配置

• USB功能强大：具备一个USB集线器，带有一个内置端口和两个外部端口，同时支持USB键盘功能，拥有三个可编程端点。
• 存储资源充足：拥有16 KB的程序存储器和512字节的数据SRAM，满足不同应用的数据存储需求。
• 通用寄存器丰富：32 x 8的通用工作寄存器，为数据处理提供了强大的支持。
• I/O端口灵活：32个可编程I/O端口引脚，支持18 x 8的键盘矩阵，键盘扫描输入带有上拉电阻，还有四个LED驱动输出。
• 定时器与中断功能：一个8位定时器/计数器，带有独立预分频器，具备外部和内部中断源，以及可编程看门狗定时器。
• 时钟与电源：6 MHz振荡器，带有片上PLL，支持5V操作，片上提供3.3V电源。

二、架构剖析

1. 通用寄存器文件

AT43USB326的快速访问寄存器文件包含32 x 8位通用工作寄存器，单时钟周期即可完成访问。其中六个寄存器可作为三个16位间接地址寄存器指针，用于数据空间寻址，还可作为程序存储器中查找表的地址指针，这些寄存器为高效的地址计算提供了便利。

2. ALU运算单元

高性能的AVR ALU与所有32个通用工作寄存器直接连接，在单时钟周期内即可完成寄存器间的运算操作。其运算操作主要分为算术、逻辑和位功能三大类。

3. 程序与数据存储器

• 程序存储器：采用16K字节的片上掩膜可编程ROM，程序计数器为13位，可寻址8,192个程序存储器地址。
• 数据SRAM：1K字节的数据SRAM可通过AVR架构支持的五种不同寻址模式轻松访问，包括直接寻址、带位移的间接寻址、间接寻址、带预递减的间接寻址和带后递增的间接寻址。

4. I/O内存空间

I/O内存空间包含64个地址，用于CPU外设功能，如控制寄存器、定时器/计数器和其他I/O功能。可直接访问，也可作为数据空间位置进行访问。

三、功能详解

1. 电源供应

AT43USB326包含两个片上电源，可从5V电源输入产生3.3V电源，每个电源容量为30 mA，主要为内部电路和1.5K上拉电阻供电。使用时需在电源输出端CEXT1和CEXT2连接外部2.2 µF滤波电容。若GPIO引脚需要提供高负载电流，可使用外部3.3V电源供电。

2. I/O引脚特性

I/O引脚不应直接连接到低于 (V_{SS}) 或高于CEXT引脚电压的电压。若有必要，需插入串联电阻以限制电流。外部电压不得超过5.5V，否则会对芯片造成过大压力。

3. 振荡器与PLL

所有时钟信号均来自片上振荡器，为降低EMI和功耗，振荡器设计为使用6 MHz晶体。片上PLL为串行接口引擎的时钟/数据分离器生成高频信号。在暂停状态下，振荡器电路会关闭。

4. 复位与中断处理

• 复位源：包括电源复位、外部复位、看门狗复位和USB复位。其中，USB复位可选择是否与微控制器复位分离。
• 中断源：提供12种不同的中断源，具有4个独立的复位向量，每个中断源在程序存储器空间都有独立的程序向量。所有中断都有单独的使能位，需与状态寄存器中的I位一起设置才能使能中断。

四、USB模块编程

1. USB功能硬件

USB功能硬件设计为单数据包模式，可管理USB协议层。由串行接口引擎（SIE）、端点FIFO和功能接口单元（FIU）组成。SIE负责USB信号检测/生成、数据序列化/反序列化等任务，端点FIFO用于缓冲数据，FIU管理数据在SIE、FIFO和内部微控制器总线之间的流动。

2. 控制传输

在控制端点EP0的控制传输中，包括控制写入、控制读取和无数据控制三种类型。通过状态机实现不同状态之间的转换，硬件和固件协同工作完成数据传输和处理。

3. 非控制端点传输

非控制端点的事务处理相对简单。对于IN端点，微控制器将数据加载到端点FIFO并设置控制和状态寄存器中的位，USB硬件会自动组装数据并等待IN令牌进行传输；对于OUT端点，等待OUT令牌，接收数据后存储在FIFO中，并中断微控制器。

五、USB集线器功能

1. 集线器组成与功能

USB集线器由集线器转发器和集线器控制器组成。集线器转发器负责提供设备与主机之间的上游连接、管理连接设置和拆除、处理总线故障检测和恢复以及检测端口的连接/断开；集线器控制器负责集线器枚举、向主机提供配置信息和端口状态以及根据主机命令控制每个端口。

2. 端口控制与状态管理

通过一系列寄存器实现对端口的控制和状态管理，如全局状态寄存器、集线器状态寄存器、集线器端口控制寄存器等。这些寄存器可用于设置端口状态、检测过流、管理电源等。

3. 选择性挂起与恢复

主机可通过设置端口特性来选择性地挂起和恢复端口。挂起时，端口进入空闲状态，停止传输流量；恢复时，发送恢复信号并使端口重新启用。

六、电气规格

1. 绝对最大额定值

对电源电压、输入输出电压、工作温度和存储温度等参数规定了绝对最大额定值，超出这些值可能会对设备造成永久性损坏。

2. DC特性

包括电源供应、USB信号、I/O端口等的直流特性参数，为电路设计提供了重要参考。

七、典型应用

1. 定制信息存储

Atmel样品版本的AT43USB326支持通过外部AT24C02A串行EEPROM定制供应商ID、产品ID、字符串描述符和键盘矩阵等信息。

2. 示例原理图与物料清单

文档提供了AT43USB326键盘与嵌入式集线器的示例原理图和物料清单，为实际应用提供了参考。

八、订购与包装信息

1. 订购代码

提供了不同的订购代码，如AT43USB326 - AC适用于商业温度范围（0 °C至70 °C），AT43USB326 - AU适用于绿色工业温度范围（-40 °C至+85 °C）。

2. 包装信息

采用48 LQFP封装，详细说明了封装的尺寸和相关注意事项。

九、勘误说明

文档指出了存在的一个问题，即看门狗时钟和AVR时钟之间存在同步问题，可能导致看门狗定时器错过复位。解决方法是重复调用WDR指令，根据AVR的运行频率确定调用次数。

AT43USB326以其丰富的功能、高性能的处理能力和灵活的配置，为电子工程师在设计各种USB相关应用时提供了一个优秀的选择。在实际应用中，我们需要根据具体需求合理利用其特性，同时注意相关的电气规格和勘误信息，以确保项目的顺利进行。你在使用AT43USB326的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。