AVR(Alf and Vegard's Risc processor)とは？意味をわかりやすく簡単に解説

text: XEXEQ編集部

AVR(Alf and Vegard's Risc processor)とは
AVRマイコンのアーキテクチャ
AVRマイコンのCPUアーキテクチャ
AVRマイコンのメモリアーキテクチャ
AVRマイコンの割り込みアーキテクチャ
AVRマイコンの周辺機能
AVRマイコンのタイマ/カウンタ機能
AVRマイコンのシリアル通信機能
AVRマイコンのアナログ/デジタル変換機能
AVRマイコンのプログラミング
AVRマイコンのプログラミング言語
AVRマイコンの開発環境
AVRマイコンのプログラム書き込み

AVR(Alf and Vegard's Risc processor)とは

AVR(Alf and Vegard's Risc processor)はAtmel社(現Microchip Technology社)が開発したマイコンのアーキテクチャです。AVRマイコンは8ビットのRISC(Reduced Instruction Set Computer)プロセッサをベースとしており、低消費電力と高性能を両立しています。

AVRマイコンはメモリ上に格納されたプログラムを実行することができます。フラッシュメモリ、EEPROM、SRAMなどの各種メモリを内蔵しており、プログラムやデータの保存に使用されます。

AVRマイコンは豊富な周辺機能を搭載しています。タイマー/カウンタ、PWM、UART、SPI、I2Cなどの各種インターフェースを内蔵しており、外部デバイスとの通信や制御に利用できます。

AVRマイコンはC言語を用いてプログラミングすることができます。AVR用のC言語コンパイラとして、AVR-GCCが広く使用されています。AVR-GCCを使用することで、効率的にAVRマイコンのプログラムを開発できます。

AVRマイコンはArduino環境でも使用されています。ArduinoはAVRマイコンを搭載したボードとソフトウェア開発環境を提供しており、初心者でも簡単にマイコンプログラミングを始められます。ArduinoはAVRマイコンの普及に大きく貢献しました。

AVRマイコンのアーキテクチャ

AVRマイコンのアーキテクチャに関して、以下3つを簡単に解説していきます。

AVRマイコンのCPUアーキテクチャ
AVRマイコンのメモリアーキテクチャ
AVRマイコンの割り込みアーキテクチャ

AVRマイコンのCPUアーキテクチャ

AVRマイコンのCPUは8ビットのRISCアーキテクチャを採用しています。RISCアーキテクチャは命令セットを簡素化することで、高速な命令実行を実現しています。

AVRマイコンのCPUは32個の汎用レジスタを備えています。これらのレジスタはデータの一時的な保存や演算に使用されます。レジスタを効率的に活用することで、高速な処理が可能となります。

AVRマイコンのCPUはハードウェア乗算器を内蔵しています。乗算命令を高速に実行できるため、信号処理などの計算intensive な処理に適しています。

AVRマイコンのメモリアーキテクチャ

AVRマイコンはプログラムを格納するフラッシュメモリ、データを不揮発的に保存するEEPROM、データを一時的に保存するSRAMを内蔵しています。これらのメモリは独立したアドレス空間を持っており、効率的にアクセスできます。

フラッシュメモリはプログラムコードを格納するために使用されます。電源を切ってもデータが保持されるため、マイコンの起動時にプログラムを実行できます。フラッシュメモリは書き換え可能ですが、書き換え回数に制限があります。

EEPROMはデータを不揮発的に保存するために使用されます。設定値やキャリブレーションデータなどを格納するのに適しています。EEPROMへの書き込みはフラッシュメモリよりも低速ですが、書き換え回数の制限はありません。

AVRマイコンの割り込みアーキテクチャ

AVRマイコンは割り込み機能を備えています。割り込みは特定のイベントが発生したときにCPUの処理を中断し、割り込み処理ルーチンを実行する仕組みです。割り込みを使用することで、リアルタイムな処理が可能となります。

AVRマイコンは多数の割り込み源を持っています。外部割り込み、タイマ割り込み、シリアル通信割り込みなどがあります。これらの割り込みを適切に設定し、処理することで、効率的なプログラムを作成できます。

AVRマイコンの割り込みは優先度を設定できます。複数の割り込みが同時に発生した場合、優先度の高い割り込みから処理されます。割り込みの優先度を適切に設定することで、システムの応答性を向上させられます。

AVRマイコンの周辺機能

AVRマイコンの周辺機能に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

AVRマイコンのタイマ/カウンタ機能
AVRマイコンのシリアル通信機能
AVRマイコンのアナログ/デジタル変換機能

AVRマイコンのタイマ/カウンタ機能

AVRマイコンは複数のタイマ/カウンタを内蔵しています。タイマ/カウンタは一定の時間間隔でカウントを行ったり、外部イベントをカウントしたりするために使用されます。これらの機能を活用することで、時間管理や周波数測定などが可能となります。

タイマ/カウンタはPWM(Pulse Width Modulation)出力にも使用できます。PWMはアナログ信号を擬似的に生成する手法であり、モータの速度制御やLEDの明るさ制御などに活用されます。AVRマイコンのタイマ/カウンタを使用することで、簡単にPWM信号を生成できます。

また、タイマ/カウンタは割り込み機能と連携して使用されることが多いです。一定時間ごとに割り込みを発生させ、特定の処理を実行するようなプログラムを作成できます。これにより、リアルタイムな制御を実現できます。

AVRマイコンのシリアル通信機能

AVRマイコンはシリアル通信機能を備えています。シリアル通信はデータを1ビットずつ順番に送受信する方式であり、UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)、SPI(Serial Peripheral Interface)、I2C(Inter-Integrated Circuit)などの規格があります。

UARTは非同期式のシリアル通信規格であり、AVRマイコンとPC間の通信などに使用されます。AVRマイコンのUARTを使用することで、シリアルポート経由でデータの送受信が可能となります。

SPIとI2Cは同期式のシリアル通信規格であり、AVRマイコンと外部デバイス間の通信に使用されます。SPIはマスター/スレーブ方式の通信であり、高速なデータ転送が可能です。I2Cはマルチマスター/マルチスレーブ方式の通信であり、複数のデバイスを接続できます。

AVRマイコンのアナログ/デジタル変換機能

AVRマイコンはアナログ/デジタル変換(ADC: Analog-to-Digital Converter)機能を内蔵しています。ADCはアナログ信号をデジタル値に変換する機能であり、センサからのアナログ入力を処理するために使用されます。

AVRマイコンのADCは複数のアナログ入力チャンネルを持っています。これらのチャンネルに、アナログセンサなどを接続することで、センサの値をデジタル値として読み取ることができます。ADCの分解能は通常10ビットです。

また、AVRマイコンはアナログコンパレータ機能も備えています。アナログコンパレータは2つのアナログ信号を比較し、その大小関係を判定する機能です。これを使用することで、アナログ信号のしきい値検出などが可能となります。

AVRマイコンのプログラミング

AVRマイコンのプログラミングに関して、以下3つを簡単に解説していきます。

AVRマイコンのプログラミング言語
AVRマイコンの開発環境
AVRマイコンのプログラム書き込み

AVRマイコンのプログラミング言語

AVRマイコンのプログラミングは主にC言語で行われます。C言語は低レベルのハードウェア制御が可能な言語であり、AVRマイコンのようなマイコンプログラミングに適しています。

AVRマイコン用のC言語コンパイラとして、AVR-GCCが広く使用されています。AVR-GCCはGNUコンパイラコレクションのAVR版であり、無料で利用可能です。AVR-GCCを使用することで、C言語のソースコードをAVRマイコン用の機械語コードに変換できます。

また、AVRマイコンのプログラミングではAVRライブラリを活用することができます。AVRライブラリはAVRマイコンの各種機能を簡単に使用するためのライブラリであり、タイマ制御、シリアル通信、割り込み処理などの機能が提供されています。

AVRマイコンの開発環境

AVRマイコンの開発環境にはAtmel Studio(現在はMicrochip Studio)が広く使用されています。Atmel StudioはAtmel社(現Microchip Technology社)が提供する統合開発環境(IDE)であり、AVRマイコンの開発に特化しています。

Atmel Studioにはエディタ、デバッガ、シミュレータなどの機能が含まれています。エディタを使用してソースコードを編集し、デバッガを使用してプログラムの動作を確認できます。また、シミュレータを使用することで、実際のハードウェアを使用せずにプログラムの動作を検証できます。

また、ArduinoのIDEを使用してAVRマイコンの開発を行うこともできます。ArduinoのIDEはAVRマイコンを搭載したArduinoボード用の開発環境ですが、AVRマイコン単体でも使用可能です。ArduinoのIDEは初心者でも扱いやすいシンプルな開発環境となっています。

AVRマイコンのプログラム書き込み

AVRマイコンにプログラムを書き込むには専用のライタ(プログラマ)が必要です。ライタはPCとAVRマイコンを接続し、プログラムをマイコンのフラッシュメモリに書き込む機能を持っています。

AVRマイコンのライタにはISP(In-System Programming)ライタとJTAG(Joint Test Action Group)ライタがあります。ISPライタはSPI通信を使用してプログラムを書き込むライタであり、比較的安価で入手しやすいです。JTAGライタはJTAG通信を使用するライタであり、高速なプログラム書き込みが可能です。

また、ArduinoボードはUSB経由でプログラムを書き込むことができます。ArduinoボードにはUSB-シリアル変換チップが搭載されており、PCとの通信が可能です。ArduinoのIDEを使用することで、USBケーブルを介してArduinoボードにプログラムを書き込めます。