Особенности архитектуры микроконтроллеров семейства PIC16CXXX

Микроконтроллеры семейства PIC16CXXX, выполненные по технологии HCMOS представляют собой 8-разрядные микроконтроллеры на основе RISC-процессора, выполненные по гарвардской архитектуре. Имеют встроенное ПЗУ команд объемом от 0,5 до 4 Кслов (разрядность слова команд равна 12 – 14 бит). Память данных PIC-контроллеров организована в виде регистрового файла объемом 32 – 128 байт, в котором от 7 до 16 регистров отведено для управления системой и обмена данными с внешними устройствами.

Одним из основных достоинств этих устройств является очень широкий диапазон напряжений питания (2 – 6 В). Ток потребления на частоте 32768 Гц составляет менее 15 мкА, на частоте 4 МГц – 1 – 2 мА, на частоте 20 МГц 5 – 7 мА и в режиме микропотребления (режим SLEEP) – 1 – 2 мкА. Выпускаются модификации для работы в трех температурных диапазонах: от 0 до +70°С, от -40 до +85°С и от -40 до +125°С.

Каждый из контроллеров содержит универсальные (от 1 до 3) и сторожевой таймеры, а также надежную встроенную систему сброса при включении питания. Частота внутреннего тактового генератора задается либо кварцевым резонатором, либо RC-цепочкой в диапазоне 0 – 25 МГц. PIC-контроллеры имеют от 12 до 33 линий цифрового ввода-вывода, причем каждая из них может быть независимо настроена на ввод или вывод.

В устройство PIC16C64 входит широтно-импульсный модулятор, с помощью которого можно реализовать ЦАП с разрешением до 16 разрядов. Здесь есть и последовательный двунаправленный синхронно-асинхронный порт, обеспечивающий возможность организации шины I²C. Приборы PIC16C71 и PIC16C74 содержат встроенный многоканальный 8-разрядный АЦП с устройством выборки-хранения.

Помимо памяти программ в PIC предусмотрено несколько индивидуально прожигаемых перемычек, с помощью которых можно на этапе программирования кристалла выбрать тип тактового генератора, отключить сторожевой таймер или систему сброса, включить защиту памяти программ от копирования, а также записать серийный номер кристалла (16 бит).

С программной точки зрения PIC-контроллер представляет собой 8-разрядный RISC-процессор с гарвардской архитектурой. Число команд небольшое — от 33 до 35. Все команды имеют одинаковую длину и, кроме команд ветвления, выполняются за четыре периода тактовой частоты (в отличие, например, от 12 периодов для i87C51). Поддерживаются непосредственный, косвенный и относительный методы адресации, можно эффективно управлять отдельными битами в пределах всего регистрового файла. Стек реализован аппаратно. Его максимальная глубина составляет два или восемь уровней в зависимости от типа контроллера. Почти во всех микросхемах PIC есть система прерываний, источниками которых могут быть таймер и внешние сигналы. Система команд практически симметрична и, как следствие, легка в освоении.

Применение PIC-контроллеров целесообразно в несложных приборах с ограниченным током потребления (автономные устройства, приборы с питанием от телефонной линии и т.п.). Благодаря малому количеству компонентов, используемых при построении таких приборов, их размеры уменьшаются, а надежность увеличивается.

Типичным представителем микроконтроллеров семейства PIC16CXXX являются микроконтроллеры подгруппы PIC16F8X.

Микроконтроллеры подгруппы PIC16F8X

Основные характеристики

Микроконтроллеры подгруппы PIC16F8X относятся к семейству 8-разрядных КМОП микроконтроллеров группы PIC16CXXX, для которых характерны низкая стоимость, полностью статическая КМОП-технология и высокая производительность.

В состав подгруппы входят МК PIC16F83, PIC16CR83, PIC16F84 и PIC16CR84. Основные характеристики МК подгруппы PIC16F8X приведены в табл. 5.1.

Все микроконтроллеры подгруппы PIC16F8X используют гарвардскую архитектуру с RISC-процессором, обладающую следующими основными особенностями:

• используются только 35 простых команд;
• все команды выполняются за один цикл (400 нс при частоте 10 МГц), кроме команд перехода, которые требуют 2 циклов;
• рабочая частота 0 Гц... 10 МГц;
• раздельные шины данных (8 бит) и команд (14 бит);
• 512 х 14 или 1024 х 14 память программ, выполненная на ПЗУ или электрически перепрограммируемой Flash- памяти;
• 15 восьмиразрядных регистров специальных функций (SFR);
• восьмиуровневый аппаратный стек;
• прямая, косвенная и относительная адресация данных и команд;
• 36 или 68 восьмиразрядных регистров общего назначения (GPR) или ОЗУ;
• четыре источника прерывания:
• внешний вход RB0/INT;
• переполнение таймера TMR0;
• изменение сигналов на линиях порта B;
• завершение записи данных в память EEPROM;
• 64 x 8 электрически перепрограммируемая EEPROM память данных с возможностью выполнения 1000000 циклов стирания/записи;
• сохранение данных в EEPROM в течение как минимум 40 лет.

Таблица 5.1. Основные характеристики МК подгруппы PIC16F8X.
Параметр	PIC16F83	PIC16CR83	PIC16F84	PIC16CR84
Максимальная частота, МГц
Flash-память программ, слов		-	1K	-
ПЗУ программ, слов	-		-	1K
Память данных, байт
Память данных в РПЗУ (EEPROM), байт
Таймеры	TMR0	TMR0	TMR0	TMR0
Число источников прерываний
Число линий ввода/вывода
Диапазон напряжений питания, В	2,0 – 6,0	2,0 – 6,0	2,0 – 6,0	2,0 – 6,0
Число выводов и тип корпуса	18 DIP, SOIC	18 DIP, SOIC	18 DIP, SOIC	18 DIP, SOIC

Микроконтроллеры подгруппы PIC16F8X обладают развитыми возможностями ввода/вывода:

• 13 линий ввода-вывода с индивидуальной установкой направления обмена;
• высокий втекающий/вытекающий ток, достаточный для управления светодиодами:
• максимальный втекающий ток – 25 мА;
• максимальный вытекающий ток – 20 мА;
• 8-битный таймер/счетчик TMR0 с 8-битным программируемым предварительным делителем.

Специализированные микроконтроллерные функции включают следующие возможности:

• автоматический сброс при включении (Power-on-Reset);
• таймер включения при сбросе (Power-up Timer);
• таймер запуска генератора (Oscillator Start-up Timer);
• сторожевой (Watchdog) таймер WDT с собственным встроенным генератором, обеспечивающим повышенную надежность;
• EEPROM бит секретности для защиты кода;
• экономичный режим SLEEP;
• выбираемые пользователем биты для установки режима возбуждения встроенного генератора;
• последовательное встроенное устройство программирования Flash/EEPROM памяти программ и данных с использованием только двух выводов.

КМОП технология обеспечивает МК подгруппы PIC16F8X дополнительные преимущества:

• статический принцип работы;
• широкий диапазон напряжений питания: 2,0... 6,0 В;
• низкое энергопотребление:
• менее 2 мА при 5В и 4МГц;
• порядка 15 мкА при 2В и 32КГц;
• менее 1 мкА для SLEEP-режима при 2В.

Микроконтроллеры подгруппы PIC16F8X различаются между собой только объемом ОЗУ данных, а также объемом и типом памяти программ. Наличие в составе подгруппы МК с Flash-памятью программ облегчает создание и отладку прототипов промышленных образцов изделий.

Особенности архитектуры

Упрощенная структурная схема МК подгруппы PIC16F8X приведена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Структурная схема МК подгруппы PIC16F8X.

Архитектура основана на концепции раздельных шин и областей памяти для данных и для команд (гарвардская архитектура). Шина данных и память данных (ОЗУ) – имеют ширину 8 бит, а программная шина и программная память (ПЗУ) имеют ширину 14 бит. Такая концепция обеспечивает простую, но мощную систему команд, разработанную так, что битовые, байтовые и регистровые операции работают с высокой скоростью и с перекрытием по времени выборок команд и циклов выполнения. 14-битовая ширина программной памяти обеспечивает выборку 14-битовой команды в один цикл. Двухступенчатый конвейер обеспечивает одновременную выборку и исполнение команды. Все команды выполняются за один цикл, исключая команды переходов.

Микроконтроллеры PIC16F83 и PIC16CR83 адресуют 512х14 памяти программ, а PIC16F84 и PIC16CR84 – 1Кх14 памяти программ. Вся память программ является внутренней.

Микроконтроллер может прямо или косвенно обращаться к регистрам или памяти данных. Все регистры специальных функций, включая счетчик команд, отображаются на память данных. Ортогональная (симметричная) система команд позволяет выполнять любую команду над любым регистром с использованием произвольного метода адресации. Ортогональная архитектура и отсутствие специальных исключений делает программирование МК группы PIC16F8X простым и эффективным.

Назначение выводов МК подгруппы PIC16F8X приведено в табл. 5.2.

Таблица 5.2. Назначение выводов МК подгруппы PIC16F8X.
Обозначение	Тип	Буфер	Описание
OSC1/CLKIN	I	ТШ/КМОП^1)	Вход кристалла генератора, RC-цепочки или вход внешнего тактового сигнала
OSC2/CLKOUT	O	-	Выход кристалла генератора. В RC-режиме – выход 1/4 частоты OSC1
/MCLR	I/P	ТШ	Сигнал сброса/вход программирующего напряжения. Сброс низким уровнем.
RA0	I/O	ТТЛ	PORTA – двунаправленный порт ввода/вывода RA4/T0CKI может быть выбран как тактовый вход таймера/счетчика TMR0. Выход с открытым стоком.
RA1	I/O	ТТЛ
RA2	I/O	ТТЛ
RA3	I/O	ТТЛ
RA4	I/O	ТШ
/T0CKI
RB0/INT	I/O	ТТЛ/ТШ^2)	PORTB – двунаправленный порт ввода/вывода. Может быть запрограммирован в режиме внутренних активных нагрузок на линию питания по всем выводам. Вывод RB0/INT может быть выбран как внешний вход прерывания. Выводы RB4...RB7 могут быть программно настроены как входы прерывания по изменению состояния на любом из входов. При программировании МК RB6 используется как тактовый, а RB7 как вход/выход данных.
RB1	I/O	ТТЛ
RB2	I/O	ТТЛ
RB3	I/O	ТТЛ
RB4	I/O	ТТЛ
RB5	I/O	ТТЛ
RB6	I/O	ТТЛ/ТШ^3)
RB7	I/O	ТТЛ/ТШ^4)

 

Таблица 5.2. Назначение выводов МК подгруппы PIC16F8X (продолжение).
Обозначение	Тип	Буфер	Описание
Vdd	P	-	Положительное напряжение питания
Vss	P	-	Общий провод (земля)
В таблице использованы следующие обозначения: I — вход; O — выход; I/O — вход/выход; P — питание; – — не используется; ТТЛ — ТТЛ вход; ТШ — вход триггера Шмитта.

Микроконтроллер содержит 8-разрядное АЛУ и рабочий регистр W. АЛУ является арифметическим модулем общего назначения и выполняет арифметические и логические функции над содержимым рабочего регистра и любого из регистров контроллера. АЛУ может выполнять операции сложения, вычитания, сдвига и логические операции. Если не указано иное, то арифметические операции выполняются в дополнительном двоичном коде.

В зависимости от результата операции, АЛУ может изменять значения бит регистра STATUS: C (Carry), DC (Digit carry) и Z (Zero).