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PIC,16F84 PIC单片机16F84的内部硬件资源
问
PIC单片机16F84的内部硬件资源(一)
上期笔者介绍的PIC16F84点亮一只发光二极管的源程序实例是为了说明PIC单片机16F84具体应用时的基本格式。
现在我们已经知道要单片机工作,就需用汇编语言编制程序。而对某个PIC单片机编程时,还需对选用的PIC单片机内部硬件资源有所了解。这里介绍PIC16F84单片机的内部结构,如图1所示的框图。由图1看出,其基本组成可分为四个主要部分,即运算器ALU和工作寄存器W;程序存储器;数据存储器和输入/输出(I/O)口;堆栈存储器和定时器等。现分别介绍如下。
1运算器ALU及工作寄存器W
运算器ALU是一个通用算术、逻辑运算单元,用它可以对工作寄存器W和任何通用寄存器中的两个数进行算术(如加、减、乘、除等)和逻辑运算(如与、或、异或等)。16F84是八位单片机,ALU的字长是八位。在有两个操作数的指令中,典型的情况是一个操作数在工作寄存器W中,而另一个操作数是在通用寄存器中,或者是一个立即数。在只有一个操作数的情况下,该数要么是在工作寄存器W中,要么是在通用寄存器中。W寄存器是一个专用于ALU操作的寄存器,它是不可寻址的。
根据所执行的指令,ALU还可能会影响框图中状态寄存器STATUS的进位标志C、全零标志Z等。
2程序存储器
单片机内存放程序指令的存储器称为程序存储器。PIC16F84的所有指令字长为14位。所以程序存储器的各存储单元是14位宽。一个存储单元存放一条指令。16F84的程序存贮器有1024(28)个存储单元(存储容量为1k)。这些程序存储器都是由FPEROM构成的。
程序存储器是由程序计数器PC寻址的。16F84的程序计数器为13位宽,可寻址8K(8×1024)的程序存储器空间,但16F84实际上只使用了1k的空间(单元地址为0~3FFH)。当访问超过这些地址空间的存储单元时,将导致循环回到有效的存储空间。
对于用过其它单片机的用户,可能会感到16F84的片内存储器容量太少了。实际上并非如此,因为16F84的指令系统都是由单字指令构成的,相应于其它由二字节、三字节甚至四字节指令的单片机而言,PIC单片机的程序存储器有效容量要比标称值扩大25倍到3倍。
成都 卫东
PIC单片机16F84的内部硬件资源(二)
3 数据存储器
在单片机PIC16F84中,除了有存放程序的程序存储器外,还有数据存储器。单片机在执行程序过程中,往往需要随时向单片机输入一些数据,而且有些数据还可能随时改变。在这种情况下就需用数据存储器。由于数据存储器不但要能随时读取存放在其各个单元内的数据,而且还需随时写进新的数据,或改写原来的数据。因此,数据存储器需由随机存储器RAM构成。RAM存储器在断电时,所存数据随即丢失,这在实际应用中有时会带来不便。但是,在16F84中有64×8位E2PROM数据存储器。存放在E2PROM中的数据在断电时不会丢失。
16F84中的RAM数据存储器如表1所示,该RAM分为两个存储体:即存储体0(Bank0)和存储体1(Bank1)。每个存储体均可以直接用内部总线传送信息,所以它们都是以寄存器方式工作和寻址。这些八位寄存器,又可分为通用寄存器和专用寄存器两个部分。通用寄存器存放数据,专用寄存器存放控制单片机运作的信息。每个存储体最大可扩展到7FH(128个字节)。在每个存储体中,专用寄存器被安排在低位地址空间,通用寄存器被安排在高位地址空间。
通用寄存器用法单一,但专用寄存器却各有各的用处,现将较基本的专用寄存器作一简单介绍。
(1)程序计数器(PCL、PCLATH)。程序计数器PC是对程序进行管理的计数器。PIC16F84的程序计数器为13位宽,最大可寻址的存储空间为8k×14位。实际上16F84只使用前1k×14位(0000~03FFH)存储空间。因程序计数器有13位宽,而专用寄存器只有8位。因此PC由两个专用寄存器构成。其低八位PCL是一个可读/写寄存器(地址为02H或82H),而高字节PCH(有效位5位)不能直接进行读/写操作,它是通过一个8位的保持寄存器PCLATH(地址为0A或8AH)把高5位地址传送给程序计数器的高字节。当执行CALL、GOTO指写PCL时,PC值的高字节就从PCLATH寄存器中装入。
(2)状态寄存器STATUS。状态寄存器STATUS含有算术逻辑单元ALU运算结果的状态(如有无进位等)、复位状态及数据存储体选择位。有关位位的设定如表2所示,功能如下:
1)第0位。进位/借位位C。执行加、减运算指令
表2
IRP RP1 RP0 TO PD Z DC C
后,若结果有进位或借位,则C被置1,否则置0。在执行移位指令时,也要用到这一位。
2)第1位。辅助进位/借位位DC。执行加、减运算指令后,若结果的低四位向高四位有进位或借位,则DC置1,否则置0。
3)第2位。零标志位运算结果为零,Z被置1;运算结果不为零,Z被清零。
4)第3位。低功耗标志位PD。上电复位或执行CLRWDT指令后置1,执行SLEEP指令后被清零。
5)第4位。定时时间到标志位TO。上电复位或执行CLRWDT、SLEEP指令后被置1,监视定时器的定时时间到被清零。
6)第5位和第6位(RP0、RP1)。这两位是用于直接寻址时的寄存器体选择位。即00——选中Bank0(00H~7FH);01——选中Bank1(80H~FFH),16F84只有两个存储体。故10、11不用。
7)第7位IRP。这是间接寻址的寄存体选择位。0——选中Bank0、1(00H~FFH),1——选中Bank2、3。16F84只有Bank0、1,所以此IRP位应被置为0。
(3)间接寻址INDF和FSR寄存器
INDF寄存器不是一个物理寄存器,而是一个逻辑功能的寄存器(地址为00H或80H),当对INDF寄存器进行寻址时,实际上是访问FSR寄存器内容所指的单元,即把FSR寄存器作为间接寄存器使用。FSR称为“寄存器选择”寄存器,地址为(04H或84H)。对INDF寄存器本身进行间接寻址访问,将读出FSR寄存器的内容,例如当FSR=00H时,间接寻址读出INDF的数据将为00H。用间接寻址方式写入INDF寄存器时,虽然写入操作可能会影响STATUS中的状态字,但写入的数据是无效的。
PIC单片机16F84的内部硬件资源(三)
4 I/O口
单片机作为一个控制器件必定有数据输入和输出。输入量可能是温度、压力、转速等,而输出量可能是开关量和数据,以保证受控过程在规定的范围内运行。数据的输入和输出都需通过单片机内部有关电路,再与引脚构成输入/输出(I/O)端口。PIC16F84芯片有两个I/O端口(PROTA和PORTB)。端口A为5位口,端口B为8位口,共占用13位引脚。每个端口由一个锁存器(即数据存储器中的特殊功能寄存器05H、06H单元)、一个输出驱动器和输入缓冲器等组成。当把I/O口作输出时,数据可以锁存;作输入口时,数据可以缓冲。
16F84 PORTA口中的RA4是斯密特触发输入、漏极开路输出。而其它的RA口引脚都是TTL电平输入和全CMOS驱动输出。端口PORTB是一个八位双向可编程I/O口。各端口虽然也由锁存器、驱动器、缓冲器等构成,但因功能略有不同而导致电路亦存在差别。现以PORTA口的RA0 ~RA3的电路(见左图)为例,说明其基本工作原理。
图中RA口的I/O引脚是由数据方向位(寄存器TRISA)来定义数据流向。当TRISA寄存器的位置为“1”时,其输出驱动器(由P沟道和N沟道MOS管串接而成)呈高阻态,即两个MOS管均截止,I/O口被定义为输入。此时,数据由I/O端输入,经TTL输入缓冲器到D触发器。当执行读指令时,此D触发器使能,数据经三态门进入数据总线。
当TRISA的位置为“0”时,I/O口被定义为输出,此时输出锁存器的输出电平就是I/O口的输出电平。
读PORTA寄存器的结果就是读取I/O引脚上的电平,而写PORTA寄存器的结果是写入I/O锁存器。所有的写I/O口的操作都是一个“读入/修改/写入”的过程,即先读I/O引脚电平,然后由程序修改(按要求给定一个值),再置入I/O锁存器。
PIC16F84的输出可提供20mA的电流,所以它可直接驱动LED。PORTA和PORTB各个位均可分别定义为输入和输出。下面以PORTA口初始化程序的实例,说明选择I/O口的方法。
CLRF PORTA;端口A被清零
BSF STATUS;状态寄存器STATUS的RPO位置为1,选BANK1。
MOVLW 0xCF ;将定向值
;11001111置入W工作寄存器
MOVWF TRISA;置RA(3~0)位为输入
;RA 54位为输出
;TRISA 76位未用
在使用I/O口时应注意:
(1)当需要一个I/O口一会做输入、一会又做输出时,输出值会不确定。
(2)I/O引脚输出驱动电路为CMOS互补推挽输出。当其为输出状态时,不能与其它输出脚接成“线或”或“线与”,否则,会因电流过载烧坏单片机。
(3)当对I/O口进行写操作后不宜直接进行读操作,一般要求在两条连续的写、读指令间至少加入一条NOP指令。
例:MOVWF 6 ;写I/O
NOP ;稳定I/O电平
MOVF 6,W;读I/O
5堆栈
单片机执行程序时,常常要执行调用子程序。这样就产生了一个问题:如何记忆是从何处调用的子程序,以便执行子程序之后正确返回。此外,在程序执行过程中,还可能会发生中断,转而执行中断子程序,这时,又如何记忆从何处中断,以便返回呢?
满足上述功能的方法就是“堆栈”技术。
“堆栈”是一个用来保存临时数据的栈区。当主程序调用子程序时,单片机执行到CALL指令或发生中断时,就自动将下一条指令的地址“压栈”保存到栈区。当子程序结束,单片机执行返回指令时,就自动地把栈区的内容“弹出”,作为下步指令执行的新地址。
PIC16F84芯片内有一个8级13位宽(与PC同宽)的硬件堆栈,此堆栈既不占用程序存储空间,也不占用数据存储空间。当执行一条CALL指令或一个中断被响应后,程序计数器PC中的断点地址就自动被压栈(PUSH)保护,而当执行RETURN、RETLW或者RETFIE指令时,堆栈中的断点地址会弹回(POP)程序计数器PC中。无论是PUSH还是POP操作,都不影响PCLATH寄存器的内容。
成都 卫东
答 1: 首长辛苦了! 答 2: 客气
上期笔者介绍的PIC16F84点亮一只发光二极管的源程序实例是为了说明PIC单片机16F84具体应用时的基本格式。
现在我们已经知道要单片机工作,就需用汇编语言编制程序。而对某个PIC单片机编程时,还需对选用的PIC单片机内部硬件资源有所了解。这里介绍PIC16F84单片机的内部结构,如图1所示的框图。由图1看出,其基本组成可分为四个主要部分,即运算器ALU和工作寄存器W;程序存储器;数据存储器和输入/输出(I/O)口;堆栈存储器和定时器等。现分别介绍如下。
1运算器ALU及工作寄存器W
运算器ALU是一个通用算术、逻辑运算单元,用它可以对工作寄存器W和任何通用寄存器中的两个数进行算术(如加、减、乘、除等)和逻辑运算(如与、或、异或等)。16F84是八位单片机,ALU的字长是八位。在有两个操作数的指令中,典型的情况是一个操作数在工作寄存器W中,而另一个操作数是在通用寄存器中,或者是一个立即数。在只有一个操作数的情况下,该数要么是在工作寄存器W中,要么是在通用寄存器中。W寄存器是一个专用于ALU操作的寄存器,它是不可寻址的。
根据所执行的指令,ALU还可能会影响框图中状态寄存器STATUS的进位标志C、全零标志Z等。
2程序存储器
单片机内存放程序指令的存储器称为程序存储器。PIC16F84的所有指令字长为14位。所以程序存储器的各存储单元是14位宽。一个存储单元存放一条指令。16F84的程序存贮器有1024(28)个存储单元(存储容量为1k)。这些程序存储器都是由FPEROM构成的。
程序存储器是由程序计数器PC寻址的。16F84的程序计数器为13位宽,可寻址8K(8×1024)的程序存储器空间,但16F84实际上只使用了1k的空间(单元地址为0~3FFH)。当访问超过这些地址空间的存储单元时,将导致循环回到有效的存储空间。
对于用过其它单片机的用户,可能会感到16F84的片内存储器容量太少了。实际上并非如此,因为16F84的指令系统都是由单字指令构成的,相应于其它由二字节、三字节甚至四字节指令的单片机而言,PIC单片机的程序存储器有效容量要比标称值扩大25倍到3倍。
成都 卫东
PIC单片机16F84的内部硬件资源(二)
3 数据存储器
在单片机PIC16F84中,除了有存放程序的程序存储器外,还有数据存储器。单片机在执行程序过程中,往往需要随时向单片机输入一些数据,而且有些数据还可能随时改变。在这种情况下就需用数据存储器。由于数据存储器不但要能随时读取存放在其各个单元内的数据,而且还需随时写进新的数据,或改写原来的数据。因此,数据存储器需由随机存储器RAM构成。RAM存储器在断电时,所存数据随即丢失,这在实际应用中有时会带来不便。但是,在16F84中有64×8位E2PROM数据存储器。存放在E2PROM中的数据在断电时不会丢失。
16F84中的RAM数据存储器如表1所示,该RAM分为两个存储体:即存储体0(Bank0)和存储体1(Bank1)。每个存储体均可以直接用内部总线传送信息,所以它们都是以寄存器方式工作和寻址。这些八位寄存器,又可分为通用寄存器和专用寄存器两个部分。通用寄存器存放数据,专用寄存器存放控制单片机运作的信息。每个存储体最大可扩展到7FH(128个字节)。在每个存储体中,专用寄存器被安排在低位地址空间,通用寄存器被安排在高位地址空间。
通用寄存器用法单一,但专用寄存器却各有各的用处,现将较基本的专用寄存器作一简单介绍。
(1)程序计数器(PCL、PCLATH)。程序计数器PC是对程序进行管理的计数器。PIC16F84的程序计数器为13位宽,最大可寻址的存储空间为8k×14位。实际上16F84只使用前1k×14位(0000~03FFH)存储空间。因程序计数器有13位宽,而专用寄存器只有8位。因此PC由两个专用寄存器构成。其低八位PCL是一个可读/写寄存器(地址为02H或82H),而高字节PCH(有效位5位)不能直接进行读/写操作,它是通过一个8位的保持寄存器PCLATH(地址为0A或8AH)把高5位地址传送给程序计数器的高字节。当执行CALL、GOTO指写PCL时,PC值的高字节就从PCLATH寄存器中装入。
(2)状态寄存器STATUS。状态寄存器STATUS含有算术逻辑单元ALU运算结果的状态(如有无进位等)、复位状态及数据存储体选择位。有关位位的设定如表2所示,功能如下:
1)第0位。进位/借位位C。执行加、减运算指令
表2
IRP RP1 RP0 TO PD Z DC C
后,若结果有进位或借位,则C被置1,否则置0。在执行移位指令时,也要用到这一位。
2)第1位。辅助进位/借位位DC。执行加、减运算指令后,若结果的低四位向高四位有进位或借位,则DC置1,否则置0。
3)第2位。零标志位运算结果为零,Z被置1;运算结果不为零,Z被清零。
4)第3位。低功耗标志位PD。上电复位或执行CLRWDT指令后置1,执行SLEEP指令后被清零。
5)第4位。定时时间到标志位TO。上电复位或执行CLRWDT、SLEEP指令后被置1,监视定时器的定时时间到被清零。
6)第5位和第6位(RP0、RP1)。这两位是用于直接寻址时的寄存器体选择位。即00——选中Bank0(00H~7FH);01——选中Bank1(80H~FFH),16F84只有两个存储体。故10、11不用。
7)第7位IRP。这是间接寻址的寄存体选择位。0——选中Bank0、1(00H~FFH),1——选中Bank2、3。16F84只有Bank0、1,所以此IRP位应被置为0。
(3)间接寻址INDF和FSR寄存器
INDF寄存器不是一个物理寄存器,而是一个逻辑功能的寄存器(地址为00H或80H),当对INDF寄存器进行寻址时,实际上是访问FSR寄存器内容所指的单元,即把FSR寄存器作为间接寄存器使用。FSR称为“寄存器选择”寄存器,地址为(04H或84H)。对INDF寄存器本身进行间接寻址访问,将读出FSR寄存器的内容,例如当FSR=00H时,间接寻址读出INDF的数据将为00H。用间接寻址方式写入INDF寄存器时,虽然写入操作可能会影响STATUS中的状态字,但写入的数据是无效的。
PIC单片机16F84的内部硬件资源(三)
4 I/O口
单片机作为一个控制器件必定有数据输入和输出。输入量可能是温度、压力、转速等,而输出量可能是开关量和数据,以保证受控过程在规定的范围内运行。数据的输入和输出都需通过单片机内部有关电路,再与引脚构成输入/输出(I/O)端口。PIC16F84芯片有两个I/O端口(PROTA和PORTB)。端口A为5位口,端口B为8位口,共占用13位引脚。每个端口由一个锁存器(即数据存储器中的特殊功能寄存器05H、06H单元)、一个输出驱动器和输入缓冲器等组成。当把I/O口作输出时,数据可以锁存;作输入口时,数据可以缓冲。
16F84 PORTA口中的RA4是斯密特触发输入、漏极开路输出。而其它的RA口引脚都是TTL电平输入和全CMOS驱动输出。端口PORTB是一个八位双向可编程I/O口。各端口虽然也由锁存器、驱动器、缓冲器等构成,但因功能略有不同而导致电路亦存在差别。现以PORTA口的RA0 ~RA3的电路(见左图)为例,说明其基本工作原理。
图中RA口的I/O引脚是由数据方向位(寄存器TRISA)来定义数据流向。当TRISA寄存器的位置为“1”时,其输出驱动器(由P沟道和N沟道MOS管串接而成)呈高阻态,即两个MOS管均截止,I/O口被定义为输入。此时,数据由I/O端输入,经TTL输入缓冲器到D触发器。当执行读指令时,此D触发器使能,数据经三态门进入数据总线。
当TRISA的位置为“0”时,I/O口被定义为输出,此时输出锁存器的输出电平就是I/O口的输出电平。
读PORTA寄存器的结果就是读取I/O引脚上的电平,而写PORTA寄存器的结果是写入I/O锁存器。所有的写I/O口的操作都是一个“读入/修改/写入”的过程,即先读I/O引脚电平,然后由程序修改(按要求给定一个值),再置入I/O锁存器。
PIC16F84的输出可提供20mA的电流,所以它可直接驱动LED。PORTA和PORTB各个位均可分别定义为输入和输出。下面以PORTA口初始化程序的实例,说明选择I/O口的方法。
CLRF PORTA;端口A被清零
BSF STATUS;状态寄存器STATUS的RPO位置为1,选BANK1。
MOVLW 0xCF ;将定向值
;11001111置入W工作寄存器
MOVWF TRISA;置RA(3~0)位为输入
;RA 54位为输出
;TRISA 76位未用
在使用I/O口时应注意:
(1)当需要一个I/O口一会做输入、一会又做输出时,输出值会不确定。
(2)I/O引脚输出驱动电路为CMOS互补推挽输出。当其为输出状态时,不能与其它输出脚接成“线或”或“线与”,否则,会因电流过载烧坏单片机。
(3)当对I/O口进行写操作后不宜直接进行读操作,一般要求在两条连续的写、读指令间至少加入一条NOP指令。
例:MOVWF 6 ;写I/O
NOP ;稳定I/O电平
MOVF 6,W;读I/O
5堆栈
单片机执行程序时,常常要执行调用子程序。这样就产生了一个问题:如何记忆是从何处调用的子程序,以便执行子程序之后正确返回。此外,在程序执行过程中,还可能会发生中断,转而执行中断子程序,这时,又如何记忆从何处中断,以便返回呢?
满足上述功能的方法就是“堆栈”技术。
“堆栈”是一个用来保存临时数据的栈区。当主程序调用子程序时,单片机执行到CALL指令或发生中断时,就自动将下一条指令的地址“压栈”保存到栈区。当子程序结束,单片机执行返回指令时,就自动地把栈区的内容“弹出”,作为下步指令执行的新地址。
PIC16F84芯片内有一个8级13位宽(与PC同宽)的硬件堆栈,此堆栈既不占用程序存储空间,也不占用数据存储空间。当执行一条CALL指令或一个中断被响应后,程序计数器PC中的断点地址就自动被压栈(PUSH)保护,而当执行RETURN、RETLW或者RETFIE指令时,堆栈中的断点地址会弹回(POP)程序计数器PC中。无论是PUSH还是POP操作,都不影响PCLATH寄存器的内容。
成都 卫东
答 1: 首长辛苦了! 答 2: 客气
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