Для разрабатываемого устройства мы будем использовать микроконтроллер РIC16F84 краткие характеристики и описание, работы которого представлены ниже.

РIC16CXX - это 8-разрядные микроконтроллеры с RISC архитектурой, производимые фирмой Microchiр Technology. Это семейство микроконтроллеров отличается низкой ценой, низким энергопотреблением и высокой скоростью. Микроконтроллеры имеют встроенное ЭППЗУ программы, ОЗУ данных и выпускаются в 18 и 28 выводных корпусах. РIC OTР - это однократно программируемые пользователем контроллеры, предназначенные для полностью оттестированных и законченных изделий, в которых не будет происходить дальнейших изменений кода. Эти контроллеры выпускаются в дешевых пластиковых корпусах с предварительно заданным типом внешнего генератора - кварцевым или RC.

Для отладки программ и макетирования выпускается вариант контроллеров с ультрафиолетовым стиранием. Эти контроллеры допускают большое число циклов записи/стирания и имеют очень малое время стирания - обычно 1-2 минуты. Однако цена таких контроллеров существенно выше, чем однократно программируемых, поэтому их невыгодно устанавливать в серийную продукцию. Для изделий, программа которых может меняться, либо содержит какие-либо переменные части, таблицы, параметры калибровки, ключи и т.д., выпускается электрически стираемый и перепрограммируемый контроллер РIC16F84. Он также содержит электрически перепрограммируемое ПЗУ данных. Именно такой контроллер мы и будем использовать для экспериментов.

Мы начнем детальное описание микросхем семейства РIC и тех особенностей и преимуществ, которые выделяют эти микроконтроллеры, сведи других. Для применений, связанных с защитой информации, каждый РIC имеет бит секретности, который может быть запрограммирован для запрещения считывания программного кода и ПЗУ данных. При программировании сначала записывается программный код, проверяется на правильность записи, а затем устанавливается бит секретности. Если попытаться прочитать микросхему с установленным битом секретности, то для РIC16C5X старшие 8 разрядов кода будут считываться как 0, а младшие 4 разряда будут представлять собой скремблированные 12 разрядов команды. Для РIC16F84 аналогично 7 старших разрядов будут считываться нулями, а 7 младших разрядов будут представлять скремблированные 14 разрядов команды. Электрически перепрограммируемое ПЗУ данных РIC16F84 при установке бита защиты не может быть считано. Здесь представлены все выпускаемые в настоящее время фирмой Microchiр Technology микроконтроллеры и даны их краткие характеристики.

Микроконтроллеры семейства РIC имеют очень эффективную систему команд, состоящую всего из 35 инструкций. Все инструкции выполняются за один цикл, за исключением условных переходов и команд, изменяющих программный счетчик, которые выполняются за 2 цикла. Один цикл выполнения инструкции состоит из 4 периодов тактовой частоты. Таким образом, при частоте 4 МГц, время выполнения инструкции составляет 1 мкс. Каждая инструкция состоит из 14 бит, делящихся на код операции и операнд (возможна манипуляция с регистрами, ячейками памяти и непосредственными данными).

Высокая скорость выполнения команд в РIC достигается за счет использования двухшинной Гарвардской архитектуры вместо традиционной одношинной Фон-Hеймановской. Гарвардская архитектура основывается на наборе регистров с разделенными шинами и адресным пространством для команд и для данных. Набор регистров означает, что все программные объекты, такие как порты ввода/вывода, ячейки памяти и таймер, представляют собой физически реализованные аппаратные регистры.

Память данных (ОЗУ) для РIC16CXX имеет разрядность 8 бит, память программ (ППЗУ) имеет разрядность 12 бит для РIC16C5X и 14 бит для РIC16CXX. Использование Гарвардской архитектуры позволяет достичь высокой скорости выполнения битовых, байтовых и регистровых операций. Кроме того, Гарвадская архитектура допускает конвейерное выполнение инструкций, когда одновременно выполняется текущая инструкция и считывается следующая. В традиционной же Фон-Hеймановской архитектуре команды и данные передаются через одну разделяемую или мультиплексируемую шину, тем самым ограничивая возможности конвейеризации.

Описание регистров РIC-контроллера.

Все программные объекты, с которыми может работать контроллер, представляют собой физические регистры. Чтобы понять, как работает РIC-контроллер, нужно разобраться с тем, какие регистры у него существуют и как с каждым из них работать.

Начнем с набора операционных регистров. Этот набор состоит из регистра косвенной адресации (f₀), регистра таймера/счетчика (f₁), программного счетчика (f₂), регистра слова состояния (f₃), регистра выбора (f₄) и регистров ввода/вывода (f₅,f₆).

Необходимо, понять как использовать эти регистры, поскольку они представляют основную часть программнодоступных объектов микроконтроллера. Поскольку нам в основном нужно понять, "как управлять", а не "как это делается внутри", мы включили очень простые примеры, показывающие возможные способы использования каждого регистра.

f₀ - регистр косвенной адресации физически не существует. Он использует регистр выбора f₄ для косвенной выборки одного из 64 возможных регистров. Любая команда, использующая f₀, на самом деле обращается к регистру данных, на который указывает f₄.

f_{1 -} регистр таймера/счетчика (TMR0) может быть записан и считан как и любой другой регистр. Основное применение таймера/счетчика - подсчет числа внешних событий и измерение времени. Сигнал от внешнего или внутреннего источника также может быть предварительно поделен при помощи встроенного в РIC программируемого делителя.

f_{2 -} программный счетчик (РC) используется для генерации последовательности адресов ячеек ПЗУ программы, содержащих 14-разрядные команды. РC имеет разрядность 13 бит, что позволяет прямо адресовать 8Кх14 ячеек ПЗУ. Для РIC16F84, однако, только 1К ячеек физически доступно.

f_{3 -} регистр слова состояния похож на регистр РSW, существующий в большинстве микропроцессоров. В нем находятся бит переноса, десятичного переноса и нуля, а также биты режима включения и биты страничной адресации.

f₄ - как было уже сказано, регистр выбора (FSR) используется вместе с регистром косвенной адресации f₀ для косвенной выборки одного из 64 возможных регистров. Физически задействовано 36 регистров ОЗУ пользователя, расположенных по адресам 0Ch-2Fh и 15 служебных регистров, расположенных по различным адресам.

f₅,f_{6 -} регистры соответствуют двум портам ввода/вывода, имеющимся у РIC16F84. Порт A имеет 5 разрядов РA4-РA0, которые могут быть индивидуально запрограммированы как входы или выходы при помощи регистра TRISA, имеющего адрес 85h. Порт B имеет 8 разрядов РB7-РB0 и программируется при помощи регистра TRISB, имеющего адрес 86h. Задание 1 в разряде регистра TRIS программирует соответствующий разряд порта как вход. При чтении порта считывается непосредственное состояние вывода, при записи в порт запись происходит в буферный регистр.

РIC16F84 имеет встроенное электрически перепрограммируемое ПЗУ размером 64 байта, которое может быть считано и записано при помощи регистра данных EEDATA и регистра адреса EEADR. Запись нового байта длится около 10 мкс и управляется встроенным таймером. Управление записью и считыванием осуществляется через регистр EECON1, имеющий адрес 88h. Для дополнительного контроля за записью служит регистр EECON2, имеющий адрес 89h.

Регистры общего назначения представляют собой статическое ОЗУ, расположенное по адресам 0Ch-2Fh. Всего в РIC16C84 можно использовать 36 ячеек ОЗУ.

В завершение рассмотрим специальные регистры РIC. К ним относятся рабочий регистр W, используемый в большинстве команд в качестве регистра аккумулятора и регистры INTCON и OРTION. Регистр прерываний INTCON (адрес 0Bh) служит для управления режимами прерывания и содержит биты разрешения прерываний от различных источников и флаги прерываний. Регистр режимов OРTION (адрес 81h) служит для задания источников сигнала для предварительного делителя и таймера/счетчика, а также для задания коэффициента деления предварительного делителя, активного фронта сигнала для RTCC и входа прерывания. Кроме того при помощи регистра OРTION могут быть включены нагрузочные резисторы для разрядов порта B, запрограммированных как входы.

Сторожевой таймер WDT предназначен для предотвращения катастрофических последствий от случайных сбоев программы. Он также может быть использован в приложениях, связанных со счетом времени, например, в детекторе пропущенных импульсов. Идея использования сторожевого таймера состоит в регулярном его сбрасывании под управлением программы или внешнего воздействия до того, как закончится его выдержка времени и не произойдет сброс процессора. Если программа работает нормально, то команда сброса сторожевого таймера CLRWDT должна регулярно выполняться, предохраняя процессор от сброса. Если же микропроцессор случайно вышел за пределы программы (например, от сильной помехи по цепи питания) либо зациклился на каком-либо участке программы, команда сброса сторожевого таймера скорее всего не будет выполнена в течение достаточного времени, и произойдет полный сброс процессора, инициализирующий все регистры и приводящий систему в рабочее состояние.

Сторожевой таймер в РIC16F84 не требует каких-либо внешних компонентов и работает на встроенном RC генераторе, причем генерация не прекращается даже в случае отсутствия тактовой частоты процессора. Типовой период сторожевого таймера 18 мкс. Можно подключить предварительный делитель на сторожевой таймер и увеличить его период вплоть до 2 сек.

Еще одной функцией сторожевого таймера служит включение процессора из режима пониженного энергопотребления, в который процессор переводится командой SLEEР. В этом режиме РIC16F84 потребляет очень малый ток - около 1 мкА. Перейти из этого режима в рабочий режим можно или по внешнему событию нажатию кнопки, срабатыванию датчика, или по сторожевому таймеру.

Для микроконтроллеров семейства РIC возможно использование четырех типов тактового генератора:

- XT кварцевый резонатор;

- HS высокочастотный кварцевый резонатор;

- LР микропотребляющий кварцевый резонатор;

- RC цепочка.

Задание типа используемого тактового генератора осуществляется в процессе программирования микросхемы. В случае задания вариантов XT, HS и LР к микросхеме подключается кварцевый или керамический резонатор либо внешний источник тактовой частоты, а в случае задания варианта RC - резистор и конденсатор. Конечно, керамический и, особенно, кварцевый резонатор значительно точнее и стабильнее, но если высокая точность отсчета времени не нужна, использование RC генератора может уменьшить стоимость и габариты устройства.

Микроконтроллеры семейства РIC используют внутреннюю схему сброса по включению питания в сочетании с таймером запуска генератора, что позволяет в большинстве ситуаций обойтись без традиционного резистора и конденсатора. Достаточно просто подключить вход MCLR к источнику питания. Если при включении питания возможны импульсные помехи или выбросы, то лучше использовать последовательный резистор 100-300 Ом. Если питание нарастает очень медленно (медленнее, чем за 70 мкс), либо Вы работаете на очень низких тактовых частотах, то необходимо использовать традиционную схему сброса из резистора и конденсатора.

5.3 Разработка модуля связи с компьютером