2. Краткое описание PIC16С74

Этот микроконтроллер является одним из самых мощных представителей семейства PIC16Схх. 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 выполняются 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 (200 нс при 20 Мгц), исключая команды переходов. Исполняемая программа может находиться только во встроенном ПЗУ.

Общая архитектура

Контроллер включает в себя (рис. 19):

§ процессор;

§ память программ;

§ память данных (ОЗУ, регистровый файл);

§ многочисленные внешние устройства.

К узлам процессора можно отнести:

§ 8-разрядное АЛУ;

§ 8-разрядный рабочий регистр W (аккумулятор);

§ 8-разрядный регистр флагов STATUS (рис. 20);

§ 13-разрядный программный счетчик PC, по содержимому которого осуществляется доступ в память программ;

§ 8-уровневый стек программного счетчика, предназначенный для хранения только адресов возврата из подпрограмм (прерываний). (Программный доступ в стек не возможен!);

§ регистр команд и блок управления;

§ тактовый генератор;

§ схемы, реализующие режимы пониженного энергопотребленния;

§ и др.

Рис. 1. Общая структура микроконтроллера PIC 16Cxx

Регистр STATUS содержит арифметические флаги АЛУ, состояние контроллера при сбросе и биты выбора банка для памяти данных. STATUS доступен для любой команды так же, как любой другой регистр. Формат регистра (рис. 20) содержит программно и аппаратно устанавливаемые флаги.

Биты TO и PD устанавливаются аппаратно и не могут быть изменены программно. Это следует иметь в виду при выполнении команды с использованием регистра статуса. Например, команда CLRF_STATUS обнулит все биты, кроме битов TO и PD, а затем установит бит Z=1. После выполнения этой команды регистр статуса может и не иметь нулевое значение (из-за битов TO и PD) STATUS=000?? 100. Рекомендуется для изменения регистра статуса использовать только команды побитовой установки BCF, BSF, MOVWF.

Область ОЗУ (память данных) организована как 256 ? 8 бит (рис.21) и разбита на два банка, каждый по 128 байтов. Переключение банков производится битом RP0 в регистре STATUS. Каждый банк содержит регистры общего назначения и специальные регистры. Банк 0 выбирается, когда бит RP0=0. Каждый банк занимает адресное пространство 7Fh (128 байт). Первые 32 адреса в обоих банках занимают специальные регистры. Адреса 20h - 7Fh (банк 0) и A0h - FFh (банк 1) занимают регистры общего назначения (ячейки ОЗУ).

Среди приведенных на рисунке 21 регистров можно выделить группу "процессорных" - PCL, OPTION, STATUS, FSR, PCLATH; и несколько групп, относящихся к различным "внешним" устройствам и подсистемам. Подсистема прерываний поддерживается регистрами INTCON, PIR1, PIR2, PIE1, PIE2; подсистема параллельного ввода/вывода - регистрами портов PORT A, PORT B, PORT C, PORT D, PORT E и регистрами направлений TRIS A, TRIS B, TRIS C, TRIS D, TRIS E.

Подсистема контроля времени включает регистры таймеров и регистры управления ими: TMR0, TMR1L, TMR1H, T1CON, TMR2, T2CON, а также регистры, относящиеся к двум каналам CCP - Capture\Compare\PWM (захват \ сравнение \ ШИМ): CCPR1L, CCPR1H, CCP1CON, CCPR2L, CCPR2H, CCP2CON.

Подсистема последовательного ввода/вывода представлена регистрами асинхронного приемопередатчика: TXREG, RCREG, TXSTA, RCSTA, SPBRG и синхронного последовательного порта: SSPBUF, SSPCON, SSPADD, SSPSTAT.

Наконец, аналого-цифровой преобразователь использует регистры ADRES, ADCON 0, ADCON 1.

Память программ в PIC16C не пересекается с памятью данных (Гарвардская архитектура) и имеет собственную разрядную шину в 14 бит. Адресация памяти программ осуществляется только по содержимому программного счетчика. Расширение памяти программ за пределами кристалла в PIC16Cхх не предусмотрена.

Программный счетчик имеет разрядность 13 бит и способен адресовать 8К ґ 14бит объема программной памяти. Однако физически на кристалле имеется только 4К ? 14 памяти (адреса 0000h-0FFFh). При обращение к адресам выше 0FFFh фактически обращение производится к тем же четырем килобайтам. Вектор сброса находится по адресу 0000h, вектор прерывания находится по адресу 0004h.

Рис. 3. Формирование содержимого РС

Младший байт программного счетчика (PCL) доступен для чтения и записи и находится в регистре 02h. Старший байт программного счетчика (PCH) не может быть прямым образом прочитан или записан. Он формируется через PCLATH регистр, адрес которого 0Ah или 8AH. В зависимости от того, загружается ли в программный счетчик новое значение во время выполнения команд CALL, GOTO или в младший байт программного счетчика (PCL) производится запись, - старшие биты программного счетчика загружаются из PCLATH разными способами (рис.22)

Рис. 4. Формирование содержимого РС

Кристалл PIC16C74 имеет восьмиуровневый аппаратный стек разрядностью 13 бит, предназначенный для хранения только адресов возврата. Область стека не принадлежит ни к программной области, ни к области данных, а указатель стека пользователю недоступен. Текущее значение программного счетчика посылается в стек, когда выполняется команда CALL или производится обработка прерывания. При выполнении процедуры возврата из подпрограммы (команды RETLW, RETFIE или RETURN) в программный счетчик выгружается содержимое стека. Регистр PCLATH (0Ah) не изменяется при операциях со стеком.

Форматы команд и способы адресации

Все команды контроллера имеют одинаковую длину - 14 бит (одно командное слово) и с точки зрения форматов делятся на три разновидности (рис.23):

§ байт-ориентированные;

§ бит - ориентированные;

§ команды с константами (8 - или 11-битными).

Форматы этих команд (рис.23), при этом приняты следующие обозначения:

СОР - поле кода операции;

f - поле адреса памяти данных;

d - указатель регистра-приемника При d = 0 результат операции загружается в W-регистр, иначе - в регистр, адресованный полем f. ;

b - номер бита в адресуемом f регистре;

k - 8-битная константа - непосредственный операнд;

Addr - адрес перехода или вызова (для команд GOTO, CALL).

Для доступа к регистрам ОЗУ используется прямая или косвенная адресация. В семействе PIC16C для разных моделей предусматриваются единые принципы адресации с учетом возможного роста объема внутреннего ОЗУ. Поэтому адрес ячейки ОЗУ формируется как 9-битовый, причем при прямой адресации семь младших бит адреса берутся из поля адреса команды, а два старших - разряды PR1. PR0 регистра STATUS.

Рис. 5. Форматы команд

Для организации косвенной адресации необходимо в поле f команды поместить код 000 0000. В этом случае память адресуется через регистр FSR (04h), причем содержимое регистра FSR рассматривается как восемь младших разрядов адреса, а старший (девятый) бит - разряд IRP регистра STATUS.

Любая команда, которая использует f0 (адрес 00) в качестве регистра, фактически обращается к указателю, который хранится в FSR (04h). Чтение косвенным образом самого регистра f0 даст результат 00h. Запись в регистр f0 косвенным образом будет выглядеть как NOP, но биты статуса могут быть изменены.

В PIC16C74 объем ОЗУ составляет 256 байт и, следовательно, требуется 8-разрядный адрес. Поэтому биты IRP и RP1 для формирования адреса не используются. Их можно, но не рекомендуется С учетом сохранения возможности переносимости кода на (будущие) старшие модели семейства. , использовать как биты общего назначения.

При непосредственной адресации первый операнд двухместных операций извлекается из младшего байта командного слова, второй операнд и результат - всегда в регистре W.

Система операций

Система команд семейства PIC16xx приведена в приложении 2.1 Традиционно разделим команды на классы пересылочных, арифметико-логических, передачи управления и системных. При рассмотрении команд будем подразумевать под "регистром f" ячейку ОЗУ, адресуемую (прямо или косвенно) полем f команды.

Класс пересылки и загрузки включает команды сброса регистра f или W, загрузку W константой, обмен тетрадами в регистре f, пересылку содержимого W в регистр f и пересылку регистра f в регистр-приемник, каковым может быть регистр W (при d = 0) или регистр f (при d = 1). В последнем случае осуществляется как-бы пересылка регистра "самого в себя", но при этом по содержимому регистра f формируется значение флага Z, так что эту разновидность команды пересылки можно рассматривать как команду проверки.

В этом же классе присутствуют две команды - TRIS f и OPTION, сохранившиеся, очевидно, от более ранних семейств контроллеров. Разработчикам не рекомендуется использовать их в своих программах, а функции загрузки этих регистров можно реализовать с помощью команды MOVWF f.

В классе арифметико-логических и специальных команд присутствуют двухместные операции: сложение, вычитание, конъюнкция, дизъюнкция, неравнозначность, причем в качестве первого операнда может выступать регистр f или константа k, а в качестве второго - всегда регистр W. Результат операции с участием регистра f размещается, в зависимости от значения бита d команды, в регистре W или f, с участием константы - только в W.

Одноместные операции правого и левого сдвигов через флаг переноса С, инкремента, декремента, инверсии могут выполняться над любым регистром, адресуемым полем f, причем результат этих операций можно разместить как в регистре f, так и в W.

Две битовые команды позволяют установить или сбросить любой бит регистра f.

Класс команд передачи управления включает безусловные переход и вызов подпрограммы по прямому адресу, три разновидности команды безусловного возврата из подпрограммы и четыре команды условных пропусков следующей команды.

Две из последних обеспечивают условные переходы, позволяя пропустить следующую команду, если установлен (или сброшен) любой указанный бит b любого регистра f. В системе команд отсутствуют традиционные переходы по значениям флагов, однако следует помнить, что регистр STATUS, в котором хранятся флаги, можно задать как регистр f.

Две другие команды пропусков обеспечивают организацию циклов, осуществляя модификацию (инкремент или декремент) регистра f и пропуск следующей команды, если результат окажется равным нулю. При этом результат модификации может быть занесен как тот же регистр f, так и в регистр W.

Класс системных представлен тремя командами: традиционной пустой операцией, командой сброса сторожевого таймера, которая обнуляет сторожевой таймер и его предделитель и устанавливает флаги TO и PD в регистре STATUS, и наконец, команда перевода контроллера в режим пониженного энергопотребления ("спящий" режим).

Подсистема прерываний

PIC16C74 поддерживает двенадцать источников прерываний:

§ внешнее прерывание с вывода RB0/INT;

§ прерывание от переполнения счетчика/таймера TMR0;

§ прерывание от изменения сигналов на выводах порта RB [7: 4];

§ прерывание от переполнения счетчика/таймера TMR1;

§ прерывание при достижении таймером TMR2 значения регистра периода PR2;

§ прерывание от модуля CCP1 (произведен захват значения таймера или значение таймера ТMR1 сравнялось с заданным);

§ прерывание от модуля CCP2 (произведен захват значения таймера или значение таймера TMR1 сравнялось с заданным);

§ прерывание от синхронного последовательного порта (режим SSP);

§ прерывание от параллельного порта (в режиме сопроцессора);

§ прерывание при завершении аналого-цифрового преобразования;

§ прерывание при приеме данных (режим SCI);

§ прерывание при передаче данных (режим SCI).

Все прерывания имеют один и тот же вектор/адрес - 0004h, однако в управляющем регистре прерываний INTCON (рис.25) соответствующим битом-флагом фиксируется источник запроса. При обработке прерывания адрес возврата посылается в стек, а в программный счетчик загружается адрес 0004h. Время реакции на прерывание для внешних событий, таких, как прерывание от вывода INT или порта B, - от 2 до 4 машинных циклов. Бит общего разрешения/запрещения прерывания GIE разрешает (если GIE = 1) все индивидуально незамаскированные прерывания или запрещает прерывания вообще. Каждое прерывание в отдельности может быть дополнительно разрешено/запрещено установкой/сбросом соответствующего бита в регистре INTCON.

Время преобразования каждого бита занимает одинаковый интервал. Общее время измерения - 10 интервалов. Сам интервал должен быть не менее 2мкс. На низких частотах может быть выбран RC-генератор. Однако его частота существенно зависит от напряжения питания, температуры и других параметров (период от 2 до 6 мкс, номинал - 4 мкс).

Выборка и хранение. Схема выборки и хранения состоит из последовательного ключа и конденсатора, емкостью 51пФ. Пока управляющий бит ADON имеет значение единицы и выбран один из аналоговых каналов, ключ будет постоянно замкнут, а конденсатор подключен к источнику входного напряжения. Нет специальной команды, чтобы начать и закончить выборку. Когда начинается цикл преобразования, ключ размыкается, и напряжение на конденсаторе запоминается. После завершения преобразования следующее подключение источника сигнала к конденсатору будет сделано через отрезок времени, равный времени преобразования двух бит. Пользователь должен иметь это в виду при определении правильного момента для запуска следующего измерения.

Рис. 14. Управляющий регистр и регистр статуса АЦП (ADCON0)

Рис. 16. Таймер Т1

Таймер 1 инкрементируется от 0000h до FFFFh, после чего опять переходит в 0000h. Переполнение таймера TMR1 вызывает установку флага прерывания TMR1IF в регистре PIR1 [0]. Разрешить/запретить прерывание можно установкой/сбросом бита TMR1IE в слове PIE1 [0].

TMR1 может работать или в режиме таймера, или в режиме счетчика. Режим таймера - это инкрементирование от внутреннего источника частоты каждый машинный цикл. В режиме счетчика он инкрементируется по положительному фронту внешних сигналов, поступающих на вывод RC0/T1OSO/T1CKI. Выбор режима определяют установкой/сбросом бита TMR1CS в управляющем слове T1CON [1] (10h). При помощи регистра управления таймером 1 T1CON можно подобрать нужную конфигурацию таймера/счетчика.

Рис. 17. Управляющий регистр Таймера1 (T1CON)

T1CKPS1. T1CKPS0 - настройка предварительного делителя Таймера1.