Аппаратные средства микроконтроллеров серии PIC

5.2. Микроконтроллеры подгруппы PIC16F8X

5.2.1. 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 цикла;
• 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.

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.

5.2.2. 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.

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).

5.2.3. Схема тактирования и цикл выполнения команды

Входная тактовая частота, поступающая с вывода OSC1/CLKIN, делится внутри на четыре, и из нее формируются четыре циклические не перекрывающиеся тактовые последовательности Q1, Q2, Q3 и Q4. Счетчик команд увеличивается в такте Q1, команда считывается из памяти программы и защелкивается в регистре команд в такте Q4. Команда декодируется и выполняется в течение последующего цикла в тактах Q1...Q4. Схема тактирования и выполнения команды изображена на рис. 5.2.

Цикл выполнения команды состоит из четырех тактов: Q1...Q4 . Выборка команды и ее выполнение совмещены по времени таким образом, что выборка команды занимает один цикл, а выполнение – следующий цикл. Эффективное время выполнения команды составляет один цикл. Если команда изменяет счетчик команд (например, команда GOTO ), то для ее выполнения потребуется два цикла, как показано на рис. 5.3.

Рис. 5.2. Схема тактирования и выполнения команды.

Рис. 5.3. Выборка команд.

Цикл выборки начинается с увеличения счетчика команд в такте Q1. В цикле выполнения команды выбранная команда защелкивается в регистр команд в такте Q1. В течение тактов Q2, Q3 и Q4 происходит декодирование и выполнение команды. В такте Q2 считывается память данных (чтение операнда), а запись происходит в такте Q4.