PIC单片机

八位单片机由于内部构造简单,体积小,成本低廉,在一些较简单的控制器中应用很广。即便到了本世纪,在单片机应用中,仍占有相当的份额。由于八位单片机种类繁多,本文仅将常用的几种在性能上作一个简单的比较,供读者在使用时作参考。

1. 51系列

应用最广泛的八位单片机首推Intel的51系列,由于产品硬件结构合理,指令系统规范,加之生产历史“悠久”,有先入为主的优势。世界有许多著名的芯片公司都购买了51芯片的核心专利技术,并在其基础上进行性能上的扩充,使得芯片得到进一步的完善,形成了一个庞大的体系,直到现在仍在不断翻新,把单片机世界炒得沸沸扬扬。有人推测,51芯片可能最终形成事实上的标准MCU芯片。

51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统,称作位处理器,或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理,如传送、置位、清零、测试等,还能进行位的逻辑运算,其功能十分完备,使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能,但能进行位逻辑运算的实属少见。51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间,十六个字节,单元地址20H~2FH,它既可作字节处理,也可作位处理(作位处理时,合128个位,相应位地址为00H~7FH),使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了极大的方便,因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支,因而需建立很多标志位,在运行过程中,需要对有关的标志位进行置位、清零或检测,以确定程序的运行方向。而实施这一处理(包括前面所有的位功能),只需用一条位操作指令即可。

  例1:如对21H的第0位(相应位地址为08H)置位,只需用一条位指令,
   SETB08H
  对周围的其他位不会产生影响。
  有的单片机并不能直接对RAM单元中的位进行操作,如AVR系列单片机中,若想对RAM中的某位置位时,必须通过状态寄存器SREG的T位进行中转。
  例2:如对RAM中的R0寄存器的第4位置位,则
  BSET6 ;状态寄存器T置位
  BLD R0, 4 ;将T位复制到R0的第4位
  显然,后者比前者要复杂。

51系列的另一个优点是乘法和除法指令,这给编程也带来了便利。八位除以八位的除法指令,商为八位,精度嫌不够,用得不多。而八位乘八位的乘法指令,其积为十六位,精度还是能满足要求的,用的较多。作乘法时,只需一条指令就行了,即 MULAB(两个乘数分别在累加器A和寄存器B中。积的低位字节在累加器A中,高位字节在寄存器B中)。很多的八位单片机都不具备乘法功能,作乘法时还得编上一段子程序调用,十分不便。

  在51系列中,还有一条二进制-十进制调整指令 DA,能将二进制变为BCD码,这对于十进制的计量十分方便。而在其他的单片机中,则也需调用专用的子程序才行。

Intel公司51系列的典型产品是8051,片内有4K字节的一次性程序存储器(OTP)。Atmel公司就将其改为电可改写的闪速存储器(Flash),容许改写1000次以上,这给编程和调试带来极大的便利,其产品AT89C51、AT89C52 ……等成为了当今最流行的八位单片机。

51系列的I/O脚的设置和使用非常简单,当该脚作输入脚使用时,只须将该脚设置为高电平(复位时,各I/O口均置高电平)。当该脚作输出脚使用时,则为高电平或低电平均可。低电平时,吸入电流可达20mA,具有一定的驱动能力;而为高电平时,输出电流仅数十μA甚至更小(电流实际上是由脚的上拉电流形成的),基本上没有驱动能力。其原因是高电平时該脚也同时作输入脚使用,而输入脚必须具有高的输入阻抗,因而上拉的电流必须很小才行。作输出脚使用,欲进行高电平驱动时,得利用外电路来实现(见附图),I/O脚不通,电流经R驱动LED发光;低电平时,I/O脚导通,电流由该脚入地,LED灭(I/O脚导通时对地的电压降小于1V,LED的域值1.5~1.8V)。

51系列I/O脚使用简单,但高电平时无输出能力,可谓有利有弊。故其他系列的单片机(如PIC系列、AVR系列等)对I/O口进行了改进,增加了方向寄存器以确定输入或输出,但使用也变得复杂。

一些简装的51产品也相应出现,如Atmel公司的AT89C1051、AT89C2051、AT89C4051等(闪速存储器分别为1K、2K、4K等,但不能外接数据存储器),指令系统与AT89C51完全兼容,但引脚均为20脚,不光体积小,而且价格低廉,这使得其他的公司竞相仿照。

不过,原51系列也有许多值得改进之处,如运行速度过慢等。当晶振频率为12MHz时,机器周期达1μs,显然适应不了现代高速运行的需要。华邦公司(Winbond)生产的产品型号为W77系列和W78系列,W78系列与AT89C系列完全兼容。W77系列为增强型,对原有的8051的时序作了改进,每个机器周期从12个时钟周期改为4个周期,使速度提高了三倍,同时,晶振频率最高可达40MHz。W77系列还增加了看门狗WatchDog、两组UART、两组DPTR数据指针、ISP等多种功能。

特别是双数据指针,能给编程带来很大的便利。在51系列中,数据指针DPTR是片内与片外的数据存储器打交道的主要途径(由片外数据存储器读入片内累加器A或由片内累加器A 写入片外数据存储器),也是程序存储器与累加器A之间的数据传送的必由之路。由于频繁的数据交换,特别是数据块的搬运和比较,数据指针非常吃紧,它需要不断地实施现场保护与还原,不光编程变得复杂,而且运行速度也减慢。而当采用两个数据指针时,可以各负其责,互不相扰,轻松地完成上述过程。两个数据指针的选取取决于特殊功能寄存器AUXR1的第D0位DPS。当DPS为0时,选中数据指针DPTR0(复位时DPS也为0);DPS为1时,选中数据指针DPTR1。DPS位不能位寻址,故不能进行布尔操作,但由于AUXR1的D1位被强制为逻辑“0”,不可能发生由D0位向D1位进位之可能,因而可以通过对AUXR1进行增1来使D0位由0变为1或由1变为0,从而达到双数据指针的快速切换的目的,如:

  例3:
  MOVAUXR1,#0 ; DPS为0,DPTR0有效
   ……
  INC AUXR1 ; DPS为1,DPTR1有效
   ……
   INC AUXR1 ; DPS为0,DPTR0有效
   ……

ISP功能能实现在系统可编程,可以省去通用的编程器,单片机在用户板上即可下载和烧录用户程序,而无需将单片机从生产好的产品上取下。未定型的程序还可以边生产边完善,加快了产品的开发速度,减少了新产品因软件缺陷带来的风险。由于可以将程序下载并观看运行结果,故也可以不用仿真器。

单片机的提速运行、双数据指针及ISP功能并非是W77系列所特有的,一些新的型号的51系列产品大都有该功能,如Philips的51LPC系列、AT89系列中的某些型号、STC89C系列等等。有的单片机还附有A/D、D/A转换、片内EEPROM数据存储器、PWM输出、I2C总线、上电复位检测、欠压复位检测等等,这些新系列的单片机,它们都兼容8051的指令系统。增强功能的实现,大都是由片内新增的特殊功能寄存器来进行设置,这些寄存器被安排在片内特殊功能寄存器区间(80~FFH)的预留地址上。

比较有代表性的产品还有STC89C51RC、C8051F331/330等等。可以这么说,新的51产品几乎可以涵盖所有新的功能。由于新型号的芯片种类太多,此处不可能一一列举,读者可根据使用的需求查阅相关的资料.

2.PIC系列

PIC单片机系列是美国微芯公司(Microship)的产品,是当前市场份额增长最快的单片机之一。CPU采用RISC结构,分别有33、35、58条指令(视单片机的级别而定),属精简指令集。而51系列有111条指令,AVR单片机有118条指令,都比前者复杂。采用Harvard双总线结构,运行速度快(指令周期约160~200ns),它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理,这种指令流水线结构,在一个周期内完成两部分工作,一是执行指令,二是从程序存储器取出下一条指令,这样总的看来每条指令只需一个周期(个别除外),这也是高效率运行的原因之一。此外,它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。

PIC系列单片机共分三个级别,即基本级、中级、高级。其中又以中级的PIC16F873(A)、PIC16F877 (A) 用的最多,本文以这两种单片机为例进行说明。这两种芯片除了引出脚不同外(PIC16F873(A)为28脚的PDIP或SOIC封装;PIC16F877(A)为40脚的PDIP或44脚的PLCC/QFP封装),其他的差别并不很大。

PIC系列单片机的I/O口是双向的,其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。I/O脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器(TRISn , 其中n对应各口,如A、B、C、D、E等),从而解决了51系列I/O脚为高电平时同为输入和输出的状态。当置位1时为输入状态,且不管该脚呈高电平或低电平,对外均呈高阻状态;置位0时为输出状态,不管该脚为何种电平,均呈低阻状态,有相当的驱动能力,低电平吸入电流达25mA,高电平输出电流可达20mA。相对于51系列而言,这是一个很大的优点,它可以直接驱动数码管显示且外电路简单。它的A/D为10位,能满足精度要求。具有在线调试及编程(ISP)功能。

该系列单片机的专用寄存器(SFR)并不像51系列那样都集中在一个固定的地址区间内(80~FFH),而是分散在四个地址区间内,即存储体0(Bank0:00~7FH)、存储体1(Bank1 :80~FFH)、存储体2(Bank2 :100~17FH)、存储体3(Bank3 :180~1FFH)。只有5个专用寄存器PCL、STATUS、FSR、PCLATH、 INTCON在4个存储体内同时出现。在编程过程中,少不了要与专用寄存器打交道,得反复地选择对应的存储体,也即对状态寄存器STATUS的第6位(RP1)和第5位(RP0)置位或清零。如:

  例4:
  CLRFSTATUS ;清零RP1, RP0。选择存储体0
   ……
  BSF STATUS,RP0;置位RP0。选择存储体1
   ……
  BCF STATUS,RP0;清零RP0。选择存储体0
   ……

这多少给编程带来了一些麻烦。对于上述的单片机,它的位指令操作通常限制在存储体0区间(00~7FH)。

数据的传送和逻辑运算基本上都得通过工作寄存器W(相当于51系列的累加器A)来进行,而51系列的还可以通过寄存器相互之间直接传送(如:MOV 30H,20H;将寄存器20H的内容直接传送至寄存器30H中),因而PIC单片机的瓶颈现象比51系列还要严重,这在编程中很有感受。

3.AVR系列

AVR单片机是Atmel公司推出的较为新颖的单片机,其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。它取消机器周期,以时钟周期为指令周期,实行流水作业。AVR单片机指令以字为单位,且大部分指令都为单周期指令。而单周期既可执行本指令功能,同时完成下一条指令的读取。通常时钟频率用4~8MHz,故最短指令执行时间为250~125ns。该系列的型号较多,但可用下面三种为代表:AT90S2313(简装型)、AT90S8515、AT90S8535(带A/D转换)。

通用寄存器一共32个(R0~R31),前16个寄存器(R0~R15)都不能直接与立即数打交道,因而通用性有所下降。而在51系列中,它所有的通用寄存器(地址00~7FH)均可以直接与立即数打交道,显然要优于前者。

AVR系列没有类似累加器A的结构,它主要是通过R16~R31寄存器来实现A的功能。在AVR中,没有像51系列的数据指针DPTR,而是由X(由R26、R27组成)、Y(由R28、R29组成)、Z(由R30、R31组成)三个16位的寄存器来完成数据指针的功能(相当于有三组DPTR),而且还能作后增量或先减量等的运行,如:

  例5:
  LDRd, X ;将X所指的地址的内容装入寄存器Rd中。
  LDRd,Y+;将Y所指的地址的内容装入寄存器Rd
   中,然后Y的地址增1。
  LDRd,-X ;将X的地址减1所指的地址的内容装入
   寄存器Rd中。

在51系列中,所有的逻辑运算都必须在A中进行;而AVR却可以在任两个寄存器之间进行,省去了在A中的来回折腾,这些都比51系列强。

AVR的专用寄存器集中在00~3F地址区间,无需像PIC那样得先进行选存储体的过程,使用起来比PIC方便。AVR的片内RAM的地址区间为0060~$00DF(AT90S2313) 和 0060~025F(AT90S8515、AT90S8535),它们占用的是数据空间的地址,这些片内RAM仅仅是用来存储数据的,通常不具备通用寄存器的功能。当程序复杂时,通用寄存器R0~R31就显得不够用;而51系列的通用寄存器多达128个(为AVR的4倍),编程时就不会有这种感觉。

AVR的I/O脚类似PIC,它也有用来控制输入或输出的方向寄存器,在输出状态下,高电平输出的电流在10mA左右,低电平吸入电流20mA。虽不如PIC,但比51系列强。

以上的三种AVR型号其管脚与对应的51系列兼容,如AT90S2313与51系列的AT89C2051的管脚兼容(PDIP-20脚),AT90S8515、AT90S8535与51系列的AT89C51兼容

转自: eepw.com

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1 PIC 单片机 简介

PIC系列 单片机 是美国Microchip技术公司推出的高性能价格比的8位嵌入式控制器(Embedded Controller),它采用了精简指令集计算机RISC(Reduced Instruction Set Computer)和哈佛(Harvard)双总线以及两级指令流水线结构。具有高速度、低工作电压、低功耗等特点和优良的性能价格比,因而PIC系列单片机越来越受到单片机开发与应用工程技术人员的青睐。该系列独特的结构和中断资源使其在使用时与其它系列的单片机有许多不同之处。下面以PIC16CXX系列微控制器为例来介绍PIC系列单片机的中断资源特点以及应用方法。

2 中断资源的开发与屏蔽

PIC单片机的中断资源及应用

图1是PIC16C64/64A/65/65A的中断逻辑电路图,其它型号芯睡的中断资源也大致相同,只是资源多少不一而已,但它们的中断入口只有一个(入口地址在004H)。PIC 单片机 的中断大致可以分为两类。
第一类是由中断控制器INTCON直接控制的中断,包括外部引脚中断INT的RB口电平变化中断以及定时器TMRO溢出中断,它们的中断允许位和中断标志都在INTCON寄存器中。引脚中断INT和定时器TMRO溢出中断与其它微处理器相同。RB口电平变化中断是PIC 单片机 特有的中断,当把RB口高4位I/O口线设置为输入时,只要这4位I/O口线上的电平发生变化就会引起中断。RB口的电平中断特性对用户是非常有用的。用户可以直接利用这些口线的关键部位进行电平检测,并可利用中断进行保护性控制等操作;另一方面,电平中断特性还可以利用RB口的软件控制弱上拉特性组成一个矩阵键盘,并用按键唤醒CPU,这对于那些以电池供电的系统特别有用。

另一类是外围接口中断,包括定时器TMR1溢出中断、TMR溢出或匹配中断、同步串行口中断、异步串行口中断、并行从动口中断和CCP(Capture/Compare/PWM)中断等,而带A/D功能的PIC16C7X系列微处理器还有A/D转换完成中断。这些中断的允许位分别在PIE1和PIE2寄存器,而中断标志则分别在PIR1和PIR2中。

所有的中断都有自己的中断允许位和中断标志,外围接口中断不仅受各自的中断允许位控制,同时还共同受外围中断控制允许位的控制。全局中断允许位GID能够控制所有的中断。无论全局中断允许位GIE和相应的中断允许位状态如何,只要满足中断条件,各个中断标志位都会被置1。与其它微处理器不同的是:当CPU响应中断时全局中断允许闰GIF会自动被清零,中断标志位不能用硬件清零而只能用软件清零;当执行中断返回指令RETFIE时,全局中断允许位GIE会被自动置1而重新开放中断。因此,在重新开放中断之前要用软件清零有关的中断标志位,以避免产生不断地中断请求而反复进入中断。由于全局中断允许位GIE会被中断服务程序(RETFIE指令)自动置1,因此用软件清零GIE并不可靠,这一点要特别注意。用下面的程序可确保整个中断被禁止。
***************
LOOP BCF INTCON,GIE ;禁止整个中断
BTFSC INTCON,GIE ;判断全局中断是否被禁止
GOTO LOOP ;否,重新清零
…… ;继续
***************
对于外部中断事件,例如:INT引脚中断和RB口引脚电平变化中断等为边沿触发,因此,CPU在响应中断时对外部信号的要求并不苛刻。一般情况下,中断花费的时间需要3或4个指令周期,确切时间取决于中断事件发生的时刻而与指令本身的周期数无关。

3 中断的优先级

PIC系列 单片机 只有一个中断入口(004H),所有的中断都通过该入口进入中断服务子程序,至于是哪一个中断源,只有在进入中断服务子程序后查询中断标志才能确认。该单片机没规定中断的优先级,也没有用于设定中断优先级的寄存器,中断的优先级是由于中断服务子程序中断查询中断标志的顺序确定的。CPU响应一个中断并进入中断服务程序后,全局中断允许位GIE被自动清零,CPU在此期间不响应其它中断,也不能形成中断嵌套。因此,在使用中断时要合理安排查询中断标志的顺序,尽量缩短CPU在中断服务程序中逗留的时间。在用PIC系列单片机构成系统时应尽量减少中断源的个数,对于那些执行时间较长且不需采用中断方式来处理的事件,应尽量采和查询标志的方式进行处理;对于那些必须采用中断方式处理的事件,在中断服务程序中要尽量先查询对系统至关重要的事件的中断标志。另外,在退出中断服务程序时,只清除处理过的中断标志即可,而不需要将所有的中断标志清除。对于RB口电平变化中断,一方面要保存RB口每次变化后的状态,以便在下次中断时判断是哪根口线上的电平发生了变化;另一方面可以设置产生中断的口线标志,并将由于该中断而未执行的程序在中断服务程序外通过查询口线标志来执行,以减少CPU在中断服务程序中逗留的时间。

4 程序跨页时的中断处理

PIC系列 单片机 的程序存储空间是分页处理的,每页空间的大小为512字节到4k字节不等。页程序计数器PC是一个13位宽的增量寄存器,其低8位PCL是一个可读/写寄存器,其高字节PCH(有效位为5位)不能直接进行读/写操作,它通过一个8位保护寄存器PCLATH把高5位地址传递给程序计数器的高字节。当一个中断被响应时,PC中的断点地址自动被压栈(PUSH)保护;而当执行RETFIE指令时,堆栈中的断点地址回弹到(POP)程序存储器PC中。无论是压栈操作还是出栈操作,它们都不影响PCLATH寄存器的内容。同时,CPU响应中断并跳转到中断入口地址时,都只能在本页内跳转而不影响PLCATH寄存器的内容。另外,在中断入口安排的是GOTO语句,而GOTO语句也只能在本页跳转。当中断服务程序存放在程序存储器的第一页且CPU在执行非第一页内程序时,响应中断将导致中断入口地址和中断返回地址错误而引起程序混乱。下面以PIC16C65A来说明这个问题的解决办法。

PIC16C65A的片内程序存储器为4k,分为两页,每页2k。假设中断服务程序存放在第一页(0000H-07FFH),通常这样做是因为中断入口地址在第一页,因而可以减少程序量)。那么,具体程序如下:

***************
ORG 0000H
0000H GOTO START
ORG 0004H
***************
0004H GOTO PRO-INT
ORG 0005H
0005H START ……
……
0234H PRO-INT……
……
RETFIE
***************

通过汇编程序编译可知,在程序存储器0004H单元存放的代码是2A34H,当CPU在程序存储器第一页响应中断时,程序先跳到0004H,然后跳到0234H执行,正常进入中断,执行完后能正常返回。当CPU在程序存储器第二页响应中断时,由于PCLATH的D4D3(页选择位)为01,CPU4执行“GOTO PRO-INT”时的代码虽然是2A34H,但程序不是跳到0234H执行,而是跳至0A34H执行。显然,程序执行错误。

解决这一问题的方面是在程序存储器0A34H处安排一段程序,在中断程序结束时判断CPU响应中断时程序所处的位置,从而使程序根据该信息合理设置页选择位,然后再返回中断。

******************
ORG 0A34H
BSF RAM,b ;设置在程序执行到第二页时CPU响应中断的标志
BCF PCLATH,3 ;将PC切换到第一页
GOTO PRO-INT ;程序跳转到中断服务程序
*******************
在指令RETFIE前应增加的程序如下:
******************
BTFSC RAM,b ;判断CPU响应中断前程序所在位置
BSF PCLATH,3 ;设置页选择位
RETFIE
******************

以上程序中的RAM是一个内存单元,b是该单元的某一位,该位在程序初始化时清零,CPU在执行程序存储器第二页的程序并响应中断时该位置“1”。经过上述处理,CPU不管在程序存储器第一页还是第二页响应中断,都能正确进入中断服务程序并能正确返回中断前的地址。

5 利用中断唤醒CPU

PIC系列 单片机 具有休眠(SLEEP)省电工作模式,当执行一条SLEEP指令后,芯片就进入低功耗休眠模式。进入休眠状态后,主振荡器停止工作,此时芯片消耗的电流极低(在3V工作电压,32kHz时钟时典型值约1μA),这一特点对于电池供电的系统非常有利。利用中断可以将CPU从休眠状态唤醒。这些中断源包括外部INT引脚中断、RB口引脚电平改变中断和部分外围接口中断。用于唤醒休眠状态的CPU外围接口中断有:工作在异步计数器方式下的TMR1中断、SSP起始/停止位检测中断、CCP捕捉方式中断和从动并行口读写中断。其它外围接口中断因需要片内Q时钟而无法产生中断。

利用中断事件唤醒CPU与全局中断允许位GIE无关,任意一个中断允许位置1的中断源,只要产生中断就会将相应的中断标志置1,芯片将立入中断服务程序与全局中断允许位GIE的状态和紧接SLEEP指令后的那条指令有关。由于PIC系列 单片机 采用了两级指令流水线结构,在执行SLEEP指令时,下一条指令已预先取出,因此在GIE位为0时,芯片被唤醒后首先执行预先取出的那条指令;如果GIE位为1,则芯片被唤醒后执行预先取出的那条指令后紧接着转入中断入口地址再执行中断服务程序。在这种情况下,应在SLEEP指令后安排一条空操作指令NOP,以便CPU被唤醒后能立即进入中断服务程序。

总之,PIC系列单片机 是一种性能价格比很高的微控制器,正确、合理地使用其中断资源可以使系统更加完善,工作更加稳定。

来源: 电子工程世界

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