PIC单片机原理及应用

MicrochipPICPIC16FXXX系列单片机实用培训（汇编语言）主要参考书1.《PIC单片机实用教程》李学海——基础篇（第二版）；2.《PIC单片机实用教程》李学海——提高篇（第二版）；北京航空航天大学出版社3.《PIC单片机基础与应用》汤竞南人民邮电出版社；4.《PIC单片机原理》、《PIC单片机实践》李学海北京航空航天大学出版社；5.《PIC16F87X单片机使用软件与接口技术——C语言及其应用》刘和平北京航空航天大学出版社；6.《PIC16F87X数据手册》北京航空航天大学出版社；《PIC单片机实用教程》李学海——基础篇、提高篇（第二版）《PIC单片机实用教程》李学海——基础篇、提高篇《PIC单片机原理》、《PIC单片机实践》李学海PIC16F87X单片机实用软件与接口技术——C语言及其应用PIC16F87X数据手册北京航空航天大学出版社Microchip公司简介1990年Microchip公司在世界同行排名第20名；2003年6月“市场研究公司——GartnerDataquest”公布的“2002年单片机市场份额和单位出货量”报告指出：Microchip公司8位机已跃居全球第一，占全球市场的16.1%；Microchip公司开发的PIC24单片机系列被《电子产品》评为2005年“年度最佳产品”奖之一，开发的6脚的PIC10F单片机系列被该杂志评选为2004年“年度最佳产品”奖。2006年Microchip公司在全球设立了32个区域培训中心，以满足客户的需求。在中国大陆共有北京、上海和沈阳等10个技术服务中心，并推行“Microchip大学计划”，每年在国内举办各种培训会和技术研讨会，为产品的开发、普及和服务创造了良好的条件。PIC单片机的特点PIC（PeripheralinterfaceController）是美国MicrochipTechnology生产的8位单片机系列产品的前缀。PIC单片机的设计摆脱了其他厂家传统的来自微型计算机系统的设计观念，面向应用、面向产品制造，设计起点高、技术领先、性能优越、品种齐全、种类繁多形成了读独树一帜的产品。由于PIC单片机的许多优点，已使许多其它著名的半导体公司开发产品了其引脚与PIC系列全兼容的产品，因此PIC系列单片机代表着当今单片机发展的方向。按照PIC单片机指令字节的长度，可以将产品分为初级产品、中级产品和高级产品三大类。PIC单片机的分类PIC系列初级产品：PIC12C5XX和PIC16C5XX系列中级产品：PIC16C55X/6X/7X/8X/9XX、PIC16F87X系列高级产品：PIC16C7XX、PIC18CXX、PIC18FXX系列型号：C表明为一次性编程ROM；CE表示内部具有E2PROM数据存储器；F代表具有FLASH程序存储器（大多包含E2PROM数据存储器）。PIC®MCU金字塔架构PIC16C5XPIC12C5XXPIC16PIC12FPIC18dsPIC14bits16bits24bits12bits8bitMCU16bitMCU程序存储器宽度数据存储器宽度（一）PIC12系列（初级产品）PIC12系列包括了：1.5XX类：PIC12C506、509，PIC12CR509，PIC12CE518、519；2.5XX类：PIC12C671，PIC12CE673、674，PIC12F629、675等。共同特点：8脚封装、内部集成的4MHz的时钟振荡器、一个定时器和一个WDT（看门狗）。具有价格低廉、体积小，适用于要求简单、接口少的场合。型号C表明为一次性编程ROM；CE表示内部具有E2PROM数据存储器；F代表具有FLASH程序存储器（价格稍贵，适用于产品开发阶段使用）。以PIC12C508为例是PIC12系列中的入门产品，8脚封装，是世界上最小的8位单片机；内部含有512字节的程序存储器、25字节的数据存储器、一个8位的定时器、一根信号输入线、5根I/O口线，市面价格3～5元（人民币）。这在一些简单的控制场合时非常适用的产品。（二）PIC16C5X系列（初级产品）因为内部没有ADC、串行接口，没有比较器、脉宽调制器、时钟振荡器、EEPROM等，因此价格低廉，适合一些要求不高、程序不太复杂、接口也不需很多的场合；内部包含一个8位定时器、WDT（看门狗）、12根或20根I/O引脚。一次性编程的12位程序存储器，容量从768～3072字节。不同型号的芯片其引脚分别为：14、18和28脚。其中：PIC12C54是该系列中最简单的一种，价格4～5元。（三）PIC16C6XX、C7XX系列（中级产品）Microchip公司将PIC16C6XX和PIC16C7XX归并为PIC16CXXX系列。主要特征：指令字节宽度为14位；该系列产品兼容PIC16C5X系列和PIC12CXXX系列；与初级系列相比，增加了更多的外围电路，提供了4～12个中断源，不仅内存增加，还增添了CCP模块和2～3个定时器、ADC等外围模块；该系列具有很多的型号产品，以适用于不同的应用场合，做到最佳的性价比。以PIC16C74B为例：40个引脚、4K的ROM、192字节RAM、8路ADC、3个8位定时器、2个CCP模块、3个串行口、一个并行口、11个中断源。当然它还不是最高档产品。（四）PIC16FXXX系列（中级产品）向下兼容上述各款型号单片机。其最主要的特征是采用了可反复快速擦写的FLASH程序存储器，非常适合初学者学习和产品的开发研制。其中FLASH的擦写次数至少一万次以上，是一种非常受欢迎的产品。目前PIC16FXXX系列已经开始逐渐取代PIC16CXXX系列产品；与PIC16CXXX系列产品全兼容的指令系统，即在PIC16FXXX系列调试好的程序可以直接烧写道16CXXX系列对应型号的产品中；PIC16F877是中级产品系列中的顶级型号，也是我们这门课的学习内容。与其他8位单片机相比具有非常明显的优点。（五）PIC17CXXX系列（高级产品）主要特点：指令字节宽度为16位，指令增加到58个。运行时钟高达33MHz，ROM容量可达32KB；大多型号具备硬件8*8乘法器，可以快速得到16位乘法结果；（六）PIC18CXXX、18FXXX系列（高级产品）16位的指令宽度、77条指令；加入了C编译器的最佳化指令结构，运行速度可高达40MHz；内部程序存储器最大可达128KB，具有多达68条I/O线，具有3条外部中断线、中断矢量分为高、低两类，最多具有17个中断源；所有的型号都具有10位的ADC通道，4～5个定时器、1～2个脉宽调制器（PWM）等；PIC18系列是8位PIC单片机的最高档产品，其性能已接近DSP的指标；我国台湾义隆电子也设计了与PIC18系列兼容的产品：EM78XXX系列单片机，其中的一些产品的运行速度已经超出PIC同类产品。学习目的和意义通过学习microchip公司的PIC16F87X系列单片机，了解当代嵌入式微控制器的结构、性能、特点和应用。PIC系列单片机是一个具有代表性的新一代微控制器，它具有许多诱人的特点，这往往是从事嵌入式系统开发工程师们梦寐以求的。低廉的学习、开发成本是PIC16F87X的又一个特征，在线编程可以节省购买编程器的开销。这些为人们提供了学习、开发PIC单片机的方便条件。第一章概述：PIC单片机的特点1.哈佛总线结构；2.指令单字节化；3.精简指令集（RISC）技术；4.寻址方式简单；5.代码压缩率高；6.运行速度高；7.功耗低8.驱动能力强；9.I2C和SPI串行总线端口；10.寻址空间设计简洁；11.外接电路简单；12.开发方便13.PIC16F87X系列哈佛总线结构ROM（12～16bit）CPURAM（8bit）I/O内部数据总线（8bit）ROM（8bit）CPURAM（8bit）I/O内部数据总线（8bit）PIC内部结构普通单片机内部结构指令总线哈佛总线的特点：将内部的数据总线分离为独立的纯数据总线与指令总线，哈佛总线结构的好处：1.避免数据、指令公用一条总线的“瓶颈”效应；2.便于指令提取的“流水作业”（在执行一条指令的同时，通过指令总线提前提取下一条指令），提高运行速度；3.可以增加指令总线的的宽度，从而为实现指令的“单字节”化（12～16bit）提供了条件。返回在传统的单片机内部结构中，CPU是采取“分时复用”的方式对数据总线进行使用。在执行一条指令时在时间上分为两个阶段：①取指周期；②执行周期。这是因为指令和数据都公用一个通道。这样执行一条指令的时间为：取指周期+执行周期。哈佛总线结构从根本上避开了“总线复用”这个“瓶颈”，指令、数据各行其道。在执行一条指令时，可以同时提前从ROM中读取下一条指令。由于指令总线独立于数据总线，所以指令总线的宽度可以设计为12～16位，实现单字节化的指令结构（ROM的宽度与RAM不同）。返回指令单字节化单字节化指令的优点：1.程序运行的安全性大大提高：不会产生在多字节系统中，由于外界干扰使PC错误指向指令中数据的错误；2.提高指令的运行速度：指令的执行周期中，从ROM中读取指令的时间远远大于指令的运行时间，所以指令的单字节化可以非常有效的提高CPU的运行速度。在PIC系列单片机中，不同档次产品其指令的宽度是不同的：有12位、14位和16位三种，而它们的数据总线宽度都是8位。返回精简指令系统（RISC）技术精简指令系统:RISC–ReducedInstructionSetComputer指令系统：就是指系统的全部指令的集合。在PIC系列单片机中，整个指令系统只有35条指令。非常方便学习和记忆。采用RISC指令系统的单片机运用了哈佛总线结构，不仅摆脱了指令与数据的“分时复用”的速度“瓶颈”，还增加了指令的宽度，实现了指令的“单字节化”，因而简化取指操作，提高了指令的运行速度。返回寻址方式简单在PIC单片机的指令系统中，只有4种寻址方式：①寄存器间接寻址；②立即数寻址；③直接寻址；④位寻址。简化的寻址方式便于学习和记忆。返回代码压缩率高由于PIC系列单片机采用单字节的指令系统，所以ROM的使用率高。如：使用1K的ROM存储器时，MCS-51单片机约存放600余条指令；PIC系列单片机可以存放1,024条指令。返回运行速度高采用哈佛结构使指令的读取实现“流水作业”使速度大大提高0102030405060708090100不同系列单片机速度比较PIC系列20MHCOP800系列20MHST62系列8MHMC68HC系列4.2MHZ86CXX系列2MHMCS-51系列1MH返回低功耗PIC单片机是目前世界上功耗最低的单片机品种之一。①当使用震荡频率为4MHz，电源电压为5V时，典型的电流小于2mA（AT89C51的工作电流约20mA）；②当震荡频率为32.768KHz，电压为3V时，典型的电流值为15µA；③当电压为3V，在SLEEP状态下，典型电流为3µA。低功耗的设计满足一些需要使用电池供电的场合。返回驱动能力强PICI/O的每一个端口可以“灌入”25mA的电流；也可以“输出”20mA的电流。这个特点使PIC单片机的I/O引脚可以直接与继电器、LED发光二极管连接（采用正逻辑驱动输出）。普通单片机的I/O端口只能使用“灌电流”方式且电流20mA。PICI/O+VDDPICI/O+VDD+VDD灌电流方式：输出低电平点亮LED拉电流方式：输出高电平点亮LED返回普通单片机的唯一驱动形式每个I/O引脚可提供20mA拉电流每个I/O引脚可提供25mA灌电流I2C和SPI串行总线端口I2C总线（interICbus）为PHILIPS公司发明的串行总线；SPI总线（serlperiphrealinterface）为MOTOROLA公司发明的串行总线技术。I2C和SPI总线是实现芯片之间的串行数据传输技术。单片机系统采用串行接口和串行总线不仅大大的简化单片机系统的结构，而且还极易形成产品电路的模块化结构。目前，日本的松下、日立、索尼、夏普和国内的长虹等公司都在大屏幕彩电中使用了I2C技术。返