PIC16F877资料

第四章PIC16F877单片机概述4.1单片机的发展和应用4.1.1单片机的历史发展概况单片机技术发展十分迅速，产品种类已琳琅满目。纵横整个单片机技术发展过程，可以分为以下三个主要过程：一、单芯片微机形成过程1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机。该系列单片机早期产品在芯片内集成有：8位CPU、1K字节程序存储器（ROM）、64字节数据存储器（RAM）、27根I/O线和1个8位定时/计数器。此阶段的主要特点是：在单个芯片内完成了CPU、存储器、I/O接口、定时/计数器、中断系统、时钟等部件的集成，但存储器的容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。二、性能完善提高阶段1980年，Intel公司推出MCS-51系列单片机。该系列单片机在芯片内集成有：8位CPU、4K字节程序存储器（ROM）、128位字节数据存储器（RAM）、4个8位并行接口、1个全双工串行接口和2个16位定时/计数器。寻址范围为64K，并集成有控制功能较强的布尔处理器完成处理功能。此阶段的主要特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种。三、微控制器化阶段1982年，Intel公司推出MCS-96系列单片机。该系列单片机在芯片内部集成有：16位CPU、K字节程序存储器（ROM）、232字节数据存储器（RAM）、5个8位并行接口、1个全双工串行接口和2个16位定时/计数器。寻址范围最大为64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM（D/A）输出及高速I/O部件等。近年来，许多半导体厂商以MCS-51系列单片机的8051为内核，将许多测控系统中的接口技术、可靠性技术及先进的存储器技术和工艺技术集成到单片机中，生产出了多种功能强大、使用灵活的新一代80C51系列单片机。此阶段的主要特点是：片内面向测控系统的外围电路增强，使单片机可以方便灵活地应用于复杂的自动测控系统及设备。因此，“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。4.1.2单片机发展趋势纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：1.低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。像80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。2.微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。3.主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场份额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机，在一定时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成，共同发展的道路。4.1.3单片机的应用领域由于单片机具有良好的控制性能和灵活的嵌入品质，近年来单片机在各种领域都获得了极为广泛的应用。概要地分成以下几个方面：1：智能仪器仪表单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能花，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成各种仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。2：机电一体化产品机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。3：实时工业控制单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理量参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电动机转速控制、温度控制、自动生产线等。4：分布系统的前端模块在较复杂的工业控制系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端模块。系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列优点。5：家用电器家用电器是单片机的又一重要领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等。4.2PIC16F877单片机简介4.2.1PIC16F877单片机的内部结构PIC16F877单片机的功能框图如图4.1所示。从其执行功能考虑，可以将单片机分成两大组件，即基本功能模块和专用功能模块。1：PIC16F877单片机的基本功能模块PIC16F877单片机的基本功能区域的主要功能模块包括以下7部分1）程序存储器区域PIC16F877单片机带有Flash程序存储器结构，主要存放由用户预先编制好的程序和一些固定不变的数据。程序存储器共有8K×14位程序单元空间，即0000H1FFFH，由程序计数器提供13条地址线进行单元选择，每个单元宽14位，能够存放一条PIC单片机系统指令。在系统上电或其他复位情况下，程序计数器均从0000H地址单元开始工作。如果遇到调用子程序或系统发生事件中断时，都将把当前程序断点处的地址送入8级×14位的堆栈区域进行保护。堆栈是一个独立的存储区域，在子程序或中断服务程序执行完后，再恢复断点地址，使主程序得以继续执行。通过14位程序总线，取出对应程序指令的机器码，送入指令寄存器，将组成的操作码和操作数进行有效分离。如果操作数为地址，则进入地址复用器；如果操作数为数据，则进入数据复用器。而操作码将在指令译码和控制单元中转化为相应的功能操作。2）数据存储区域PIC16F877单片机数据存储器主要包括特殊功能寄存器和通用寄存器两部分，用于存取CPU在执行程序过程中产生的中间数据或预置的参数。RAM数据存储器的每个存储单元除具备普通存储器功能之外，还能实现移位、置位、复位和位测试等通常只有寄存器才能完成的操作。PIC16F877共有512字节单元空间（包括无效的地址单元），即000H1FFH.地址复用器组合9条地址线，实现512个数据存储器单元地址的有效选择。对于不同的数据访问，地址复用器的组合方式也存在差异。当采用直接寻址时，RAM地址的形成采用7加2模式，即7位数据来源于指令操作数，2位数据来源于STATUS状态寄存器RP1、RP0；而采用间接寻址时，RAM地址的形成采用8加1模式，即8位数据来源于文件选择寄存器FSR，1位数据来源于STATUS状态寄存器IRP基本功能区域配置有地址和数据两种复用器，是一种信号的选择开关，可根据指令功能的不同而选择其中的一个通路。3）E2PROM数据存储器模块PIC16F877单片机嵌入一个256×8位E2PROM数据存储器模块。它与内部数据存储器最大的差异在于可在线擦/写，存储的内容掉电时不会丢失。完成数据存取功能，PIC单片机指令集没有提供现成的机器指令，而必须采用特殊的程序段。4）算术逻辑运算区域PIC16F877单片机中一个非常重要的部件就是算术逻辑单元ALU，主要实现算数运图4.1PIC16F877单片机的功能框图算和逻辑运算。一般对于双目操作类指令，如“加”、“减”、“与”、“或”的两个操作数将来源于工作寄存器W和数据复用器。而执行的结果可以送入工作寄存器W或返回数据总线（进入特定外围模块或给定的数据寄存器单元），同时会将运算结果的状态送入STATUS状态寄存器。与算术逻辑运算区域关联的特殊功能寄存器有以下3种（1）工作寄存器W：相当于其它单片机中的“累加器A”，是数据传送的桥梁，是最为繁忙的工作单元。在运算前，W可以暂存准备参加运算的一个操作数（成为源操作数）；（2）状态寄存器STATUS：反映最近一次算术逻辑运算结果的状态特征，如是否产生进位、借位、结果是否为零等，共涉及3个标志位（Z、DC和C）。该寄存器在其他单片机中又称为标志寄存器或程序状态字（PAW）寄存器。另外，状态寄存器还包括数据寄存器区域的选择信息（IRP、RP1和RP0）。如图所示的状态寄存器STATUS指向数据存储器地址复用器的3条控制线，配合完成间接寻址（IRP）和直接寻址（RP1和RP0）。（3）文件选择寄存器FSR：是与INDF完成间接寻址的专用主题寄存器，用于存放间接地址，即预先将要访问单元的地址存入该寄存器。5）输入/输出端口模式PIC16F877单片机具有丰富的接口资源，共设置有5个输入/输出端口，分别为RA（6位）、RB（8位）、RC（8位）、RD（8位）和RE（3位），合计共有33个引脚。大多数引脚除了基本I/O功能外，还配置有其他特殊功能，例如模拟量输入通道，串/并行通信线和MPLAB—ICD专用控制线等。这些端口引脚在使用中存在着差异，特别是RA（6位）和RE（3位）中所涉及的输入/输出通道，只有当对ADCON1进行设置后才能用作为数字累输入/输出引脚。另外，RB端口的高4位具有特殊的电平变化中断功能，为实时监控提供了很大方便。RC端口拥有各类串行通信功能，包括主控同步串行通信MSSP（SPI、I2C）和通用同步/异步收发器USART6）多功能定时器模块PIC16F877单片机配置有3个功能较强的多功能定时器模块：TMR0（8位）、TMR1（16位）和TMR2（8位）。他们都具有不同位宽的可编程定时器，出TMR2以外都可作为计数器使用。每个定时器/计数器模块都配有不同比例的预分频器或后分频器。另外，还有两个重要的专门用途；当设置在同步计数方式下，TMR1可与捕捉/比较/脉宽调制CCP模块配合实现脉宽调制输出功能。7）核心模块PIC16F877单片机具有多种功能强大的系统复位模式：基于电容的效应，当系统芯片加电后，VDD电压会有一个逐渐上升的过程，只有达到1.51.8V后，上电复位电路将自动产生一个复位脉冲，使单片机复位；而为了保障系统程序安全，可靠运行，当VDD掉电跌落到VBOR(大约4V)的时间大于TBOR（大约100us）时，如果掉电复位功能处于使能方式，将自动产生一个复位信号并使芯片保持在复位状态；而此时如果VDD恢复到正常范围，上电延时电路再提供一个72ms延时，才使CPU从复位状态返回到原正常运行状态。另外，核心模块还带有两种特殊的延时电路：上电延时和起振延时电路。在芯片加电时，上电延时定时器PWRT提供一个固定的72ms正常上电延时。上电延时电路采用RC振荡器方式工作。当PWRT处于延时过程时，芯片就能一直保持在复位状