2012-PIC单片机原理及应用.

PIC单片机原理及应用1主讲：许辉邮箱：[e-mail]《PIC单片机原理及应用》实验内容安排：全校任选课（☆）PIC单片机原理介绍（10学时※）工具软件及实验（4学时※）系统基本功能设计及实验（12学时※）综合设计实验（4学时※）2西安电子科技大学国家电工电子教学基地西电－MICROCHIP公司联合实验室（E楼II-406）PIC单片机原理及应用第1章概述31.1PIC单片机简介什么是单片机？单片机（MCU）是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。PIC单片机是由MicrochipTechnologyInc.（美国微芯科技公司）推出的系列产品。41.2PIC单片机产品系列PICmicro®单片机Microchip的8位/16位/32位PIC单片机系列具有高性能、低成本和封装体积小等特点，是业界性价比最佳的产品。据业界权威研究机构Dataquest资料，全球8位单片机（MCU）付运量排名第一。dsPIC®数字信号控制器dsPIC®数字信号控制器（DSC）系列具备一个完全实现的数字信号处理器（DSP）引擎。该系列dsPIC30F和dsPIC33F16位闪存DSC具有业界最高的性能，适用于电机控制、功率转换、传感器和通用应用等。51.2PIC单片机产品系列61.3主要应用领域77办公设备工业控制通信系统电子玩具金融电子仪器仪表汽车工业家用电器舰船设备航空航天1.4常见单片机比较•51：通用性,用的最多,主要是内核是公布的,很多情况下,各个厂家做了自己特有的外设扩展,比如aduc51的ad,da,,高频发射模块,cpress的usb功能等等,•PIC：工业稳定性，适用于用量大,档次低,价格敏感的产品.在办公自动化设备,消费电子产品,电讯通信,智能仪器仪表,汽车电子,金融电子,工业控制不同领域都有广泛的应用；•MSP430：低功耗应用，经常被电池、仪表应用设计师所选用81.5PIC单片机特点91、结构1.5PIC单片机特点2、RISC技术/指令集（汇编指令）RISC技术（RedudedInstructionSetComputer--精简指令集计算机）：改善结构，更加合理的提高运算速度。除判断转移指令，其他指令都是单周期指令。寻址方式简单，指令代码压缩率高101K字节的存储器空间——PIC系列单片机能够存放1024条指令——MCS-51系列单片机大约只能存放600条指令1.6PIC单片机特点3、内嵌DSP引擎：dsPIC®数字信号控制器（DSC）系列内嵌DSP引擎，具备实现数字信号处理器的基本功能，如FFT、FIR滤波等。4、CMOS工艺特性功耗低电压范围宽工作温度范围宽：-40～+125摄氏度5、驱动能力强每个输出引脚可以驱动多达20-25mA的负载一般端口总驱动能力约60-70mA111.5PIC单片机特点6、接口丰富，能实现各种功能I/O口具有20mA的驱动能力8路、10位的AD转换I2C，SPI，USART，USB，CAN，以太网接口WDT(看门狗)CCP（脉宽/捕捉/比较）内置EEPROM3路定时器多种中断源支持休眠的低功耗模式流式的并行接口内置LCD控制器芯片加密……121.6PIC单片机命名规则1、PIC单片机编号包括下列5个部分：2、器件类型和代号关系代号类型CCMOSLC低功耗CMOSCRCMOSROMLCR低功耗CMOSROMLV低电压FFLASH程序存储器FRFLEXROM13PICXXXXXXX-XXX/XXXXX器件类型振荡频率温度封装存储器编程方式1.6PIC单片机命名规则3、振荡方式/频率和代号关系：4、温度与代号关系：代号振荡方式/频率LP低频低功耗晶体振荡RC低成本阻容振荡XT标准晶体/陶瓷振荡HS高速晶体/陶瓷振荡022MHZ084MHZ2020MHZ2525MHZ3333MHZ代号温度空白0～70I-40～+85E-40～+125141.6PIC单片机命名规则5、程序存储器编程方式EPROM:可反复擦写，紫外线照射20分钟以上除去片上信息E2PROM或FLASH：可在线进行程序的反复擦写OTP：一次编程方式：一个产品周期后降低成本用，专用设备完成烧写，适合小批量非定型产品QTP：快速批量编程SQTP：连续批量编程ICSP：电路内连续编程掩模ROM：一个产品周期后降低成本用，适合大批量定型产品，必须请制造商借助专用设备完成151.6PIC单片机命名规则dsPIC30/33F产品器件编号规则161.7单片机开发流程确定任务•确定待开发产品的功能、所实现的指标成本，进行可行性分析。•完成时间总体设计•机型选择外型设计、功耗、使用环境•软、硬件任务划分，方案确定硬件设计•确定功能绘制原理图及布线图•选购元器件、焊接线路板、组装、调试软件设计•建立数学模型，进行资源分配及结构设计绘制流程图•设计、编制个子程序模块仿真、调试，固化样机联调•软硬件结合起来调试找错、修改软硬件•进行软硬件测试，进行老化实验、高低温实验、振动实验产品定型17PIC单片机原理及应用第2章结构182.1内部结构系统集成外设CPU内核CPU内核是器件运行所必需的基本部分。1.CPU2.数据存储器3.程序存储器4.DSP引擎5.中断19系统集成可以降低系统成本提高系统可靠性提高设计灵活性。1.振荡器2.复位3.看门狗定时器和低功耗模式4.闪存和EEPROM编程5.器件配置6.低电压检测外设功能是允许器件与外界交换信息。1.I/O端口2.定时器3.输入捕捉模块4.输出比较模块5.正交编码器接口（QEI）6.10位AD转换器7.12位AD转换器8.UART模块9.SPITM模块10.I2CTM模块11.CAN模块12.数据转换器接口（DCI）模块2.2CPU内核CPU内核采用（8/16/32位数据）改良的哈佛架构，并带有增强型指令集，dsPIC系列包含对DSP的有力支持。CPU指令字带有长度可变的操作码字段。程序计数器（PC），可以寻址用户程序存储器空间。单周期指令预取机制用来帮助维持吞吐量并提供可预测的执行。222.2.1算术逻辑单元（ALU）•ALU能进行加、减、单位移位和逻辑运算。除非特别指明，算术运算一般是以2进制补码形式进行的。•根据所使用的指令模式，ALU可以执行8/16/32位操作。根据指令的寻址模式，ALU操作的数据可以来自W寄存器阵列或数据存储器，输出数据可以被写入W寄存器阵列或数据存储单元。•根据不同的操作，ALU可能会影响SR寄存器中的进位标志位（C）、全零标志位（Z）、负标志位（N）、溢出标志位（OV）和辅助进位标志位（DC）的值。232.2.2DSP引擎DSP引擎由一个高速17位x17位乘法器、一个桶形移位寄存器和一个40位加法器/减法器（两个目标累加器、舍入逻辑和饱和逻辑）组成。dsPIC30/33器件采用单周期指令流，可以执行DSP指令或MCU指令。许多硬件资源可以被DSP和MCU指令共用。DSP引擎的功能如下：1.小数或整数DSP乘法（IF）。2.有符号或无符号DSP乘法（US）。3.常规或收敛舍入（RND）。4.ACCA自动饱和使能/禁止（SATA）。5.ACCB自动饱和使能/禁止（SATB）。6.对于写数据存储器，自动饱和使能/禁止（SATDW）。7.累加器饱和模式选择（ACCSAT）。24252.2.3除法•支持16/16位有符号小数除法运算，以及32/16位、16/16位有符号和无符号整数除法运算，•除法形式均为单指令迭代除法。支持以下指令和数据长度：1.DIVF——16/16有符号小数除法2.DIV.sd——32/16有符号除法3.DIV.ud——32/16无符号除法4.DIV.s——16/16有符号除法5.DIV.u——16/16无符号除法262.2.4CPU寄存器描述SR：CPU状态寄存器•低字节SRL包含了所有的MCUALU操作状态标志，加上CPU中断优先级状态位IPL2:0和REPEAT循环有效状态位RA（SR4）。•高字节SRH包含DSP加法器/减法器状态位、DO循环有效位DA（SR9）和辅助进位标志位DC（SR8）。CORCON：内核控制寄存器•CORCON寄存器包含控制DSP乘法器和DO循环硬件操作的位。还包含IPL3状态位，它与IPL2:0（SR7:5）相连形成CPU中断优先级。27MODCON：模控制寄存器•MODCON寄存器用于使能并配置模寻址（循环缓冲）。XMODSRT，XMODEND：X模起始和结束地址寄存器–XMODSRT和XMODEND寄存器保持X数据存储地址空间中执行模（循环）缓冲的起始和结束地址。YMODSRT，YMODEND：Y模起始和结束地址寄存器–YMODSRT和YMODEND寄存器保持Y数据存储地址空间中执行模（循环）缓冲的起始和结束地址。XBREV：X模位反转寄存器–XBREV寄存器用于设置位反转寻址的缓冲区大小。282.3数据存储器2.3.1数据地址空间数据宽度为8/16/32位的单片机其内部寄存器、数据空间存储器都是以8/16/32位宽度组织的。dsPIC30/33器件的数据存储器具有两个数据空间X和Y数据空间。数据空间可以看作是独立的或者看作是统一的线性地址范围。Y空间是X空间的子集，Y空间完全包含在X空间中。X和Y空间要有连续的地址。使用两个地址发生单元（AGU）和独立的数据路径访问这两个数据空间。29•0x0000到0x07FF之间的地址空间保留用于器件的特殊功能寄存器SFR，包含CPU和器件上的外设的控制和状态位。•RAM从地址0x0800开始，分成两个区块，分别为X和Y数据空间。对于数据写操作，总是将X和Y数据空间作为一个线性数据空间访问。对于数据读操作，可以分别单独访问X和Y存储器空间或将它们作为一个线性空间访问。•0x0000到0x1FFF之间8KB的地址空间称为Near数据存储器。可通过所有文件寄存器指令中的13位绝对地址字段直接对Near数据存储器寻址。30312.3.2数据存储器访问方式2.4程序存储器程序地址空间程序存储器映射空间被划分为用户程序空间和用户配置空间访问程序空间有三种可用的方法：1.通过23位PC。2.通过读表（TBLRD）和写表（TBLWT）指令。3.通过把程序存储器的32KB段映射到数据存储器地址空间。322.4.1程序计数器PC•用在程序存储器空间中对连续指令字寻址。•PC以2为增量，且LSb置为“0”以使之与数据空间寻址相兼容。•程序存储器地址的LSb（PC0）保留为字节选择位，用于从使用程序空间可视性或表指令的数据空间访问程序存储器。332.4.2表指令方式读写表指令用于将字节或字大小的数据在程序空间和数据空间之间传送。读表指令用于把数据从程序存储器空间读入数据存储器空间。写表指令可以把数据从数据存储器空间写入程序存储器空间。程序存储器可以视作并排放置的两个16位字宽的地址空间，每个地址空间都有相同的地址范围，TBLRDL和TBLWTL访问程序存储器的LS数据字，而TBLRDH和TBLWTH访问高位字。342.4.3来自数据空间的程序空间可视性•可选择将数据存储器地址空间的高32KB空间映射到任何16K字程序空间页，这种操作模式被称为程序空间可视性（PSV），它提供对存储在X数据空间的常数数据的透明访问，而无需使用特殊指令（即，TBLRD和TBLWT指令）。•当PSV（CORCON2）使能时，在数据存储器映射空间上半部分的每个数据空间地址将直接映射到一个程序地址。35PIC单片机原理及应用第3章系统集成363.1复位•复位模块结合了所有复位源并控制器件的主复位信号SYSRST。以下列出了