PIC单片机教程.doc

PIC系列8位单片机为适应各种不同的用途，有多种型号可供选用。但是，尽管PIC单片机有不同的档次和型号，但其最基本的组成则大同小异。因此，在这里先从型号PIC16F84的单片机入手，讨论其基本组成。PIC16F84是双列直插式(DIP)塑料封装，最大时钟频率可达4MHz。现为Microchip公司的独家产品，关于其具体技术指标，可查阅该公司的产品手册，或在网址上查找。PIC16F84单片机的引脚排列可参阅本期本版的16F8X系列简介一文。本文的附图是该器件的主要组成部分。PIC16F84虽然体积不大，但仍然是一个完整的计算机，它有一个中央处理器(CPU)、程序存储器(ROM)、数据寄存器(RAM)和两个输入/输出口(I/O口)。和其它品种的单片机一样，CPU是此单片机的“首脑”，它从程序存储器中读取和执行指令。在取指和执行时，还可同时对数据寄存器进行取数(前已介绍PIC16F84采用哈佛结构)。由附图可明显看出，程序存储器和数据存储器各有一条总线与CPU相连。有些CPU将CPU内部的寄存器与其外部的RAM是分开管理的，但PIC单片机不是这样，它的通用数据RAM也归为寄存器，称为File寄存器。在PC16F84中，有68个字节的通用RAM，其地址为0CH4FH。除了通用数据寄存器外，还有一些专用寄存器，其中最常用的工作寄存器为“W寄存器”。CPU将工作数据存放在W寄存器中。寄存器W的作用与其它单片机中的“累加器A”相似。此外，还有几个专用寄存器，它们分别以某种方式控制PIC的运作。PIC16F84的程序存储器是由Flash(闪速)EPROM构成，它可用电来记录和擦除，而在断电时，仍可保留其内容。PIC单片机有些型号的程序存储器用的是EPROM，需要用紫外线来擦除；还有一些型号是一次性可编程(OTP)的产品(一经编程便不能再擦除)。PIC16F84有两个输入/输出口，即A口和B口。每个口的每个引脚可单独设定为输入或输出。各个口的位是从0开始编号的。当A口为输出方式时，其第4位(即RA4)为开路集电极(或开路漏极)输出，而B口及A口其它各位为常规的全CMOS驱动电路。这些功能必须注意，否则会在编程时出错。CPU对每个端口都按一个字节8位来处理，但A口只有5位引脚。PIC输入与COMS兼容，所以PIC输出可驱动TTL或CMOS逻辑芯片。每个输出引脚可以流出或吸入20mA电流，即使一次只用了一个引脚亦是如此。PIC16F84还有一些其它功能，如用来长期存放数据的EEPROM、定时器/计数器模块等，这里也暂不讨论。成都卫东竞赛试题：5简述PIC16F84与其它单片机产品显著不同之处，及其使用场合?6比较PIC与MCS51型 8位单片机内部硬件资源的异同。常用PIC系列8位单片机芯片引脚符号的功能笔者读了本版有关PIC 8位单片机的产品性能和相应的封装引脚介绍后，认为对初学者而言还需了解各引脚符号的意义，才能进一步学习和使用它。笔者为此作相关的说明，以便和初学者共同提高。一、关于I/O口符号PIC单片机系列封装引脚最少的是8引脚(如PIC12C5XX和PIC12C6XX)，多的可达84引脚(如PIC17C76X)，其中I/O(输入/输出)口线按PIC单片机产品型号不同，其口线数量也不相同。8脚封装的I/O口线是6根线，而84脚封装的I/O线多达66根线。这些口线符号分别按英文字母顺序排列编号，简称A口、B口、C口、D口、E口、F口，每个口是8位的，但不一定占满8位。这些口在封装引脚图的标注上均在各口之前加有R符号。例如B口标注为RB0、RB1、RB2RB7；E口为RE0、RE1RE7；G口为RG1、RG2；而对8脚封装的单片机共有6根I/O口线，其引脚图的标注与上略有不同而是GP0GP5。上述的各口线都是可独立编程的双向I/O口线。二、引脚的复用功能和符号单片机的信号引脚是单片机外特性的体现，在硬件上用户只能使用引脚，通过引脚的连接组建单片机系统。PIC 8位单片机系列和MCS51系列单片机一样，其引脚除电源VDD、VSS为单一功能外，其余的信号引脚常是多个功能，即引脚的复用功能。常见的引脚符号和主要功能如下：1MCLR/Vpp清除(复位)输入/编程电压输入。其中MCLR为低电平时，对芯片复位。该脚上的电压不能超过VDD，否则会进入测试方法。Vpp代表编程电压。2OSC1/CLKIN振荡器晶体/外部时钟输入端。3OSC2/CLKOUT振荡器晶体输出端，在晶体振荡方式接晶体，在RC方式输出OSC1频率的1/4信号CLKOUT。4TOCK1TMRO计数器输入端，如不用，为了减少功能应接地或接VDD。5TICK1TMR1时钟输入端。6TIOSI TMR1的振荡输入端。7TIOSOTMR1的振荡输出端。8RD、WR、CS分别代表并行口读信号、写信号和片选控制线。9AN0AN7A/D转换的模拟量输入端。AN0、AN1分别表示通道的个数。10CCP捕捉/比较/脉宽调制等功能端。CCP是Capture/Compare/PWM的缩写。有的PIC芯片内有两个CCP部件，其引脚用符号CCP1和CCP2表示。11SCK/SCL同步串行通信时钟输入端。12TX/CK异步通信发送端/SCI同步传输的时钟端。13SDI/SDASPI通信数据输入端。14SD0SPI通信数据输出端。15RD0/PSP0RD7/PSP7D口，双向可编程，亦可作为并行口。作并行口对TTL输入，作I/O口时为斯米特输入。以上是PIC 8位单片机系列封装引脚符号的说明，此外在阅读PIC 8位单片机有关资料时，常遇到一些字母符号和功能，也简介如下：1OTP一次性编程。OTP是One Time Program的缩写。2RISC简称精简指令集。RISC是Reduced Instruction Set Computer的缩写。3SSP同步串行口。SSP是Synchronous Serial Port的缩写。4SCI串行通信接口。SCI是Serial Communication Interface的缩写。5USART全双工通用串行异步接收发送系统。USART是Universal Serial Aosynchronous Receiver Transmitter的缩写。6UART通用异步接收发送器。7POR上电复位功能。POR是Power On Reset的缩写。8OST振荡器起振定时器。OST是Oscillator Startup Timer的缩写。9PWRT上电延时定时器。PWRT是Powerup Timer的缩写。10SFR专用寄存器。SFR是Special Function Register的缩写。11PWM脉宽调制器。PWM是Pulse Width Modulation的缩写。12MIPS每秒可执行百万条指令。MIPS是Million Instructions Per Second的缩写PIC系列单片机数据存储器的特点和功能（上）PIC系列单片机品种虽多，但各产品内部硬件资源的数据存储器设置仍是很有规律的。笔者以PIC16C71A和PIC16C63/65/65A两个品种为实例，查看它们片内数据存储器的结构，找出它们的特点并说明某些寄存器的主要功能，以供用户快速编程。表1和表2分别是PIC16C71A和PIC16C63/65/65A产品片内数据存储器的资源表，其它系列产品的片内数据存储器结构的资源与表1、表2资源都很相似，其差别仅仅是片内功能部件的种类和数量不同(PIC16C57/58单片机有4个存储体)。笔者从下述几个方面介绍表1和表2的特点和主要功能。1统一编址PIC系列单片机各类数据存储器都是以寄存器方式工作和寻址的。专用寄存器包括了定时寄存器TMRO、选择寄存器OPTION(又称为项选寄存器)、程序计数器PCL、状态寄存器STATUS、间接寻址寄存器INDF和FSR、端口I/O寄存器(如PORTA、PORTB)和相对应的端口I/O控制寄存器(又称为端口I/O数据方向寄存器，如TRIAS、TRISB)、保持寄存器PCLATH和中断控制寄存器INTCON等。上述的专用寄存器都是PIC16C63/65/65A和PIC16C71A共同有的，它们不仅是寄存器名称、功能相同，而且寄存器的地址也完全相同。如果再查看其它PIC单片机，如PIC16C62/62A/64/64A、PIC16C71/72/73/73A/74/74A、PIC16C8X它们的专用寄存器名称凡是与以上相同者其地址也完全与上述相同，可见尽管PIC系列单片机品种多，但掌握它们的规律后，学习是不难的。型号不同的PIC单片机，其数据存储器的内部资源仅仅是功能种类和多少的不同。如PIC16C71A型，其引脚为18脚，主要功能是带有8位的A/D转换部件，有4个A/D通道模拟输入，所以在表1中与其A/D转换部件有关的专用寄存器ADRES(用于存放A/D转换的数值结果)、A/D控制寄存器ADCON0(用于控制A/D转换器的操作)和A/D控制寄存器ADCON1(用于控制选择A/D引脚的功能)等。对PIC16C65/65A型，其引脚是40脚的，其功能比PIC16C71A单片机强，因而数据存储器表2中的专用寄存器的种类就比表1的增加了很多。专用寄存器的每个寄存单元都有相对应的固定用途，它们可分成两类：一类用于供CPU操作(如INDF和FSR、STATUS、PCL)；另一类用于控制外围功能芯片的操作PIC系列单片机数据存储器的特点和功能（中）学习PIC单片机数据存储器时，不仅要了解各寄存器单元的功能，而且还应在编制程序时会调用它们完成编程目的。下面笔者将以编程实例说明它们的用途。2间接寻址寄存器INDF和FSR位于PIC单片机数据存储器的最顶端、地址00单元（地址码最小）的间接寻址寄存器INDF是一个空的寄存器。它只有地址码，在物理上不是一个真正的寄存器。它的功能常常与寄存器FSR（又称寄存器选择寄存器）配合工作，实现间接寻址目的。初学专用寄存器INDF和FSR时，记住下述的逻辑关系对编程是有帮助的：使用寄存器INDF的任何指令，在逻辑上都是对寄存器FSR所指向的RAM进行访问，即对INDF（本身）进行间接寻址（访问），读出的应是FSR内容。以下的一个简单程序是用间接寻址方式清除RAM地址20h2Fh单元寄存器内容的实例。MOVLW 0x20；20hw，对指向RAM单元的指针 ；初始化MOVWF FSR；20hFSR，FSR指向RAMLOOP CLRFINDF ；清除INDF，即清除FSR内容所指；向的单元20h2FhINCF FSR；（指针）FSR内容加1BTFSSFSR，4；判别（指令）FSR的D3位，若为零；执行下条循环指令；若为1间跳；执行。GOTOLOOP；跳转到LOOP（循环）CONTINUE ；已完成功能，继续执行程序由上述指令看出，因寄存器INDF和FSR的配合工作，达到了对RAM地址20h2Fh的寄存器清零目的。由于完成上述功能的指令数很少，这就会简化指令系统，使PIC单片机的指令集得以精简。说明：上述各条指令易于看懂，所以无需再复述，但其中的一条判别指令“BTFSS FSR，4”比较关键。该条指令是保证题设中要选择RAM地址单元上限值2Fh时，其对应的二进制数为00101111B，此时FSR的第4位恰为1。所以上述指令中用了一条判断指令；BTFSS FSR，4，判断FSR的D3位值是否为1，若不为1而为0，则执行下条循环指令GOTO LOOP，使FSR中的地址不断加1，直到寄存器FSR的D3位为1时，这时它的内容代表的RAM地址恰为2Fh。由此可见，学习PIC单片机数据存储器中的专用寄存器时，不必要对每个产品的专用寄存器进行学习，只需先学习它们的共同点，然后选中一个产品型号的专用寄存进行详细分析，有条件时进行必要的相关指令操作，就能完全掌握单片机技术PIC系列单片机数据存储器的特点和功能（下）3 A/D转换寄存器这里摘录一段笔者从网上下载的用PIC16F877单片机芯片(带Flash存储器的)完成有关A/D转换的源程序部分指令，并用它说明有关A/D转换寄存器在指令中的用法。这里先引用部分源程序，源程序中的注释是笔者按照指令在程序中的作用所加的注释(不是某条指令的直接功能)，这是初学者读以下指令时应注意的。A/D转换器部分源程序清单如下：DEMO877ASMListP=16F877org 0x00 ；复位向量NOP ；空操作Start BankselPORTC ；选择PORTC所在；数据存储器的存储；体(实为Bank0)CLRF PORTC；对RC口清零MOVLW B01000001；A/D转换时钟选；择FOSC/8，打开； A/D转换器MOVWF ADCON0；设定了A/D转换；操作部分参数BankselOPTION_REG ；选择OPTION所在；数据存储器的存储；体(实为Bank1)MOVLW B10000111；设置预分频器TM； R0，分频率1256MOVWF OPTION ；完成上条指令设置CLRF TRISC；设定RC口(8位)；为输出MOVLW B0001110 ；选中模拟量通道1；(RA1/AN1)MOVWF ADCON1；模拟基准电压VREF为芯片电源电压，选择通道1(RA1/AN1)完成main 要阅读上述的指令，读者还需了解以下必要的补充知识。(1)关于用PIC16F877单片机作A/D转换器。PIC16F877单片机是具有多通道模拟量输入的8位A/D转换器。上述的源程序是利用该PIC产品作A/D转换的一种实验程序，其实验目的是用PIC16F877单片机来实现一个通道的8位A/D转换，并将转换结果以二进制形式经RC口输出再由LED显示。实验的电路原理如附图(笔者根据源程序而绘出的PIC16F877A/D转换硬件电路图)所示。(2)编制与A/D转换器有关的专用寄存器指令。要读懂上述的源程序，应根据以下的线索：1)把握源程序的编写惯例；2)选择RC口和对它清零；3)给A/D控制寄存器ADCON0的各位置数，达到A/D转换时选择A/D位的采样时间，即注释中的A/D时钟选择；4)选择专用寄存器Option并给它各位置数，达到选择预分频器TMR0和确定其分频率(1256)；5)设定RC口为输出，以保证LED显示；6)给A/D控制器ADCON1的各位置数，以确定PIC16F877单片机的RA1口为模拟量的输入通道。并选中芯片电源作基准电压。读者若需深入了解A/D控制寄存器ADCON0和ADCON1的各位详细功能，请参看有关PIC单片机书籍的详细介绍。A/D转换的主程序(main)约有13条，将在本版PIC系列专题的后期结合实验板的编程器介绍。PIC系列单片机的其它专用寄存器，如TRISA、STATUS Bank等，本报在前几期有关PIC单片机的文中均已介绍过。PIC 8位单片机的电源和时钟单片机是一种超大规模集成电路，在该集成电路内有成千上万个晶体管或场效应管，因此，要单片机正常运行，就必须为其提供能量，即为片内的晶体管或场效应管供给电源，使其能工作在相应的状态。PIC16F84单片机需要一个5V电源(实际工作电压为40V60V)。因此，最简单的办法是用三节15V的电池串联供电，也可用整流、稳压方式供电，如图1所示。图1a为三节电池串联，可得45V左右的电压；图1b为四节电池串联，又用一硅二极管降压，实际输出电压为54V左右。图1c为经整流后(整流器图中未画出)将市电交流变为7V20V的直流电压，再经集成稳压器7805稳压后得到稳定的5V电压。图1d与图1c类似，只是不用集成稳压器，改用价廉的稳压二极管来稳压。PIC16F84本身耗电仅1mA(低时钟耗电更小)，若PIC要驱动发光二极管LED或其它大电流器件，则单片机电源也必须为这类器件供电。因此，图1d的电路是用齐纳二极管来稳压的，它不能驱动LED等器件，这一点应注意。在图1中，四种电源电路都需要在PIC16F84单片机的引脚14(V)与地之间接一电容01F，而且，此电容应紧靠单片机安装，以滤除电源的纹波，并使PIC和相邻元件不受噪声干扰。这里要强调的是，不论电源如何“纯净”，均必须安装此电容。注意：这里的PIC16F84单片机除了引脚14(V或VDD)直接接至电源外，引脚4(MCLR复位输入脚)通常也通过一个10k的电阻接至电源V。MCLR是低电平有效，如将其接地，将使PIC复位，并将RAM清零。如果上电很慢，则PIC可能会处于一种不定状态。这时，应当在MCLR与地之间装接一个常开复位按键。与任何微处理器一样，PIC16F84的运作是有节奏的，因此，就需要一个节拍发生器时钟，以控制CPU的运行速度，步进执行各种操作。16F8404P的最大时钟速变为4MHz。降低时钟频率，可节省能源，并使PIC执行速度减慢，当时钟频率为30kHz时只耗电01mA。PIC单片机最常用的时钟电路示于图2，图2a为直接输入外部时钟，即钟信号由外部振荡电路产生。图2b是用PIC的内部时钟电路，再从外部接上确定时钟频率的元件，即电阻R和电容C。图中给出了三种不同阻值的电阻，它们和100pF的电容配用，可产生15MHz、600kHz或100kHz三种不同的时钟频率。图2c仍利用PIC单片机片内振荡电路，但外接石英晶体，因而能产生更精确、更稳定的时钟信号，但石英晶体通常比电阻、电容贵，若利用电视机上常用的晶体(如358MHz晶体)，则价格仍较低廉