原创 PIC系列单片机简介

PIC系列单片机简介
PIC（Peripheral Interface Controller）是一种用来开发的去控制外围设备的集成电路（IC）。一种具有分散作用（多任务）功能的CPU。与人类相比，大脑就是CPU，PIC 共享的部分相当于人的神经系统。它们的最高操作频率大约都在20MHz左右，存储器容量用做写程序的大约1K—4K字节。

PIC系单片机与MCS-51系列单片机的区别

应该说有三个主要特点：
(1)总线结构:MCS-51的总线结构是冯-诺依曼型,计算机在同一个存储空间取指令和数据,两者不能同时进行;而PIC的总线结构是哈佛结构,指令和数据空间是完全分开的,一个用于指令,一个用于数据,由于可以对程序和数据同时进行访问,所以提高了数据吞吐率。正因为在PIC系列单片机中采用了哈佛双总线结构，所以与常见的微控制器不同的一点是：程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8位的，但指令总线位数分别位12、14、16位。
(2)流水线结构:MCS-51的取指和执行采用单指令流水线结构,即取一条指令,执行完后再取下一条指令;而PIC的取指和执行采用双指令流水线结构,当一条指令被执行时,允许下一条指令同时被取出,这样就实现了单周期指令。
(3)寄存器组:PIC的所有寄存器,包括I/O口,定时器和程序计数器等都采用RAM结构形式,而且都只需要一个指令周期就可以完成访问和操作;而MCS-51需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。
更详细的区别可参考相关书籍

一、引言
　　当今单片机厂商琳琅满目，产品性能各异。针对具体情况，我们应选何种型号呢？首先，我们来弄清两个概念：集中指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。采用CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用，即所谓冯.诺伊曼结构。它的指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格亦高。采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓哈佛结构。这使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。属于CISC结构的单片机有Intel8051系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond(华邦)W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列等；属于RISC结构的有Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。一般来说，控制关系较简单的小家电，可以采用RISC型单片机；控制关系较复杂的场合，如通讯产品、工业控制系统应采用CISC单片机。不过，RISC单片机的迅速完善，使其佼佼者在控制关系复杂的场合也毫不逊色。
　　根据程序存储方式的不同，单片机可分为EPROM、OTP（一次可编程）、QTP（掩膜）三种。我国一开始都采用ROMless型单片机（片内无ROM，需片外配EPROM），对单片机的普及起了很大作用，但这种强调接口的单片机无法广泛应用，甚至走入了误区。如单片机的应用一味强调接口，外接I/O及存储器，便失去了单片机的特色。目前单片机大都将程序存储体置于其内，给应用带来了极大的方便。值得一提的是，以往OTP型单片机的价格是QTP的3倍，而现在已降至1.5－1.2倍，选用OTP型以免订货周期、批量的麻烦是可取的。

二、PIC系列单片机有什么优势？
　　自从我95年接触PIC单片机以来，便一直热衷于这种单片机的开发与应用。有不少朋友问我：PIC到底有什么优势？也许你也会有这样的疑问，所以我在这里略谈几点自己的看法。
　　1)PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应枚缘テδ芎妥试吹男枨笠彩遣煌摹１热纾桓瞿ν谐档牡慊鹌餍枰桓鯥/O较少、RAM及程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机，若采用40脚且功能强大的单片机，投资大不说，使用起来也不方便。PIC系列从低到高有几十个型号，可以满足各种需要。其中，PIC12C508单片机仅有8个引脚，是世界上最小的单片机.
该型号有512字节ROM、25字节RAM、一个8位定时器、一根输入线、5根I/O线，市面售价在3－6元人人民币。这样一款单片机在象摩托车点火器这样的应用无疑是非常适合。PIC的高档型号，如PIC16C74（尚不是最高档型号）有40个引脚，其内部资源为ROM共4K、192字节RAM、8路A/D、3个8位定时器、2个CCP模块、三个串行口、1个并行口、11个中断源、33个I/O脚。这样一个型号可以和其它品牌的高档型号媲美。
　　2) 精简指令使其执行效率大为提高。PIC系列8位CMOS单片机具有独特的RISC结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard）结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用CISC结构的8位单片机相比，可以达到2:1的代码压缩，速度提高4倍。
　　3) 产品上市零等待（Zero time to market）。采用PIC的低价OTP型芯片，可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市。
　　4) PIC有优越开发环境。OTP单片机开发系统的实时性是一个重要的指标，象普通51单片机的开发系统大都采用高档型号仿真低档型号，其实时性不尽理想。PIC在推出一款新型号的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。就我个人的经验看，还没有出现过仿真结果与实际运行结果不同的情况。
　　5) 其引脚具有防瞬态能力,通过限流电阻可以接至220V交流电源,可直接与继电器控制电路相连,无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。
　　6) 彻底的保密性。PIC以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。
　　7) 自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。
　　8) 睡眠和低功耗模式。虽然PIC在这方面已不能与新型的TI－MSP430相比，但在大多数应用场合还是能满足需要的。

常用PIC系列8位单片机芯片引脚符号的功能

    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、RB2……RB7；E口为RE0、RE1……RE7；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GP0～GP5。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MCS－51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：
　　1MCLR/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。
　　2OSC1/CLKIN　振荡器晶体/外部时钟输入端。
　　3OSC2/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。
　　4TOCK1   TMRO计数器输入端，如不用，为了减少功能应接地或接VDD。
　　5TICK1    TMR1时钟输入端。
　　6TIOSI　 TMR1的振荡输入端。
　　7TIOSO    TMR1的振荡输出端。
　　8RD、WR、CS　分别代表并行口读信号、写信号和片选控制线。
　　9AN0～AN7　A/D转换的模拟量输入端。AN0、AN1……分别表示通道的个数。
　　10CCP　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。
　　11SCK/SCL　同步串行通信时钟输入端。
　　12TX/CK　异步通信发送端/SCI同步传输的时钟端。
　　13SDI/SDA　SPI通信数据输入端。
　　14SD0　SPI通信数据输出端。
　　15RD0/PSP0～RD7/PSP7　D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：
　　1OTP　一次性编程。OTP是One Time Program的缩写。
　　2RISC　简称精简指令集。RISC是Reduced Instruction Set Computer的缩写。
　　3SSP　同步串行口。SSP是Synchronous Serial Port的缩写。
　　4SCI　串行通信接口。SCI是Serial Communication Interface的缩写。
　　5USART　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。
　　6UART　通用异步接收发送器。
　　7POR　上电复位功能。POR是Power On Reset的缩写。
　　8OST　振荡器起振定时器。OST是Oscillator Start－up Timer的缩写。
　　9PWRT　上电延时定时器。PWRT是Power－up Timer的缩写。
　　10SFR　专用寄存器。SFR是Special Function Register的缩写。
　　11PWM　脉宽调制器。PWM是Pulse Width Modulation的缩写。
　　12MIPS　每秒可执行百万条指令。MIPS是Million Instructions Per Second的缩写。

PIC 8位单片机的分类和特点
 
    由美国Microchip公司推出的PIC单片机系列产品，首先采用了RISC结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。现在PIC系列单片机在世界单片机市场的份额排名中已逐年升位，尤其在8位单片机市场，据称已从1990年的第20位上升到目前的第二位。PIC单片机从覆盖市场出发，已有三种(又称三层次)系列多种型号的产品问世，所以在全球都可以看到PIC单片机从电脑的外设、家电控制、电讯通信、智能仪器、汽车电子到金融电子各个领域的广泛应用。现今的PIC单片机已经是世界上最有影响力的嵌入式微控制器之一。

　　一、PIC 8位单片机的分类
　　PIC 8位单片机产品共有三个系列，即基本级、中级和高级。
　　1基本级系列　该级产品的特点是低价位，如PIC16C5X，适用于各种对成本要求严格的家电产品选用。又如PIC12C5XX是世界第一个8脚的低价位单片机，因其体积很小，完全可以应用在以前不能使用单片机的家电产品的空间。
　　2中级系列　该级产品是PIC最丰富的品种系列。它是在基本级产品上进行了改进，并保持了很高的兼容性。外部结构也是多种的，从8引脚到68引脚的各种封装，如PIC12C6XX。该级产品其性能很高，如内部带有A/D变换器、E2PROM数据存储器、比较器输出、PWM输出、I2C和SPI等接口。PIC中级系列产品适用于各种高、中和低档的电子产品的设计中。
　　3高级系列　该系列产品如PIC17CXX，其特点是速度快，所以适用于高速数字运算的应用场合中，加之它具备一个指令周期内(160ns)可以完成8×8(位)二进制乘法运算能力，所以可取代某些DSP产品。再有PIC17CXX具有丰富的I/O控制功能，并可外接扩展EPROM和RAM，使它成为目前8位单片机中性能最高的机种之一。所以很适用于高、中档的电子设备中使用。

PIC 8位单片机具有指令少、执行速度快等优点，其主要原因是PIC系列单片机在结构上与其它单片机不同。该系列单片机引入了原用于小型计算机的双总线和两级指令流水结构。这种结构与一般采用CISC(复杂指令集计算机)的单片机在结构上是有不同的。

　　1双总线结构
　　具有CISC结构的单片机均在同一存储空间取指令和数据，片内只有一种总线。这种总线既要传送指令又要传送数据(如图1－a所示)。因此，它不可能同时对程序存储器和数据存储器进行访问。因与CPU直接相连的总线只有一种，要求数据和指令同时通过，显然“乱套”，这正如一个“瓶颈”，瓶内的数据和指令要一起倒出来，往往就被瓶颈卡住了。所以具有这种结构的单片机，只能先取出指令，再执行指令(在此过程中往往要取数)，然后，待这条指令执行完毕，再取出另一条指令，继续执行下一条。这种结构通常称为冯·诺依曼结构，又称普林斯顿结构。
　　在这里PIC系列单片机采用了一种双总线结构，即所谓哈佛结构。这种结构有两种总线，即程序总线和数据总线。这两种总线可以采用不同的字长，如PIC系列单片机是八位机，所以其数据总线当然是八位。但低档、中档和高档的PIC系列机分别有12位、14位和16位的指令总线。这样，取指令时则经指令总线，取数据时则经数据总线，互不冲突。这种结构如图1－b所示。
　　指令总线为什么不用八位，而要增加位数呢?这是因为指令的位数多，则每条指令包含的信息量就大，这种指令的功能就强。一条12位、14位或16位的指令可能会具有两条八位指令的功能。因此PIC系列单片机的指令与CISC结构的单片机指令相比，前者的指令总数要少得多(即RISC指令集)。

　　2两级指令流水线结构
　　由于PIC系列单片机采用了指令空间和数据空间分开的哈佛结构，用了两种位数不同的总线。因此，取指令和取数据有可能同时交叠进行，所以在PIC系列微控制器中取指令和执行指令就采用指令流水线结构(如图2所示)。当第一条指令被取出后，随即进入执行阶段，这时可能会从某寄存器取数而送至另一寄存器，或从一端口向寄存器传送数等，但数据不会流经程序总线，而只是在数据总线中流动，因此，在这段时间内，程序总线有空，可以同时取出第二条指令。当第一条指令执行完毕，就可执行第二条指令，同时取出第3条指令，……如此等等。这样，除了第一条指令的取出，其余各条指令的执行和下一条指令的取出是同时进行的，使得在每个时钟周期可以获得最高效率。
　　在大多数微控制器中，取指令和指令执行都是顺序进行的，但在PIC单片机指令流水线结构中，取指令和执行指令在时间上是相互重叠的，所以PIC系列单片机才可能实现单周期指令。
　　只有涉及到改变程序计数器PC值的程序分支指令(例如GOTO、CALL)等才需要两个周期。
　　此外，PIC的结构特点还体现在寄存器组上，如寄存器I/O口、定时器和程序寄存器等都是采用了RAM结构形式，而且都只需要一个周期就可以完成访问和操作。而其它单片机常需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。上述各项，就是PIC系列单片机能做到指令总数少，且大都为单周期指令的重要原因。

　　上述的三层次(级)的PIC 8位单片机还具有很高的代码兼容性，用户很容易将代码从某型号转换到另一个型号中。

PIC系列单片机数据存储器的特点和功能

    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。
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20h～2Fh单元寄存器内容的实例。
　　  MOVLW 0x20  ；20h→w，对指向RAM单元的指针
　　　　　　　　　 ；初始化
　　  MOVWF FSR   ；20h→FSR，FSR指向RAM
LOOP CLRF     INDF ；清除INDF，即清除FSR内容所指
　　　　　　　　   ；向的单元20h→2Fh
　　  INCF 　 FSR   ；（指针）FSR内容加1
　　  BTFSS    FSR，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。
  　　GOTO    LOOP；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20h～2Fh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。
3   A/D转换寄存器　这里摘录一段笔者从网上下载的用PIC16F877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：
　　DEMO　877ASM
　　List　P=16F877
　　org 　　0x00　　　 ；复位向量
　　NOP　　　　　　　 ；空操作
Start Banksel  PORTC　　 ；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 B′01000001′  ；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
　　Banksel  OPTION_REG ；选择OPTION所在
　　　　　　　　　　　   ；数据存储器的存储　　　　　　　　　　　  ；体(实为Bank1)
　　MOVLW B′10000111′  ；设置预分频器TM
　　　　　　　　　　　  ； R0，分频率1∶256
　　MOVWF OPTION　　 ；完成上条指令设置
　　CLRF 　TRISC　　   ；设定RC口(8位)
　　　　　　　　　　　  ；为输出
　　MOVLW B′0001110′　 ；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(1∶256)；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PIC1F877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。