PIC单片机硬件系统

第二章

PIC16F877硬件系统慨况2.0PIC16F87X芯片引脚图2.140脚PIC16F87X引脚功能说明2.2PIC16F87X内部结构方框图2.3程序存储器和堆栈2.4RAM数据存储器（文件寄存器）2.5PIC系列单片机的复位功能2.6PIC单片机的系统时钟2.040脚DIP封装的PIC16F87X芯片引脚图PIC16F87XmicrochipFLASH型/MCLRRA0RA1RA2RA3RA4RA5RE0RE1RE2VddVssOSC1OSC2RC0RC1RC2RC3RD0RD1RB7RB6RB5RB4RB3RB2RB1RB0VddVssRD7RD6RD5RD4RC7RC6RC5RC4RD3RD2端口A：RA（6线）端口B：RB（8线）端口C：RC（8线）端口D：RD（8线）端口E：RE（3线）注：①只列出引脚的基本功能；②28脚芯片只有RA、RB

和RC端口。返回本章目录课堂练习：PIC16F877A引脚?A,B,C,D,E端口的IO个数？在了解PIC16F877的引脚时，要注意两点：引脚的“复用功能”；通过引脚的复用功能来认知PIC单片机内部各功能模块的结构、特点。2.1：40脚PIC16F87X引脚功能说明（参见25页）引脚名称PID类型复用功能说明（部分）OSC1/CLKIN13I外接晶体振荡器/外时钟输入OSC2/CLKOUT14O外接晶体振荡器/时钟输出端/MCLRVpp1I/O复位端／外加编程+12V电压输入端端口A（6线）：输入/输出可编程双向端口、第2、3功能。RA0/AN02I/OI/O口（下同）/第0路模拟信号输入RA1/AN13I/O第1路模拟信号输入端RA2/AN2/Vr-4I/O第2路模拟输入端、负参考电压输入RA3/AN3/Vr+5I/O第3路模拟输入端、正参考电压输入RA4/T0CKI6I/O定时器0时钟输入端RA5/AN4/SS7I/O第4路模拟输入、同步串口选择端。引脚名称PID类型复用功能说明端口B：输入/输出可编程双向端口，做输入时内部有可编程的弱上拉电路。此外还有第2、3功能。RB0/INT33I/OI/O端口（下同）/外中断INT输入端RB134I/ORB235I/ORB3/PGM36I/O低电压编程输入端（内部电源泵）RB437I/O具有电平变化中断功能RB538I/O具有电平变化中断功能RB6/PGC39I/O电平变化中断功能，兼在线调试、串行在线编程的时钟、数据输入。RB7/PGD40I/O引脚名称PID类型复用功能说明端口C：输入/输出可编程双向端口，此外还有第2、3功能。RC0/T1OSO/T1CKI15I/OTMR1的震荡输入

/时钟输出RC1/T1OSI/CCP216I/O可做定时器1震荡输出

/捕捉器2的输入或输出/脉宽调制器PWM2的输出。RC2/CCP117I/O可做捕捉器1的输入，或比较器1的输出，或脉宽调制器PWM1的输出。RC3/SCK/SCL18I/O可做SPI、I2C串口同步脉冲输入、输出RC4/SDI/SDA23I/OSPI数据输入

/I2C数据输入/输出端。RC5/SDO24I/OSPI串口的数据输出端。RC6/TX/CK25I/O还可做同步/异步收发器USART的全双工异步发送脚、半双工同步传送的时钟RC7/RX/DX26I/O还可做同步/异步收发器USART的全双工异步接收脚、半双工同步传送的数据引脚名称PID类型复用功能说明端口D：输入/输出可编程双向端口，此外全部引脚都有第2功能。RD0/PSP019I/O还可作为从动并行端口PSP实现与其他的微处理器总线的连接RD1/PSP120I/ORD2/PSP221I/ORD3/PSP322I/ORD4/PSP427I/ORD5/PSP528I/ORD6/PSP629I/ORD7/PSP730I/O引脚名称PID类型功能说明端口RE:输入/输出可编程双向3线端口，此外全部引脚都有第2、3功能。RE0/RD/AN58I/OPSP的读出控制线/模拟5道RE1/WR/AN69I/OPSP的写入控制线/模拟6道RE2/CS/AN710I/OPSP的片选控制线/模拟7道电源等Vss12,31P接地端Vdd11,32P正电源端返回本章目录2.2：PIC16F87X内部结构方框图为了便于分析、理解，可以将PIC16F87X内部结构分为：内部核心模块、外围模块两个区域。核心模块：是PIC系列单片机任何一款都必不可少的；外围模块：则由生产厂家根据设计目标灵活的“拼装”和“剪裁”，因而派生出许许多多的系列和型号，以使产品在应用中达到最佳的“性价比”。我们仍然以PIC16F87X系列（重点介绍PIC16F877)为主，来分析PIC单片机的内部结构。端口E端口D端口B端口C端口AEEPROM数据存储器A/D转换器捕捉,比较,PWM1捕捉,比较,PWM2同步串口通用同步/异步收发器8位从动并行端口定时器2定时器1定时器0FLASH程序存储器8K*14程序计数器数据存储器RAM368X88级堆栈13位指令寄存器地址复用器间址寄存器状态寄存器数据复用器ALUW寄存器指令译码器时基发生器RAM地址（9位）程序总线（14位）内部数据总线8位直接地址7位PIC16F877结构简图8838返回前一次上电延时起振延时上电复位WDT欠压复位在线调时低压编程2.2.1：PIC16F87X的核心模块区域1.程序存储器：存放程序、常数和表格。规格：8K*14的FLASH；2.程序计数器：为程序存储器提供指令地址的13位计数器（寻址范围8K）。 初始状态为全零，每执行一条指令自动加一；3.堆栈：保存程序断点地址。当调用子程序或发生中断时，将断点地址自动 压入堆栈，结构为8*13即可以有8级的断点保护（不同于 MCS51）。4.指令寄存器：暂存从程序存储器中取出的指令。将指令的操作码和数据进 行分离，分别送到不同的逻辑电路；5.指令译码器和控制器：将指令寄存器送来的操作码进行译码，产生一系列 的微操作，控制个功能电路协调工作，完成指令的功能。结构图6.算术逻辑单元ALU：实现算术和逻辑运算操作；7.工作寄存器W：指令使用频率很高的寄存器,比如存放要参加运算的数据和暂存运算结果，类似MCS-51的累加器A；8.状态寄存器STATUS(类似MCS-51的PSW)： ①反映运算结果的状态如：进位、借位、结果是否为全零等； ②控制RAM中4个体的体选。9.数据复用器：用来选择参加运算的数据来源：数据可以是来自RAM存储 器，也可以是来自程序存储器中的常数。10.数据存储器RAM：存放运算的中间结果。RAM单元具有移位、置位、清零和位测试等只有寄存器才有的功能，所以这些RAM单元也称“文件寄存器”。整个分为体0、体1、体2和体3四个体，由status中的rp0、rp1来设定。上电复位时指向体0。结构图11.地址复用器：提供访问数据寄存器所需要的RAM地址。地址可以来源于 间址寄存器FSR，也可来自指令码中的直接地址；12.间址寄存器FSR（文件选择寄存器）：存储间接地址，执行相应的指令前要事先将要访问数据的RAM地址存入FSR中（类似于MCS-51的Ri）；13.时基发生器：产生内部各功能电路工作时所需的时钟信号；14.上电复位电路：芯片上电后Vdd上升到一定值（1.6～1.8V）后，电路产 生一个复位脉冲使单片机复位。15.上电延时电路：为了保证电源电压上升到足够高时再使单片机工作。电路提供一个72ms的延时时间以确保CPU在电源电压达到正常值时工作（如果CPU在电源电压偏低的情况下工作时，会发生错误的操作）。结构图16.起振延时电路：当芯片上电延时后，该电路再提供一个1024个时钟周 期的延时，以保证振荡器有足够的时间来产生稳定的时钟信号；17.看门狗定时器WDT：自带RC振荡器时钟源的定时器。用来监视程序的运行状态。如果因某种原因使程序“脱离了”正常的“轨道”而“死机”时，能够强行将CPU复位，使系统从0000开始重新执行程序。18.欠压复位电路：当芯片的电源电压低于某个值时，CPU将不能正确的执行指令，这样系统将会产生不可想象的后果。为了防止这种情况的发生，PIC内部设立了电源监控电路，一旦电源电压低于某一个值时，系统将自动产生复位，直到电源Vdd恢复正常后再延时72ms，CPU才由复位状态转向运行状态。结构图19.在线调试电路：实现对于焊接在板子上的PIC16F87X芯片的在线调 试。当然，必须使用microchip公司提供的 “MAPLAB—IDE”调试软件的支持。20.低电压编程电路：PIC16F87X芯片可以实现在线串口编程。使用芯片电源（+5V)，通过芯片内部的“电源泵”将5V升为高压完成编程（固化程序），而不是一般的单片机使用的外加高电压输入编程。21.数据总线：8位宽度，内部数据的通道，也是连接各外围模块的连接 通道。22.程序通道：14位的取指高速通道。专职实现从程序存储器到指令寄 存器的指令快速传递。结构图2.2.2：PIC16F87X的外围模块区域PIC的外围模块种类较多、功能也比较复杂，不同的型号其配制不同。对于学习PIC这门课程，可以先“绕过”这里的一些复杂的环节，等到后面的相应章节中作专题讲解。这里先对PIC的外围模块预先做一个简要的介绍：1.端口RA模块：6线可编程I/O端口，有第2、3功能；2.端口RB模块：8线可编程I/O端口，有第2、3功能；3.端口RC模块：8线可编程I/O端口，有第2、3功能；4.定时器TMR0模块：8位可编程定时/计数器。5.定时器TMR1模块：16位可编程定时/计数器，与捕捉/比较/脉宽调制器CCP模块配合使用，实现捕捉、比较功能；6.定时器TMR2模块：8位可编程定时器，不能做计数器使用，与捕捉/比较/脉宽调制器CCP模块配合使用，实现脉宽调制输出功能；7.EEPROM数据存储模块：128*8的电擦/写的存储器，掉电时数据不丢失；8.A/D转换器：10位转换精度，有5/8路；9.捕捉/比较/脉宽调制CCP1、CCP2模块：两个几乎完全一样的CCP模块，与TMR1、TMR2配合使用可以实现输入捕捉，输出比较和脉宽调制PMW输出功能。 ①输入捕捉：用于测量信号的周期、脉宽和频率等；

②输出比较：功能用于产生宽度不同的正负方波信号，用于驱动可控 硅、继电器等；

③脉宽调制输出：用于产生周期固定、脉宽可调的周期性的方波信 号，以驱动可控硅、步进电机等；10.主同步串行端口MSSP模块：

具有SPI和I2C两种工作模式，用于与SPI和I2C串行端口的外接器件或单片机进行通信；

①

SPI:serialperipheralinterface外围串行接口；

②

I2C:interintegratedcircuitbus电路板级集成芯片间总线。11.通用同步/异步收发器USART模块：

用于实现二线式的串行通信，有两种工作方式：

①全双工异步方式。用于与微机或单片机系统的通信； ②半双工同步方式。用于与A/D、D/A、串行EEPROM等器件的通信。12.并行从动端口PSP模块：用于与其它具有开放总线的单片机、数据处理器或微处理器并行数据总线连接，进行高速的数据传送和交换。因为总线的使用、控制权由与PIC连接的外部系统掌握，所以称其为“并行从动端口”；返回本章目录2.3程序存储器和堆栈（参见45页）PIC16F87X系列单片机具有一个13位的程序计数器，其寻址范围为213=8K（1024*8=8192个字节），对应的寻址范围是：0000H～1FFFH。PIC16F87X系列单片机程序存储器容量表型号存储器容量地址范围PIC16F874/8778K*140000～1FFFHPIC16F873/8764K*140000～0FFFHPIC16F870/871/8722K*140000～07FFH堆栈级1堆栈级2……堆栈级8复位矢量中断矢量PC<12:0>0000H0004H1FFFH07FFH0800H第0页第1页第2页第3页1800H17FFH1000H0FFFH1313PIC16F877内部程序存储器和堆栈示意图将程序存储器每2K为一页，这样：PIC16F877的8K*14空间可以划分为四个页（如图所示）。第0页中的0000H、0004H单元为两个特殊的“上电复位矢量”单元和“中断矢量”入口单元”。独立于RAMPIC16F87X系列单片机采用的是“硬件堆栈”方式，堆栈深度为8级。“硬件堆栈”：CPU执行CALL指令或响应中断时，程序跳转且自动地把当前程序计数器PC的内容（断点）压入堆栈；返回时将堆栈中的断点地址自动“弹到”程序计数器PC中，使CPU恢复执行原来的程序——（同MCS-51）；由于PIC的堆栈是专门存储程序断点的（13位），所以此堆栈不能用来存储数据，所以PIC没有专用的“进栈”、“出栈”指令——（不同于MCS-51）。返回本章目录2.4RAM数据存储器（文件寄存器）参见47页PIC16F87X系列单片机的RAM单元包含了通用寄存器和专用寄存器。都可以实现：移位、置位、清零和位测试等复杂操作，所以在microchip公司的技术资料中，常常把其RAM又称为“文件寄存器”（在MCS51中只有累加器A才具备上述功能）。由于指令代码中直接寻址位数的限制，将512B的存储空间分为四个体（Bank)：即体0、体1、体2和体3。由status中的rp0、rp1来设定。每一个体中有128个单元。PIC16F87X的RAM按照功能划分：①特殊功能寄存器。在每一个体中的上半部分；②通用寄存器。占用每一个体中的下半部分。PIC单片机的RAM操作，首先要通过status中的rp0、rp1位的设置，来确定被访问单元所在的“体”的位置，然后才能对该单元进行访问！这种方式多少为编程者带来了不便。其原因是PIC的指令系统的访问内存指令中的直接地址的有效位数不够（只有7位地址）；如果使用C语言编程（PICC）上述问题可以忽略。PIC单片机的RAM访问注意事项PIC16F87X数据存储器RAM结构图（简图）INDFTMR0OP_REGTMR0OP_REGPCLSTATUSFSRPORTATRISA----------------PORTBTRISBPORTBTRISBPORTCTRISC----------------PCLATHINTCON通用寄存器通用寄存器通用寄存器通用寄存器00H1FH80H9FH100H10FH180H18FH20H6FH70H7FHA0HEFHF0HFFH110H16FH170H17FH190H1EFH1F0H1FFH返回上一次2.4.1通用寄存器（参见51页）通用寄存器（GPRgeneralpurposeregisters)PIC16F87X系列不同型号RAM配置的数量不同，在同一型号中的不同的“体”中数量也各不相同（以PIC16F877为例）： ①在体0中有96个RAM单元，地址为：20H～7FH； ②在体1中有80个RAM单元，地址为：A0H～EFH； ③在体2中有96个RAM单元,地址为：110H～16FH； ④在体3中有96个RAM单元,地址为：190H～1EFH；注意：体1-体3的最后16个单元实际上是不存在的，但可以使用其地址来访问，但是真正被访问的单元不是地址所对应的体1-体3的对应单元，而是在体0中所“影射”的单元。

【例如】访问体1中的F0H单元时，真正被访问的却是体1中的70H单元。体2、体3也是如此。我们将体0中70H～7FH的16个单元称之为体1-3的影射区；影射区的好处是在一些较特殊的场合（如中断响应时）对数据的保护可以省掉对RAM的体选操作）具体将在后面相关的章节中介绍。PIC16F877RAM中通用寄存器的结构通用寄存器80B映射到70～7FH通用寄存器16B通用寄存器80B映射到70～7FH通用寄存器16B通用寄存器80B映射到70～7FH通用寄存器96B00H1FH20H70H7FH80H9FHA0HEFHF0HFFH100H10FH110H11FH120H16FH170H17FH180H18FH1A0H19FH18FH1EFH1F0H1FFH2.4.2特殊功能寄存器与通用寄存器不同，特殊功能寄存器在PIC16F87X系列中4个体中的布局保持了一致（重叠式设计），这是考虑到编程时节省选体操作、同时工程技术人员在使用PIC16F87X系列中不同产品之间编程时的兼容性（参见结构图）。将特殊功能寄存器划分为：

①与CPU内核相关的特殊功能寄存器； ②与外围模块相关的特殊功能寄存器。为了便于学习和掌握，先分析与CPU相关的特殊功能寄存器,而与外围模块相关的寄存器放到相关的章节中介绍。有六个比较常用、重要的特殊功能寄存器：状态寄存器STATUS；间接寻址寄存器INDF；程序计数器低八位PCL；文件选择寄存器FSR；程序计数器高位锁存器PCLATH；中断控制寄存器INCON。

它们在四个体上地址是互相映像的，在物理上是同一个寄存器单元。还有一些寄存器在体0、体1（或体2、体3）内是相互映像的。这种设计的好处：访问时不受“体选”的约束，简化编程。寄存器简图（一）状态寄存器STATUS

用于记录算术逻辑单元ALU的运算状态和算术特征、CPU的特殊运行状态、以及RAM数据存储器的体选择等信息。在RAM中的地址分别为03H（体0）、83H（体1）、103H（体2）和183H（体3），在四个体上的位置是相互影射的；地址映射可理解为：物理上只有体0上的STATUS，而其它体上的位置为“空”，访问时都与体0的STATUS产生关系。这种设计为编程带来方便，避免了要预先“选体”的麻烦（参见52页）。IRPPR1PR0/TO/PDZDCCyD7D0RAM结构图状态寄存器STATUS详解符号位说明CBit0进位/借位标志DCBit1辅助进位/借位标志位（数据字节中的高4位与低4位之间）ZBit2=1表明运算结果为零；反之=0时表明运算结果不为零。/PDBit3降耗标志位（低电平为有效）。初始加电或看门狗清零（clrwdt）执行后=1，睡眠指令（sleep）执行后该位清零。/TOBit4超时标志（低电平为有效）。初始加电或看门狗清零（clrwdt）执行后=1。若看门狗发生超时/TO=0。PR0PR1Bit5Bit6RAM数据存储器的体选位，仅用于直接寻址。由PR1、PR0的四种组合对应体0～体3。IRPBit7RAM数据存储器的体选位，仅用于间接寻址方式。（二）与间接寻址相关的INDF和FSRINDF是RAM最顶端的寄存器，地址为00H，但是它是一个“空寄存器”，即只有地址而没有其物理上的寄存器；与FSR配合实现间接寻址。当寻址INDF寄存器时，实际上是访问以FSR内容为地址的RAM单元。使用这种方法可以使指令系统得到极大的简化。 例如MOVFINDF，W

；实际上是按照FSR的内容为 地址，从RAM中取数据到W

假如FSR的内容为30H，则指令执行的结果：将RAM30H中的数据送W。这一点FSR很像MCS-51中的简址寄存器Ri，所以FSR要事先赋值（RAM地址）。RAM结构图PIC单片机的RAM有两种寻址方式： ①直接寻址：使用状态寄存器STATUS中的PR1、PR0进行体选；体内的地址（7位）由指令中7位地址码提供； ②间接寻址：使用STATUS中的IRP和FSR的第7位选体，体内地址由FSR的低7位提供（详见下图）。数据存储器RAM的寻址示意图00H7FH80HFFH100H17FH180H1FFH6来自指令

0PR1PR0IRP7FSR寄存器

0

RAM单元选择单元选择间接寻址的体选直接寻址的体选00011011体0体1体2体3STATUS寄存器（三）与程序计数器PC相关的PCL和PCLATH程序计数器PC是一个13位宽度的程序指针（访问空间213=8192），它时刻指向CPU下一步要执行的那条指令。为了能与其他8位宽度的寄存器进行数据交换，将PC设计成PCL（8位）和PCH（5位）两个部分，其中PCL有自己的地址（02H等）以便进行读写，而高5位的PCH却因为没有地址不能用软件访问，即不能直接访问（写入）。PCH(5bit)PCL(8bit)程序计数器PCRAM结构图高5位PCH的修改只能通过PCLATH寄存器以“装载”的方式完成。而装载又分两种情况：①当执行以PC为目标的写操作时，PC的低八位来自ALU，而PC的高5位来自PCLATH的低5位；

②当执行跳转指令GOTO或子程序调用指令CALL时，PC的低11位地址直接来自指令所携带的11位地址，而PCH的高2位来自PCLATH的第3、4位。程序计数器PC中13位地址的形成示意图---PCLATH12PCH87PCL0来自ALU（8位）

------PCLATH12PCH1110PCL0来自指令码（11位）

执行以PCL为目标的指令时执行GOTO或CALL调用指令时（四）电源控制寄存器PCON电源控制寄存器PCON只有两个有效位：bit0、bit1。两个标志位是分别用来：

1，纪录、区分：