PIC单片机原理及应用(第三版)（上）.ppt

1、1,PIC单片机原理及应用(第三版)上,2,PIC（Periphery Interface Chip）单片微机是美国Microchip公司生产的PIC系列单片机。 PIC系列单片机的硬件系统设计简洁，指令系统设计精炼。在所有的单片机品种中，PIC具有性能完善、功能强大、学习容易、开发应用方便、人机界面友好等突出优点。,第1章 单片机组成结构,3,1.1 微控制器系统,在计算机的发展历史上，特别是在第一台小型控制器件形成以后，沿着两条完全不同的用途、不同的价格、和不同的技术内涵，而被充实于我们的日常生活中。,4,1.1.1 单片机系统,单片机的发展过程和性能的日益完善，实际上是对传统控制技术的一

2、场革命，开创了微控技术的新天地。 现代控制系统的核心内涵就是嵌入式计算机应用系统（MCU），而单片机就是最典型、最广泛、最普及的嵌入式计算机应用系统。,5,单片机的降临，主要也是源于其性能价格比。一般单片机用于控制的目的，而对于其承担的计算功能却要求不高，只要能按照一定的程式进行在线检测和即时控制工作。 目前，各个单片机生产厂家还是立足于8位单片机的竞争，因为从其降临以来，一直成为应用最广泛的器件。2002年美国MICROCHIP和MOTOROLA两家公司，已占据着世界8位单片机产量最高的前两个芯片制造商。,6,一般的单片机的结构可以用图1.2所示的方块图描述，用三大总线（DB、AB、CB）实

3、现模块之间的信息传递。,单片机内部结构,7,单片机的主要应用,人有所思，单片机就可为。单片机的应用必将随着社会的发展和技术的进步，而获得更广阔应用。（系列化的单片机） 电信 家用电器 工业控制 仪器仪表 汽车 玩具,8,单片机有哪些特点,单片机具备体积小、价格低、性能强、速度快、用途广、可靠性高、灵活性强等优点，它与通用的计算机相比，还具有以下一些特点： 存储器ROM和RAM的相互独立 采用面向控制的指令系统 输入/输出端口的强大功能,9,1.1.2 PIC系列单片机,PIC系列单片机，可以满足用户的各种需要。从中档产品PIC16F877作为切入点，提供非常完备、易学易用的MPLAB-ICD集

4、成开发环境。 特别是对于单片机的新手，仿佛从茫然迷惑的大海搭上一艘便捷平稳的小船，感到非常轻松自如。,10,1.2 PIC系列单片机概述,Microchip公司是一家专门致力于单片机开发、研制和生产的制造商，其产品设计起点高，技术领先，性能优越。,11,它不是在一般微型计算机CPU的基础上加以改造，而是独树一帜，采用全新的流水线结构、单字节指令体系、嵌入闪存以及10位A/D转换器，使之具有卓越的性能，代表着单片机发展的新方向。 PIC系列单片机，具有高、中、低三个档次，可以满足不同用户开发的需要，适合在各个领域中的应用。 它具有如下特点:,1.2.1 PIC系列单片机特点,12,PIC系列单片

5、机采用哈佛总线结构，在芯片内部数据总线和指令总线分离，容许采用不同的字节宽度。这样，就为实现指令提取和执行的“流水作业”提供结构保证，即在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指操作。 两总线的分离，也为PIC实现全部指令的单字节化和单周期化创造条件，从而大大提高CPU执行指令的速度和工作效率。,1. 哈佛总线结构,13,单片机总线结构比较,从同一存储器空间取指令和取操作数据。 限制了数据流量。 从两个独立的存储空间分别取指令和存取操作数。 数据流量增加。 针对程序区和数据区可以设计不同的数据线宽度。,程序和 数据 存储器,冯-纽曼结构,8-位,CPU,程序 存储器,数据 存储器,8-位,12/

6、14/16-位,哈佛结构,CPU,14,PIC系列单片机的指令系统，由于采用RISC技术，和一般单片机指令系统通常有上百条指令相比要少得多。,2RISC技术,15,PIC系列单片机只有4种寻址方式：寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址，比较容易掌握。 PIC系列单片机的程序、数据、堆栈三者各自采用互相独立的地址空间，前两者的地址访问需要用户特别注意四个分区的范围，而堆栈过程用户不必参与和操心。,3寻址方式简单寻址空间独立,16,代码压缩率，就是指相同程序存储器空间所能容纳有效指令的数量。 例如：1KB程序存储器空间 MCS-51这样的单片机：只能存放500多条指令 PIC系列单片机：

7、存放多达1024条的指令。,4代码压缩率高,17,由于PIC系列单片机采用CMOS结构，使其功率消耗极低，是目前世界上最低功耗的单片机品种之一。 其中有些型号，在4MHz时钟下工作时耗电不超过2mA，而在睡眠模式下耗电可低到1A以下。 因此，PIC系列单片机，尤其适用于野外移动仪表的控制以及户外免维护的控制系统。,5功耗低,18,I/0端口驱动负载的能力较强，每个输出引脚可以驱动多达20-25mA的负载，既能够高电平直接驱动发光二极管LED、光电藕合器、小型继电器等，也可以低电平直接驱动，这样可大大简化控制电路。 不过，请读者注意，每个引脚的驱动能力并不表示端口引脚同时都具有这样的功效。一般端

8、口驱动能力约60-70mA，而所有输入输出驱动小于200mA，详细数据可参考有关数据手册。,6驱动能力强,19,PIC主要是采用哈佛总线结构，可以同时进行指令读取和指令执行的流水线作业方式。 如： MCS-51 12M，指令执行时间为1s4s PIC 12M时钟周期，指令执行时间为0.3 0.6s,7运行速度高,20,PIC系列单片机的一些型号具有同步串行口，可以满足I2C（主控/从动）和SPI（主控）总线要求。I2C和SPI（Serial Peripheral Interface）分别是PHILIPS公司和MOTOROLA公司研制的两种广泛流行的串行总线标准，是一种在芯片之间实现同步串行数据

9、传输的技术。 利用单片机串行总线端口可以方便而灵活地扩展外围器件，目前已在许多电子产品中得到广泛应用。,8I2C和SPI串行总线端口,21,1.2.2 PIC16F877单片机的结构,从其执行功能考虑，可以将单片机分成两大组件，即内部核心模块和外围功能模块,22,23,PICl6F87X系列单片机有双列直插式28引脚和40引脚及表面贴装式44引脚等几种封装形式。 多数I/O引脚都设计有第2功能，甚至第3功能。采用引脚复用技术，以便使单片机增加功能而又不增大体积和引脚数量。,1.2.3 PIC16F877单片机的引脚,24,25,F877单片机内部配置了较完善的多个存储器，可分为数据存储器和程序

10、存储器两种，为一般用户提供很大的方便。 但它们在形式上，具有很丰富的内涵。,1.3 存储器概述,26,F877单片机内部配置了8K l4位的闪烁（FLASH）程序存储器，可以很方便进行在线擦除和烧写，寿命可达1000次以上。 在PIC系列单片机教学实验和科研开发中，显示出无穷的魅力和宽广的应用前景。 相应的地址编码范围为0000HlFFFH。,1.3.1 程序存储器,27,程序存储器结构,28,F877单片机内部配置两类数据存储器，普通RAM数据存储器和EEPROM失电保持数据存储器。 RAM总的地址空间为512个单元，其中包括部分无效单元,但每一个有效单位均可以象寄存器一样进行移位、置位、复

11、位和位测试等操作。 PIC单片机的数据存储器和其他单片机一样,在配置结构上可分为通用寄存器和特殊功能寄存器两大类，前者给用户使用，而后者通常定义给某些功能模块，是一种具有特殊目的的功能寄存器。,1.3.2 数据存储器,29,同时在PIC16F877片内又配置另一种可掉电保护的数据存储器EEPROM，共有2568位宽的存储单元，可以长期存放用户或系统的重要参数：如时间、配置及数据表格等，是一种非常重要的硬件资源。,30,数据存储器单元功能分配,体（BANK）0 体（BANK）1 体（BANK）2 体（BANK）3,31,存储器是单片机中一个非常重要的部件，专门用于存放指令、数据和运算结果。 分析

12、F877单片机存储器构架，可以从其配置的三大模块着手进行，它们是： 8K l4位FLASH程序存储器 5128位数据存储器RAM 2568位可掉电保护数据的EEPROM存储器模块。,第2章 PIC单片机存储器,32,存储器从使用功能上来分，可分为随机存储器RAM（Random Access Memory）和只读存储器ROM（Read Only Memory）两类。,2.1 存储器分类,33,F877程序存储器具有13位宽的程序计数器PC。PC指针所产生的13位地址最大可寻址的程序存储器空间为8K，相应的地址编码范围为0000HlFFFH。 F877归属于中档单片机，其指令字节宽度为14位，内部

13、构架配置了8K l4位的闪烁FLASH程序存储器。,2.2 程序存储器构架,34,一般将整个程序存储器以2KB为单位进行分页（PAGE），如图2-1所示F877单片机，8KB程序存储器共分作4页，分别称为“页0”、“页l”、“页2”和“页3”。 程序计数器高8位PCLATH的Bit4-Bit3位构成程序存储器分页的选择位，对应的地址空间如下： PCLATH Bit4：Bit3： 0 0 页0：0000H 07FFH 0 1 页l：0800H 0FFFH 1 0 页2：1000H 17FFH 1 1 页3：1800H 1FFFH,35,36,37,PIC16F877 单片机架构程序存储器,最大8

14、K字(13 位) 程序存储空间 程序空间按页面划分，每页2K字 (11 位)；最多四页。 页面选择 PCLATH 复位向量地址 0000h 中断向量地址 0004h,Page 0,0000h,0004h,07FFh,Interrupt,Reset,Page 1,0800h,0FFFh,Page 2,1000h,17FFh,Page 3,1800h,1FFFh,PCLATH = 00,PCLATH = 01,PCLATH = 10,PCLATH = 11,38,程序存储器中有2个单元地址比较特殊，除了具备同其他单元地址一样的普通用途外，还具有专门用途： 0000H：用作单片机系统的复位矢量； 0

15、004H：用作系统特殊模块的中断矢量。,复位矢量中断矢量,39,F877用于存储数据的RAM单元比一般单片机RAM的功能要强大得多，它除了具备普通RAM的功能之外，每一个单元都能实现移位、置位、复位和位测试等通常由寄存器才能完成的功能操作。,2.3 数据存储器构架,40,RAM数据存储器和FLASH程序存储器一样在空间构架上，进行类似方式进行分区。按横向排列，分为4个“体”（BANK），从左到右分别记为“体0”、“体1”、“体2”和“体3”，每个体为128个8位宽的存储器单元。 RP1：RP0 体域 寄存器地址 0 0 体0： 000H 07FH 0 1 体1： 080H 0FFH 1 0 体

16、2： 100H l7FH 1 1 体3： 180H lFFH,数据存储器分区,41,数据存储器,四个存储体每个 128 字节 特殊功能寄存器 存储体选择通过 Status中的 RP0,1 和 IRP 512单元 368有效GPR,GPRs,SFRs,Bank0,000h,01Fh,020h,07Fh,GPRs,SFRs,Bank1,080h,09Fh,0A0h,0FFh,0F0h,GPRs,SFRs,Bank2,100h,11Fh,120h,17Fh,170h,GPRs,SFRs,Bank3,180h,19Fh,1A0h,1FFh,1F0h,RP RP RP RP = 00 = 01 = 10

17、 = 11,42,43,有些寄存器单元在4个体上是互相映射的，如状态寄存器STATUS、间接寻址寄存器INDF、程序计数器低8位PCL、文件选择寄存器FSR、程序计数器高8位PCLATH和中断控制寄存器INTCON。 所谓互为映射就是说，在4个体内的相同位置，物理上对应同一个寄存器单元，所以该单元具备4个不同的地址。,互相映射,44,F877单片机的通用寄存器GPR（General Purpose Registers），可由用户自行支配存放随机数据。 地址区域：F0HFFH、170Hl7FH和1F0H1FFH，都可以索引（或映射）到体0的16个RAM单元。 这样安排是为了便于中断服务程序的设计

18、和数据处理，就可以在程序设计中能够有效突破体的限制而定义通用的变量函数。,2.3.1 通用寄存器,45,特殊功能寄存器SFR（Special Function Registers）是用于专用目的的寄存器，每个寄存器单元，甚至其中的每一位，都有它自己特定的名称和用途。 主要涉及PIC内核结构、外围功能模块的配置和数据通信方式的定义，是单片机赖于正常运行的工作平台。所以，特殊功能寄存器又称为专用寄存器。 可以依据它们不同的用途分为两类：一类是与CPU内核相关的寄存器；另一类是与外围模块相关的寄存器。,2.3.2 特殊功能寄存器,46,状态寄存器的内容用来记录算术逻辑单元ALU的运算结果状态、CPU的特殊运行状态以及RAM数据存储器体间选择等信息。,1状态寄存器STATUS,47,Bit0C：进位/借位标志，被动参数。 0：执行加法（或减法）指令时，如果最高位无进位（或有借位）； 1：执行加法（或减法）指令时，如果最高位有进位（或无借位）。,状态标志位,48,Bit1DC：辅助进位/借位标志，被动参数。 0：执行加法（或减法）指令时，如果低4位向高4位无进