PIC单片机原理及应用10.ppt
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1、PIC单片机原理及应用,1,主讲:许辉 邮箱:,PIC单片机原理及应用实验,2,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 (12学时) 综合设计实验 (4学时),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,3,1.1 PIC单片机简介,1、 PIC单片机是由Microchip Technology Inc.(美国微芯科技公司)推出的系列产品。美国微芯科技公司成立于1989年,是全球领先的单片机和模拟半导体供应商。 2、 PIC单片机(Pe
2、ripheral Interface Controller)是一种用来开发控制外围设备的可编程集成电路(IC)。一种具有分散作用(多任务)功能的CPU。内部采用了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。,4,1.2 PIC单片机产品系列,PICmicro 单片机 Microchip的8位和16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(
3、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dsPIC33F 16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。,5,1.2 PIC单片机产品系列,6,1.3 主要应用领域,7,7,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aduc 51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
4、.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; AVR:通用性,使用也很广泛,具有高速处理能力,在一个时钟周期内可执行复杂的指令; MSP430:低功耗应用,经常被电池、仪表应用设计师所选用,8,1.5 PIC单片机特点,9,1、哈佛结构,1.5 PIC单片机特点,2、 RISC技术/指令集(汇编指令) RISC技术(Reduded Instruction Set Computer-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,10,1K字节的存储器空
5、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,1.6 PIC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60-70mA,11,1.5 PIC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,
6、CAN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 ,12,13,1.6 PIC单片机命名规则,1、 8位PIC单片机编号包括下列5个部分: 2、器件类型和代号关系,PICXXXXXXX -XX X /XX XXX 器件类型 振荡频率 温度 封装 存储器编程方式,14,1.6 PIC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:,1.6 PIC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FL
7、ASH: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,15,16,1.6 PIC单片机命名规则,dsPIC30F产品器件编号规则,1.7 单片机开发流程,17,PIC单片机原理及应用,第2章 结构,18,2.1 内部结构,19,CPU 内核是器件运行所必需的基本部分。 CPU 数据存储器 程序存储器 DSP 引擎 中断,系统集成可以降低系统成本提高系统可靠性提高设
8、计灵活性。 振荡器 复位 看门狗定时器和低功耗模式 闪存和EEPROM 编程 器件配置 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,20,20,21,2.2 CPU 内核,CPU 内核采用16 位(数据)改良的哈佛架构,并带有增强型指令集包含对DSP 的有力支持。 CPU 拥有24 位指令字,指令字带有
9、长度可变的操作码字段。 程序计数器(PC)为24 位宽,可以寻址高达4M 24 位的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。 除了改变程序流的指令、双字移动(MOV.D)指令和表指令以外,所有指令都在单个周期内执行。使用DO 和REPEAT 指令支持无开销的程序循环结构,这两个指令在任何时候都可被中断。,22,23,2.2.1 算术逻辑单元(ALU),dsPIC30F ALU 为16 位宽,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 位或16 位操作。根据指令的寻址模式
10、,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。 在减法操作中,C 和DC 位分别作为借位和辅助借位位。,24,2.2.2 DSP 引擎,DSP 引擎由一个高速17 位x 17 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。 dsPIC30F 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
11、 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 )。,25,26,2.2.3 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. DIVF16/16 有符号小数除
12、法 2. DIV.sd32/16 有符号除法 3. DIV.ud32/16 无符号除法 4. DIV.s16/16 有符号除法 5. DIV.u16/16 无符号除法 除法指令必须在一个REPEAT 循环内执行。,27,2.2.4 编程模型,由16个16 位工作寄存器(W0至W15 )、2个40位累加器(ACCA和ACCB)、状态寄存器(SR)、数据表页寄存器(TBLPAG )、程序空间可视性页寄存器(PSVPAG )、DO 和REPEAT 寄存器DOSTART 、DOEND、DCOUNT 和RCOUNT)以及程序计数器(PC)组成。 工作寄存器 可作为数据、地址或偏移量寄存器。 所有寄存器都
13、是存储器映射的。 W0用作进行文件寄存器寻址的W寄存器。 影子寄存器 影子寄存器用作临时保持寄存器,事件发生时可在影子寄存器和主寄存器之间传递内容。 所有影子寄存器均不能直接访问。,28,状态寄存器 内核有一个16 位状态寄存器(SR),其最低有效字节称为SR 低字节(SR Low Byte,SRL),其最高有效字节称为SR 高字节(SR High Byte,SRH)。 SRL包含所有的DSP ALU 运算状态标志位(包括Z 位),以及CPU中断优先级状态位IPL 和REPEAT有效状态位RA。 在异常处理期间,SRL 与PC 的MSB 连接起来形成一个完整的字值,然后将该字值压入堆栈。 SR
14、 寄存器的高字节包含DSP 加法器/ 减法器状态位、 DO 循环有效位(DA)和半进位(DC)状态位。 程序计数器 程序计数器为23 位宽,bit 0 始终清零; 因此,PC能够寻址最多4M 指令字。,29,PUSH.S 和POP.S用于执行函数调用或中断服务程序,W0、W1、W2、W3 和SR (仅限DC、N、OV、Z 和C 位)是与之对应的影子寄存器,可进行内容传递。 DO指令 循环开始时,DOSTART 、DOEND 和DCOUNT寄存器的内容压入影子寄存器,在循环结束时其内容从各自的影子寄存器中弹出。 对工作寄存器进行字节操作时,只影响目标寄存器的低字节(Least Significa
15、nt Byte,LSB )。,30,31,32,2.2.5 软件堆栈指针/ 帧指针,软件堆栈指针总是指向软件堆栈第一个可用的空字,并从低地址到高地址填充软件堆栈。堆栈出栈(读)时,堆栈指针先减;堆栈进栈(写)时,堆栈指针后加。 W15是专用的软件堆栈指针(Stack Pointer,SP),异常处理、子程序调用与返回时会自动修改W15 。W15 也可被任何指令所引用,引用方式与引用所有其他W 寄存器相同。 W14 软件堆栈帧指针,因为通过使用LNK(link ,连接)和ULNKunlink ,不连接)指令可以把它用作堆栈帧指针。当不用作帧指针时,W14 可被指令当作普通的工作寄存器使用。,33
16、,34,2.2.5 CPU 寄存器描述,SR:CPU 状态寄存器 16 位状态寄存器(SR),它的低字节称为低状态寄存器SRL,的高字节称为SRH。 SRL 包含了所有的MCU ALU 操作状态标志,加上CPU 中断优先级状态位IPL 和REPEAT循环有效状态位RA(SR)。 SRH 包含DSP 加法器/ 减法器状态位、DO 循环有效位DA (SR)和辅助进位标志位DC(SR)。 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IPL (SR)相连形成CPU 中断优先级。,35,TBLPAG :表页寄存器 TBLP
17、AG 寄存器用于在读表和写表操作过程中保存程序存储器地址的高8 位。表指令用于传输程序存储空间和数据存储空间之间的数据。 PSVPAG :程序空间可视性页寄存器 程序空间可视性允许用户将程序存储空间的32 KB 区域映射到数据地址空间的高32 KB。 此特性允许通过在数据存储器上操作的dsPIC30F 指令对常数数据进行透明访问。 PSVPAG 寄存器选择映射到数据地址空间的程序存储空间的32 KB 区域。 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)。,36,XMODSRT, XMODEND:X 模起始和结束地址寄存器 XMODSRT 和XMODEND
18、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。 DISICNT :禁止中断计数寄存器 DISI 指令使用DISICNT 寄存器将优先级为1-6的中断在指定的几个周期内禁止。,37,2.3 .1 数据地址空间 数据宽度为16 位。所有内部寄存器和数据空间存储器都是以16 位宽度组织的。 数据存储器具有两个数据空间X 和Y 数据空
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