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1、中山火炬职业技术学院,第二章 PIC16F877硬件系统慨况,2.0 PIC16F87X芯片引脚图2.1 40脚PIC16F87X引脚功能说明2.2 PIC16F87X内部结构方框图2.3 程序存储器和堆栈2.4 RAM数据存储器（文件寄存器）2.5 PIC系列单片机的复位功能2.6 PIC单片机的系统时钟,中山火炬职业技术学院,2.0 40脚DIP封装的PIC16F87X芯片引脚图,PIC16F87XmicrochipFLASH型,/MCLRRA0RA1RA2RA3RA4RA5RE0RE1RE2V ddV ssOSC1OSC2RC0RC1RC2RC3RD0RD1,RB7RB6RB5RB4RB
2、3RB2RB1RB0V ddV ssRD7RD6RD5RD4RC7RC6RC5RC4RD3RD2,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：只列出引脚的基本功能；28脚芯片只有RA、RB 和RC端口。,返回本章目录,中山火炬职业技术学院,课堂练习：PIC16F877A引脚?A,B,C,D,E端口的IO个数？,中山火炬职业技术学院,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。,中山火炬职业技术学院,2.1：40脚PIC16F87X引脚功能说明（参见
3、25页）,中山火炬职业技术学院,中山火炬职业技术学院,中山火炬职业技术学院,中山火炬职业技术学院,返回本章目录,中山火炬职业技术学院,课堂练习：外接编程器的IO口是?,中山火炬职业技术学院,课堂练习：外部中断输入端口的IO？,中山火炬职业技术学院,课堂练习：模拟输入端口的IO？,中山火炬职业技术学院,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
4、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。,中山火炬职业技术学院,端口E,端口D,端口B,端口C,端口A,EEPROM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0,FLASH程序存储器8K*14,程序计数器,数据存储器RAM 368X8,8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,ALU,W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
5、,PIC16F877结构简图,8,8,3,8,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,中山火炬职业技术学院,：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.
6、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,中山火炬职业技术学院,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)：反映运算结果的状态如：进位、借位、结果是否为全零等；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
7、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,中山火炬职业技术学院,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（1.61.
8、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,中山火炬职业技术学院,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.
9、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,中山火炬职业技术学院,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
10、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,中山火炬职业技术学院,课堂练习：PIC16F877堆栈的级别？,中山火炬职业技术学院,课堂练习：PIC16F877的上电延时电路的用途？,中山火炬职业技术学院,课堂练习：PIC16F877的震荡延时电路的用途？,中山火炬职业技术学院,：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
11、“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；,中山火炬职业技术学院,7.EEPR
12、OM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。输入捕捉：用于测量信号的周期、脉宽和频率等；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；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；,中山火炬职业技术学院,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
13、器件或单片机进行通信；SPI:serial peripheral interface 外围串行接口；I2C:inter integrated circuit bus 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：全双工异步方式。用于与微机或单片机系统的通信；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
14、本章目录,中山火炬职业技术学院,课堂练习：PIC16F877的EEPROM的容量？,中山火炬职业技术学院,课堂练习：PIC16F877的定时器的数量？,中山火炬职业技术学院,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：0000H1FFFH。PIC16F87X系列单片机程序存储器容量表,中山火炬职业技术学院,PC,0000H,0004H,1FFFH,07FFH,0800H,第0页,第1页,第2页,第3页,1800H,17FFH,1000H,0FFFH,13,13,PIC
15、16F877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RAM,中山火炬职业技术学院,PIC16F87X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
16、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,中山火炬职业技术学院,2.4 RAM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。PIC16
17、F87X的RAM按照功能划分：特殊功能寄存器。在每一个体中的上半部分；通用寄存器。占用每一个体中的下半部分。,中山火炬职业技术学院,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,中山火炬职业技术学院,PIC16F87X数据存储器RAM结构图（简图）,返回上一次,中山火炬职业技术学院,2.4.1 通用寄存器（参
18、见51页）,通用寄存器（GPR general purpose registers)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）：在体0中有96个RAM单元，地址为：20H7FH；在体1中有80个RAM单元，地址为：A0HEFH；在体2中有96个RAM单元,地址为：110H16FH；在体3中有96个RAM单元,地址为：190H1EFH；,中山火炬职业技术学院,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
19、。【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70H7FH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。,中山火炬职业技术学院,PIC16F877 RAM中通用寄存器的结构,00H,1FH,20H,70H,7FH,80H,9FH,A0H,EFH,F0H,FFH,100H,10FH,110H,11FH,120H,16FH,170H,17FH,180H,18FH,1A0H,19FH,18FH,1EFH,1F0H,1FFH,中山火炬职业
20、技术学院,2.4.2 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：与CPU内核相关的特殊功能寄存器；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。,中山火炬职业技术学院,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
21、；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,中山火炬职业技术学院,（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”，
22、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）。,D7,D0,RAM结构图,中山火炬职业技术学院,状态寄存器 STATUS 详解,中山火炬职业技术学院,（二）与间接寻址相关的INDF和FSR,INDF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 MOVF INDF，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，
23、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,中山火炬职业技术学院,PIC单片机的RAM有两种寻址方式：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；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）。,中山火炬职业技术学院,数据存储器RAM的寻址示意图,6 来自指令 0 PR1 PR0,IRP 7 FSR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,00 01
24、 10 11,体0 体1 体2 体3,STATUS寄存器,中山火炬职业技术学院,（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PC,RAM结构图,中山火炬职业技术学院,高5位PCH的修改只能通过PCLATH寄存器以“装载”
25、的方式完成。而装载又分两种情况：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；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。,中山火炬职业技术学院,程序计数器PC中13位地址的形成示意图,PCLATH,12 PCH 8 7 PCL 0,来自ALU（8位）,PCLATH,12 PCH11 10 PCL 0,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,中山火炬职业技术学院,（四）电源控制寄存器PCON,电源控制
26、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：复位是上电复位或/MCLR输入低电平还是“看门狗”引起的复位；2，记录和鉴别是否发生了掉电（电压跌落）复位。,返回本章目录,中山火炬职业技术学院,由于PIC单片机具有多种复位功能。造成复位的原因不同，对单片机内部寄存器、标志和状态影响都不同，所以应当在程序的开始部分可以加上对/POR和/BOR等标志的判断，以查清当前复位产生的原因，即程序运行的背景是什么：是原始的上电复位?(/POR=0?)；是掉电复位?(/BOR=0?)是WDT复位?（在STATUS中的/TO=0？）；单片机在SLEEP状态下由WDT造成
27、的复位?(在STATUS中的/TO和/PD=0?)。可以根据复位的原因,程序进行不同的处理。当然，对于一些简单的程序可以不考虑其复位的原因，只要复位后PC=000H后统统从初始化开始运行.,中山火炬职业技术学院,2.5 PIC系列单片机的复位功能,PIC16F87X具有完善的复位系通。有4种复位方式：人工复位：无论单片机处于运行、睡眠或死机状态，只要在引脚“/MCLR”上加一个低电平，就会令其复位；上电复位：上电时，上电复位电路就要对电压Vdd进行监控，当电源达到1.61.8V时就会产生一个复位信号，经72ms+1024个时钟的延时后才会使单片机进入工作状态；看门狗复位：只要没有对看门狗定时器
28、WDT及时清零，看门狗定时器就会出现超时溢出，引发WDT对单片机复位。欠压复位：当电源电压下降到4V以下时，欠压复位电路就会产生一个复位信号，使CPU进入到复位状态。电源恢复到正常后再延时72msCPU返回运行状态。,返回本章目录,中山火炬职业技术学院,2.6 PIC单片机的系统时钟,PIC16F87X的内部时钟电路是由一个具有三态控制的反相器、一个反馈电阻、外部石英振荡器和两个电容构成的自激多谐振荡器。当CPU执行SLEEP指令时，将反相器置成高阻状态令电路停振。这时，单片机内部大部分电路停止工作从而有效的降低电路的功耗。（其它三种工作方式略）,到内部电路执行SLEEP指令,C1 OSC1,C2 OSC2,XTAL,PIC16F87X,时钟电路外围元件,返回本章目录,作业：PIC16F877单片机管脚和说明,返回本章目录,
