Микроконтроллеры PIC16, общие сведения, организация памяти
Здесь и в следующих статьях я расскажу про семейство микроконтроллеров PIC16, а также примеры программирования на языке ассемблер. Про элементарные понятия писать не буду, так как ориентируюсь на читателя, предварительно ознакомленного с минимумом информации по микроконтроллерам.
В общем, микроконтроллер представляет собой небольшой универсальный процессор, с помощью которого можно реализовать решение обширного круга задач, необходимо лишь написать программу под требуемые условия задачи.
Для написания программ на ассемблере в микроконтроллерах PIC16 используется 35 простых команд (инструкций), так что выучить и разобраться в них совсем не сложно. К статье прикрепил pdf файл с командами, для желающих изучить команды.
Большинство команд выполняются за один машинный цикл, но есть команды, для которых требуется два машинных цикла. Длительность машинного цикла равна 4 периодам тактового генератора. Например, если у нас стоит кварц на 4 МГц, то длительность машинного цикла равна 1 мкс, при частоте кварца в 20 МГц (что является максимумом для этих микроконтроллеров), машинный цикл равен 200 нс или 0,2 мкс.
В микроконтроллерах семейства PIC16 имеется 3 вида памяти: память программ, память данных и энергонезависимая память EEPROM.
Память данных состоит из регистров общего назначения (GPR) и регистров специального назначения (SFR). Все эти регистры однобайтные, и являются элементами оперативной памяти микроконтроллера, то есть хранят информацию только при наличии питания, операции с обоими типами регистров выполняется одними и теми же командами.
Регистры специального назначения предназначены для управления функциями ядра и периферийными модулями микроконтроллера, названия регистров одинаковы для всех типов микроконтроллеров семейства PIC16, что очень удобно при переходе с одного микроконтроллера на другой.
Регистры общего назначения используется как временная память при выполнении различных логических и вычислительных операций, проще говоря, это ОЗУ.
Память данных подразделяется на банки, два или четыре, в зависимости от типа микроконтроллера. Если рассматривать отдельный банк по адресам, то сначала идут регистры специального назначения, затем регистры общего назначения. На картинке ниже можно увидеть карту памяти данных распространенного микроконтроллера PIC16F628A. 
Чтобы обратиться к какому либо регистру (выполнить операцию над ним), необходимо сначала указать банк, в котором расположен этот регистр. Банк выбирается с помощью битов RP1, RP0 регистра STATUS, который определен во всех банках, то есть к регистру STATUS можно обращаться независимо от того какой банк выбран, что является очевидным, иначе мы не смогли бы переключать банки. Некоторые важные регистры специального назначения также определены сразу в нескольких банках. Регистры ОЗУ также могут быть определены в нескольких банках, на карте памяти данных при этом пишется “accesses 70h-7Fh” (Доступ к 70h-7Fh). В случае микроконтроллера PIC16F628A, к 16-ти регистрам, расположенным по адресам 70h-7Fh, можно обращаться независимо от выбранного банка. Все это относится к непосредственной адресации, кроме которой существует еще косвенная адресация. Вообще не стоит сильно пугаться этих банков, когда используется небольшое количество регистров ОЗУ, все операции в основном выполняются в одном банке (Банк 0), переключаться приходиться лишь при обращении к некоторым регистрам специального назначения.
Для реализации косвенной адресации используется регистр специального назначения FSR, а также физически не реализованный регистр INDF. Чтобы обратиться к какому-либо регистру (например PORTB), необходимо записать его адрес в регистр FSR, после чего содержимое регистра PORTB условно окажется в регистре INDF. Условно потому что обращение к регистру INDF на самом деле вызовет действие с регистром PORTB. Косвенную адресацию удобно применять при обращении к большому количеству регистров расположенных последовательно в памяти данных. Выполняя однотипную операцию с регистром INDF, с последующим инкрементом регистра FSR, можно прооперировать большое количество регистров. При использовании косвенной адресации также следует указать банк местонахождения регистра, адрес которого записывают в FSR. При данной адресации банк указывается одним битом IRP регистра STATUS, так как адресация работает в пределах 2-х банков. Если бит IRP сброшен (значение равно 0), можно обращаться к регистрам 0-го и 1-го банка, при установленном бите (значение равно 1), обращение идет к регистрам 2-го и 3-го банка.
В памяти программ располагается сам код программы в виде последовательности команд. Команды 14-ти разрядные, ячейку памяти программ еще называют словом. Например, у PIC16F628A объем памяти равен 2K x 14 слов (2048 х 14), то есть в памяти программ можно разместить 2048 команд. В счетчике команд PC находится адрес выполняемой команды, регистр счетчика 13-ти разрядный и разделен на два регистра: старший байт PCH и младший PCL, регистр PCL доступен для записи и чтения, он относится к регистрам специального назначения. Регистр PCH недоступен, все операции с ним выполняются через дополнительный регистр специального назначения PCLATH. Так как счетчик 13-ти разрядный, то в регистрах PCH и PCLATH используются только 5 бит. Всего с помощью 13-ти разрядов можно адресовать 8192 слова, поэтому это максимальный объем памяти программ для микроконтроллеров PIC16.
В ходе последовательного выполнения команд содержимое регистра PCL (адрес команды) автоматически инкрементируется, при переполнении происходит инкремент содержимого PCH. Если изменить содержимое регистра PCL, путем записи нового значения или выполнения арифметических операций, можно перескочить на другой участок кода программы, таким образом осуществляется вычисляемый переход. При использовании команд изменяющих значение регистра PCL, содержимое регистра PCLATH передается регистру PCH, то же самое происходит при выполнении команд GOTO и CALL.
Следует знать, что в случае вычисляемого перехода при переполнении регистра PCL (например, в результате операции сложения), регистр PCH не инкрементируется. Например, на момент сложения (прибавляем число 9) значение регистра PCL равнялось 250, а значение PCLATH равно 0, после выполнения команды в PCL будет лежать число 4, но инкремента PCH не произойдет, в PCH запишется число 0 из регистра PCLATH. Тем самым мы попадем на команду с адресом 4 (0004h) (PCH=xxx00000, PCL=00000100), вместо того чтобы попасть на команду с адресом 260 (0104h) (PCH=xxx00001, PCL=00000100). При использовании вычисляемого перехода необходимо предварительно записать значение в регистр PCLATH, после чего изменять значение PCL, или же просто не допускать переполнения PCL. Вычисляемый переход в основном используется для табличного чтения данных, описанного в статье таблица данных.
А теперь расскажу о страницах памяти, команды CALL и GOTO имеют 11-ти разрядное поле для указания адреса, поэтому можно спокойно применять эти команды в пределах 2048 слов (это размер одной страницы) памяти программ, не задумываясь о регистрах PCH и PCLATH. У микроконтроллера PIC16F628A объем памяти равен одной странице, поэтому там все просто. В микроконтроллерах с большей памятью при переходах с помощью команд CALL и GOTO необходимо заранее запрограммировать 3-й и 4-й бит в регистре PCLATH, чтобы попасть на нужный участок кода памяти программ.
Например, нам нужно попасть на метку PROG расположенную по адресу 3500 (0DACh) (PCH=xxx01101, PCL=10101100), этот адрес находится уже на первой странице памяти, до нее шла нулевая страница. Перед вызовом команды CALL PROG, 3-й и 4-й бит регистра PCLATH сброшены, после выполнения команды в регистре PCL будет лежать число 172 (PCL=10101100), так как поле задания адреса 11-ти разрядное, в регистр PCH запишется число 5, а в 3-й и 4-й бит запишутся нули из регистра PCLATH, тем самым мы попадем на команду с адресом 1452 (05ACh) (PCH=xxx000101, PCL=10101100). Чтобы правильно попасть на метку PROG, перед вызовом команды CALL PROG, необходимо установить 3-й бит регистра PCLATH в 1. Таким образом, 3-им и 4-ым битом мы выбираем одну из 4-х страниц памяти программ, в пределах страницы манипуляций с этими битами производить не надо.
При возврате из одной страницы в другую с помощью команд RETURN, RETLW изменять значение битов не требуется, так как стек 13-ти разрядный. Но надо учесть, что после выполнения этих инструкций, значение регистра PCLATH не изменяется (оно вообще никогда не изменяется само по себе), это справедливо и для инструкции возврата из подпрограммы обработки прерывания RETFIE, и если мы снова воспользуемся командами перехода, мы можем попасть не на тот участок кода. Поэтому перед выполнением команд перехода после инструкций возврата, необходимо правильно запрограммировать биты регистра PCLATH, или изменить их значение перед выполнением команды возврата.
Чтобы лучше разобраться с вычисляемым переходом и страницами памяти программ, можно поэкспериментировать в отладчике MPLAB.
С EEPROM памятью, думаю все ясно, это энергонезависимая память, которая не теряется при выключении питания, ячейки EEPROM однобайтные, работать с этой памятью несложно, все необходимое описано в технической документации.
Источник
PIC16F877A — Отладочная плата
Статья адресована тем, кто знаком с электроникой и , может быть, с микроконтроллерами, но , так как и Я, не работал с конкретным видом микроконтроллеров. В ней я хочу изложить свой опыт освоения PIC-контроллера PIC16F877A. В основе изучения создание несложной схемы «Отладочной платы», как универсального электронного устройства, сравнимого с ПЛК для АСУ. В том смысле, что одно и то же устройство, по необходимости, становится различным изделием, в зависимости от программы. Рассмотрим создание нескольких устройств и освоение приемов программирования. В дальнейшем «Отладочную плату» можно будет использовать для создания многих иных проектов. В статье будут рассмотрены вопросы :
- Программирование с использованием бесплатно предоставляемых производителем MicroCHIP программных средств MPLAB-XIDE и компилятора XC8.
- Освоение программирования портов ввода-вывода, 7-ми сегментных индикаторов, таймеров, прерываний, ADC- преобразователя.
«Отладочные платы», как изделие, появились по инициативе производителей электронной продукции, в частности — микроконтроллеров . Они позволяют быстро и легко осваивать использование продукции. Кроме того – они с успехом могут заменять «макетные платы», изготовление которых является неотъемлемой составной частью проектирования любого электронного устройства. Однако, пока микроконтроллер малоизвестен, производители, в рекламных целях, всячески снижают стоимость «отладочных плат», иногда даже присылают в подарок всем желающим. Но, как только приходит популярность, стоимость такой продукции становится «не по карману» многим желающим. Достаточно взглянуть на цены серий популярных отладочных комплектов : ARDUINO, EasyPIC, NUCLEO, DISCOVERY. При этом стоимость основного компонента – микроконтроллера сравнительно невысока. Для примера, стоимость PIC16F877A находится в районе 5$. Цель данной статьи – показать как создать свою недорогую и оптимальную, без излишеств, отладочную плату. Монтажная схема и печатная плата не рассматривается в виду нецелесообразности определенного вида конструкции. Наиболее приемлемым можно считать вариант монтажа на «универсальной печатной плате». Например такой.
По желанию, любой из повторивших «отладочную плату», сможет нарисовать свой вариант печатной платы, после окончательного выбора наиболее оптимальной принципиальной схемы, исходя из собственных потребностей направления разработки. К примеру — такая версия.
Полная принципиальная схема показана на рисунке №1. Для более детального рассмотрения используйте ссылки на ресурсы.
Подробнее рассмотрим принципиальную схему. В основе устройства микроконтроллер PIC16F877A. Синхронизация тактирования работы производится кварцем 14 МГц, подключенного стандартно согласно документации к выводам 13 и 14. К портам А и B подключены выходные индикаторные светодиоды. К этим выводам (параллельно резистор-светодиод) можно подключить выходные ключи для увеличения нагрузочной способности. Ключи могут быть любого типа – от транзисторно-релейных – до оптопарно–симисторных . Поэтому на принципиальной схеме они не указаны (все-таки «отладочная» плата). Одним из лучших вариантов можно считать «твердотельное реле типа SSR-10DA или SSR-25DA». К портам D, C и E подключены семисегментные индикаторы типа KW2-561AGA с общими анодами, которые можно заменить величайшим количеством аналогов сдвоенных, четверных или одинарных индикаторов с общим анодом, управляемых отдельным подключением анодов. Аноды подключаются через ключи pnp- транзисторов. Также подключены 7 кнопок без фиксации. А, В и С – отдельно к порту С. Использованы дополнительные подтягивающие резисторы 15-24 ком. Использовать внутренние не рекомендую – некоторые экземпляры микроконтроллеров не вытягивают входы, как следствие – ложные срабатывания, особенно в условиях дополнительных помех. Еще четыре кнопки – 1-4 подключены к портам индикатора таким образом, что бы их состояние можно было бы определять одновременно со сканированием анодов индикаторов через единственный порт ввода – RD6. Тем самым экономится три ввода, в сравнении с отдельным подключением. На схеме так же отображен разъем для внутрисхемного программирования ICSP. Вывод MCLR/VPP подключен к +5В через диод, чтобы после программирования, при подаче напряжения питания, микроконтроллер переходил в рабочий режим. Следует помнить, так же, что, программатор должен «отпускать» выводы программирования PGD & PGC. Некоторые самодельные программаторы этого не делают, вследствие упрощения схемы. Имеются несколько незадействованных выводов, которые, при необходимости, можно подключить в схему для наращивания вводов-выводов.
Таким же образом ищем XC8 Compilers. Так же скачиваем и стандартно устанавливаем в систему на компьютер.
Запустим среду программирования MPLAB X IDE. В меню выбираем «Создать новый проект». Выбираем «Стандартный проект» (см.рис) затем – «тип микроконтроллера»-PIC16F877A.
 |  |  |
 |  |  |
После этого MPLABX предлагает выбрать тип программатора. В данном случае принципиального значения в выборе нет. Можно выбрать Simulator или PICKit. HEX-файл прошивки будет сгенерирован в любом случае. Следующий шаг – выбор компилятора. Выбираем XC8 – компилятор СИ, который был предварительно скачан (free-версия) и установлен. В следующем примере используем MPASM-компилятор, поставляемый бесплатно со всеми MPLAB. Заключительный шаг создания проекта – Выбор имени проекта («AUTOMATIC_LIGHTING_EFFECTS») и папки расположения проекта. Нажатие кнопки Finish заканчивает создание проекта. Теперь в проект необходимо добавить исходный файл программы. Нажимаем правую кнопку на разделе исходные файлы проекта. Затем New ->main.c даем имя файлу, жмем Finish.
Рассмотрим программу, превращающую «универсальное электронное устройство», каковым, несомненно и является отладочная плата, в устройство определенного назначения. Одной из программ-прошивок, достаточно разнообразно использующей многие возможности аппаратного устройства платы, может быть программа «Автомат Световых Эффектов» . Ее исходный текст приведен ниже. По сообщениям MPLAB-X программа использует до 24% памяти программ и до 17% памяти данных. Ещё она использует 96 байт EEPROM, что так же является далеко не полным использованием. Т.е. у микроконтроллера остается еще масса ресурсов для развития программы.
Рассмотрим основные модули программы. В начале программы указана конфигурация работы микроконтроллера (то что в avr называют fuses). Слово конфигурации записывается в скомпелированную прошивку, благодаря чему отпадает необходимость ручной настройки программатора. Для этого в данном компиляторе существуют директивы #pragma config
В данной конфигурации выбран источник тактирования XT-кварц 4 Мгц, отключены WDT,BOR,LVP и защита памяти. В данном примере эти опции не нужны.
Благодаря использованию EEPROM программа запоминает какая «световая картина» была запущена на «Автомат Световых Эффектов» перед выключением.
Еще в EEPROM запрограммировано семь различных «световых картин» и знакогенератор для семисегментного индикатора.
Благодаря использованию EEPROM размер программы значительно компактнее, нежели все коды-сочетания пришлось бы программировать прямо в программе. Впрочем, PIC-контроллеры имеют возможность использовать свободную Flesh-память программ, даже если нет EEPROM. В данной программе для работы с EEPROM используются стандартные макросы XC8 – компилятора. Для загрузки знакогенератора — __EEPROM_DATA(8байт). Это «не исполняемый» макрос. Он обеспечивает загрузку данных не вовремя выполнения программы микроконтроллера, а во время программирования прошивки. Но в исходном тексте программы он обязательно должен вызываться в теле main(). EEPROM_READ(ADR) и EEPROM_WRITE(ADR,байт) — макросы выполняющие обмен данных во время выполнения программы микроконтроллера.
Кнопки A и С – функционируют как установка номера световой картины. При этом номер 8 – режим АВТО, в котором все программы повторяются по очереди. Кнопка В – реверс. А кнопка №1 – СТОП, №2 – быстрое включение АВТО, №3 – резервная, №4 – запуск после нажатия СТОП. Используемые порты ввода-вывода инициируются в теле функции Init_Ports(). Названия всех определений регистров и битов находятся в файле pic16f877a.h компилятора, где их и можно посмотреть. А включать этот файл в тело программы – не обязательно. MPLAB-X сама указывает компилятору какой микроконтроллер был выбран на этапе создания проекта. О том как создавать проекты – смотрите далее. Функция Init_TMR0() настраивает таймер на работу по прерываниям. Благодаря чему обеспечивается запланированное свечение индикаторов и опрос кнопок.
Так же в обработчике прерываний обрабатываются прерывания ADC – преобразователя. Показания которого, определяемые переменным резистором R1 схемы, используются как задатчики темпа работы «Автомат Световых Эффектов». Собственно, это и есть все модули программы , рассмотренные вкратце. При внимательном рассмотрении исходного текста программы легко и быстро можно понять как запрограммировать ту или иную функцию микроконтроллера с помощью компилятора XC8-Free edition.
В следующем примере программы для «PIC16F877A — Отладочная плата», рассмотрим устройство «ЧАСЫ/ТАЙМЕР-ТЕРМОРЕГУЛЯТОР».
Источник