单片机应用与设计.docx
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单片机应用与设计
前言面向应用的嵌入式系统在我国方兴未艾
微控制器，也就是单片机（MCU），在80年代进入中国。
由于微控制器容易学、容易用，倍受青眯。
这种把中央处理器、存储器、外设器件及I/O做在同一块芯片上的器件总是作为应用系统中的控制部件使用。
现在，做在微控制器芯片上的外设部件越来越多，功能不断增强。
针对具体的应用，利用微控制器可以设计出十分复杂的系统，这种系统称作嵌入式系统。
在杭州召开的’99全国单片微机学术交流会暨多国单片微机产品展览会上，许多专家呼吁要提高对嵌入式系统的认识。
目前，在全世界，嵌入式系统带来的工业年产值已超过1万亿美元。
预计在美国，单是使用嵌入式电脑的全数字电视产品每年将产生1500亿美元的新市场。
美国未来学家尼葛洛庞帝曾预言，四、五年后，嵌入式智能工具将是继PC和因特网后最伟大的发明。
就目前国内微控制器的应用状况，全国微机单片机学会理事长陈章龙教授说，从整体来讲，在中国，微控制器的应用水平还不高，主要是用8位微控制器，用量也不大，绝大多数是用于IC卡设备等仪器仪表和控制领域中。
嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种已经过千，流行的结构有30多种，其中以我们熟悉的PIC系列结构的产品为最多。
据中国单片机公共实验室高级工程师吕京建介绍，嵌入式处理器分为两大类，一类是以通用计算机中的CPU为基础的嵌入式微控制器，另一类是微控制器。
与微处理器相比，微控制器具有单片化、体积小、功耗低、可靠性高、芯片上的个设资源丰富等特点，目前已成为嵌入式系统的主流器件。
嵌入式微处理器的软件是实现嵌入式系统功能的关键，为了提高执行速度和系统的可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或微控制器中。
嵌入式系统是面向应用的，因此它可以应用在现代化工业的各个领域，如：
航天、航空、军事、家用消费商品、仪器仪表、各种控制系统及3C系统。
尤其在国内主要应用于家电消费类产品、通信和计算机外设等。
而福州高奇电子科技有限公司正在对MCU的广泛应用起着强大的推动作用。
高奇电子科技有限公司创办于一九九三年十月，是一家专业的半导体集成电路授权代理商和专业集成电路应用、设计公司。
目前代理、销售多家着名半导体厂商的产品，如单片机、E2PROM、保安器件、电压检测器、LCD/VFD驱动器、电话来电识别（CallerID）以及交换机用的Switch、Codec芯片等等；同时，设有专业的研发部门，已经研制了一系列电子产品整机方案，这些方案包括完整的软硬件设计资料及样机，可提供给整机厂商直接采用生产。
公司的工程部门还可以为客户量身定做，增加和删改功能以体现客户的产品特色。
高奇公司坚持“以专业的态度和水准，供优质产品、创名牌服务”的经营理念，将全部资源专注于半导体IC的应用设计、行业市场的专用IC（ASIC）设计以及IC市场营销，并将不断开拓出电子产品新领域，并缩短研发时间，使产品与下面就介绍一种简单的PIC单片机系列。
时代同步。
下面就介绍一种简单的PIC单片机系列。
第一章PIC12C5XX功能原理
PIC12C5XX是美国Microchip公司推出的8位单片机，也是世界上第一个8脚封装的8位单片机系列。
§功能特点
一、高性能RISC结构CPU
·精简指令集，仅33条单字节指令，易学易用
·除地址分支跳转指令为双周期指令外，其余所有指令皆为单周期指令
·执行速度：
DC～1μs
·二级硬件堆栈
·直接、间接、相对三种寻址方式
二、功能部件特性
·8位定时器/计数器TIMER0，带8位预分频器
·大驱动电流，I/O脚可直接驱动数码管（LED）显示
-每个I/O引脚最大控电流25mA
-每个I/O引脚最大灌电流20mA
·内置上电复位电路（POR）
·复位定时器，保障复位正常
·内部MCLR复位端加上拉电路，无需外接上拉
·内置自振式看门狗，防程序死锁
·程序保密位，可防止程序代码的非法拷贝
·低功耗睡眠功能
·I/O引脚可唤醒睡眠
·内置4MHzRC型振荡源，可省外接振荡
·可选外接振荡
-RC：
低成本阻容振荡？
-XT：
标准晶体/陶瓷振荡？
-LP：
低速晶体，低功耗振荡
三、CMOS工艺特性
·低功耗
＜2mA＠5V，4MHz
-15μA＠3V，32KHz
-＜1μA低功耗睡眠（Sleep）模式下
·全静态设计
·宽工作电压范围：
～
·宽工作温度范围：
商用级：
0℃～＋70℃
-工业级：
－40℃～＋85℃
-汽车级：
－40℃～＋125℃
§型号及引脚介绍
PIC12C5XX目前有二种型号，见下表：
型号
振荡
EPROM
RAM
定时器
输入线
I/O线
电压范围
封装（DIP/SOIC）
12C508
DC~4Mhz
512×12
25×8
1
1
5
12C
8
1
1
5
表PIC12C5XX型号功能表
各型号管脚图如下：
PDIP，SOIC，WindowedCERDIP
VDD——>
GP5/OSC1/CLKIN<——>
GP4/OSC2<——>
GP3/MCLR/VPP——>
<——VSS
<——>GP0
<——>GP1
<——>GP2/T0CK1
图12C508/509引脚
下表描述了各引脚的功能。
引脚名
引脚序号
属性
缓冲类型
功能
GP0
7
I/O
TTL/ST
双向I/O口线，带可编程弱上拉，并具电平变化唤醒睡眠功能
GP1
6
I/O
TTL/ST
双向I/O口线，带可编程弱上拉，并具电平变化唤醒睡眠功能
GP2/T0CK1
5
I/O
ST
双向I/O口线，并可设置为计数器TIMER0的外部信号输入端
GP3/MCLR
4
I
TTL
单向输入口线，也可设置为芯片复位端。
当设为复位端MCLR时，低电平有效。
当作为输入口线时，带可编程弱上拉及电平变化唤醒睡眠功能
GP4/OSC2
3
I/O
TTL
双向I/O口线，（使用片内RC振荡源时，也可作为晶振输出端）
GP5/OSC1/CLKIN
2
I/O
TTL/ST
双向I/O口线，（使用片内RC振荡源时，也可作为晶振输入端或外部振荡输入端）
VDD
1
电源
—
正电源
VSS
8
电源
—
地
注：
ST─斯密特触发器
表PIC12C5XX引脚功能
从上表可看出，PIC12C5XX最多可以有5根I/O口线和1根输入口线（GP3）。
§PIC12C5XX内部结构
PIC12C5XX的总线结构采用的是数据总线（8位）和指令总线（12位）独立分开的”哈佛结构”，所以它具有精简指令集（RISC）的特点，速度快，效率高，并且功耗很低。
PIC12C5XX在一个芯片上集成了8位的算术逻辑运算单元（ALU），～1K的12位程序存储器，25～41个8位数据寄存器以及8位的计数器，上电复位电路，复位定时器，看门狗等等。
图PIC12C5XX内部结构
§指令周期和流水作业
PIC12C5XX的指令周期被分频成4个不重叠的节拍Q1～Q4，程序计数器PC在Q1节拍增1，而指令是在Q4节拍从程序存储器中取出并置入指令译码器，并在下一个指令周期被执行，如下图所示：
图指令周期
指令的执行贯穿Q1～Q4节拍。
如上所述，当CPU在执行一条指令的同时，下一条指令的代码也同时被取出置入指令译码器，准备在下一指令周期执行，这就是PIC的流水作业方式，也是RISC结构单片机的特点，这种特点使单片机的运行速度可以达到很高。
除了地址分支跳转指令的执行周期是2个指令周期外，其余所有指令都是单周期指令，见下图：
图流水作业
§程序存储器和堆栈
PIC12C5XX的程序存储器为12位长，其中PIC12C508为512字节，而PIC12C509为1024字节。
复位向量为地址0，因为最后一个字节（PIC12C508为地址1FFH，PIC12C509为地址3FFH）存放有片内RC实际振荡的校正系数，其形式为指令MOVLWXX，用户不要使用这个字节，所以用户的程序应从地址000H开始存放，注意这点和PIC16C5X有所不同。
图程序存储器和堆栈
PIC12C5XX把程序存储器以512字节为单位进行分页管理，这样PIC12C508有一个页面程序区，而PIC12C509有2个页面程序区，由状态寄存器STATUS中的PA0位（STATUS<5>）确定程序区的页面。
这是因为PIC是RISC结构，所有指令都是单字节，在PIC12C5XX中，一条指令中所包含的地址信息只有9位，只能直接寻址一个页面（512字节）；对于12C509，则还要由PA0位来辅助寻址2个页面（1024字节）的程序空间，即程序当需从一个页面跳转到另一个页面时（CALL、GOTO指令），应事先根据要跳转去的页面，把PA0位置为相应的值，请参阅状态寄存器的描述。
PIC12C5XX的堆栈有2层，有自己独立的空间，不占用程序存储器。
注意它只能容纳二层子程序嵌套调用。
堆栈的长度是12位，和PC长度一致，可以存放子程序调用时的PC值。
对堆栈的压入操作由子程序调用指令CALL完成，出栈操作则由子程序返回指令RETLW完成，请参阅第二章中这二条指令的详介。
§数据存储器
PIC12C5XX的数据存储器（RAM）由一些寄存器组成，分为特殊寄存器和通用寄存器二种。
在PIC单片机中，对任何部件的操作都表现为对某一寄存器的操作，所以编程非常简单明了。
？
*：
非实际存在的寄存器，参见§1.6.1中详介。
图寄存器结构
从上图可看到，00h～06h为特殊寄存器，其余为通用寄存器。
PIC12C508有25个通用寄存器，而PIC12C509则有41个通用寄存器，其中25个在Bank0，另16个在Bank1，关于寄存器的Bank方式，请参阅§1.6.1的FSR寄存器描述。
§1.6.1特殊寄存器
一、INDF（地址：
00h）──间址寄存器
INDF是一个物理上不存在的寄存器，只是一个逻辑寄存器，用来进行间接寻址，实际的寻址地址为FSR<4:
0>的值。
例：
MOVLW10h
MOVWFFSR；实际地址10h（F10寄存器）→FSR
MOVLW55h
MOVWFINDF；数据55h→F10
INCFFSR；FSR增1（FSR=11h）
MOVWFINDF；数据55h→F11
参阅后面FSR寄存器的描述。
二、TMR0（地址：
01h）──定时器/计数器寄存器
二、TMR0（地址：
01h）──定时器/计数器寄存器
TMR0对应于TIMER0，它是一个8位的定时器/计数器（在PIC16C5X中称其为RTCC），请参阅§详介。
三、PCL（地址：
02h）──程序计数器PC<7:
0>
PIC12C5XX程序计数器PC最多可寻址1K（1024）程序区：
型号
PC长度
寻址空间
PC复位值
PIC12C508
9
512
1FFh
PIC12C509
10
1024
3FFh
单片机一复位，PC值被置为全“1”指向程序区的最后一个字节。
前面我们提过，这个地址存放的是芯片出厂时已放入的MOVLWXX指令（其中XX是片内振荡校正系数），所以单片机复位后会执行这条指令，然后PC马上翻转到000h，开始执行用户的程序代码。
注意，页面选择位PA0复位时也被清零，所以这时页面处于0页，请参阅有关状态寄存器STATUS的描述。
对于“GOTO”指令，它的指令码中含有跳转地址的低9位，即PC<8:
0>，对于PIC12C509来说，状态寄存器的第5位（STATUS<5>）还会被置入PC<9>，以选择程序页面，从而寻址1K的程序空间。
图GOTO指令寻址方式
对于“CALL”指令或其他涉及会修改PCL的指令，它们的指令码中仅包含目的地址的低8位，即PC<7:
0>，而PC<8>总是会被硬件自动清零，状态寄存器第5位（STATUS<5>）也会被置入PC<9>以选择程序页面（对于PIC12C509而言）。
见下图：
图CALL指令或修改PCL的指令寻址方式
从上图可看出，由于执行这些指令硬件总会清PC<8>=0，所以它们的起始地址都必须限于放在每个程序页面的上半区，即头上的256个字节空间内（0h～FFh或200h～2FFh）。
四、STATUS（地址：
03h）──状态寄存器
STATUS寄存器包含了ALU的算术状态、芯片复位状态、程序页面位等信息。
STATUS可以被读/写，但是其中的复位状态位TO、PD不能由软件设置，它们的状态如何决定§1.12.7会有详细描述。
图状态寄存器
在加法运算时，C是进位位；在减法运算时，C是借位的反。
例a：
CLRFF10；F10=0
MOVLW1；W=1
SUBWFF10；F10-W=-1（FFH），C=0（运算结果为负）
例b：
MOVLW1；W=1
MOVWFF10；F10=1
CLRW；W=0
SUBWFF10；F10-W=1，C=1（运算结果为正）
PD和TO两位可用来判断芯片复位的原因，GPWUF位也是用来判断芯片复位类型，请参阅§1.12.7描述。
五、FSR（地址：
04h）──选择寄存器
FSR和INDF寄存器（地址：
00h）配合完成间接寻址，请参阅前面有关INDF寄存器的描述。
FSR寄存器宽度为5位，FSR<4:
0>用来间接寻址32个寄存器，FSR<5>则用来选择寄存器体（Bank），见下图：
图直接/间接寻址方式
a、PIC12C508：
不存在寄存器体选，FSR<5>恒为“1”。
b、PIC12C509：
FSR<5>=1Bank1，
FSR<5>=0Bank0。
六、OSCCAL（地址：
05h）──内部振荡校正系数寄存器
PIC12C5XX内部集成有RC振荡供用户选择使用，OSCCAL<7:
4>包含了该振荡电路的校正系数，其上电初始值为“0111”，请参阅§1.11.4有关内部RC振荡的描述。
七、GPIO（地址：
06h）──I/O寄存器
PIC12C5XX有一个6位的I/O口，它在寄存器中的映像就是GPIO寄存器，GPIO<5:
0>对应于I/O口线GP5:
GP0，GPIO<7:
6>未用，恒为“0”。
八、TRIS──I/O方向控制寄存器
TRIS是GP口线方向控制寄存器，用户不能直接寻址，必须通过执行“TRIS6”指令来设置它。
当执行“TRIS6”指令后，W寄存器的内容即会被置入TRIS中。
“1”将相应的I/O口线设为输入态（高阻态），“0”则被设为输出态。
但是有二点例外，即GP3永远是输入态而GP2有可能由OPTION寄存器设置为输入态（T0CKI），而不理会TRIS中的设置内容。
请参阅§关于I/O口的描述。
例：
MOVLW0Fh；W=“00001111”
TRIS6；TRIS=“001111”，GP0:
GP3为输入态
GP4:
GP5为输出态
各种复位都会置TRIS为全“1”。
九、OPTION──参数定义寄存器
OPTION用来定义一些芯片工作参数，见下图所示：
图OPTION寄存器
OPTION也是不能由用户直接寻址的，必须由执行“OPTION”指令来把W寄存器中的内容置入OPTION寄存器，如下例：
MOVLW7；W=“00000111”
OPTION；W→OPTION
各种复位都会置OPTION为全“1”。
注意即使TRIS中相应的GP2方向位是“0”，如果将TOCS置为“1”，则GP2也会被强置为输入态，即为T0CKI输入线。
有关OPTION各位的定义，请参阅各自相应的章节。
十、W──工作寄存器
W寄存器用来存放指令中的第二个操作数，或用来进行内部数据传送，或存放运算结果，是最常用的寄存器。
§1.6.2通用寄存器
PIC12C508：
07h─1Fh；Bank0
PIC12C509：
07h─1Fh；Bank0
30h─3Fh；Bank1
通用寄存器在上电后的值是随机的，所以它属RAM性质。
§I/O口
PIC12C5XX只有一个I/O口，对应的映像寄存器为GPIO（地址：
06h），其中GPIO<5:
0>对应GP5:
GP0，GPIO<7:
6>未用，永为“0”。
注意，GP3仅可作为输入，是单向I/O口线。
另外，GP5、GP4、GP3及GP2还可以由用户定义成各种特殊功能口线，一旦它们被用作特殊用途，则永远读为“0”。
GP0、GP1和GP3还带有可编程的弱上拉和“电平变化唤醒功能”（即唤醒正处于睡眠状态下的芯片），关于这点请参阅OPTION寄存器的描述。
如果GP3被用户定义为复位输入端（MCLR），则它的弱上拉自动有效，但“电平变化唤醒”特性被自动关闭。
GPIO口线的方向由TRIS寄存器控制，详情参见§1.6.1中有关TRIS寄存器的描述。
§1.7.1I/O口结构
一根I/O口线的结构如下图所示：
图I/O口结构
除了GP3只能单向作为输入口外，其余的GPIO口皆可由用户定义为输入/输出态。
作为输入口时没有锁存，外部信号必须保持到让CPU读入为止（例如：
MOVFGPIO，W）。
作为输出则有锁存，可以保持直到被新的值取代为止。
I/O端的输入/输出态由TRIS寄存器的值控制，当TRIS将“1”置入I/O控制器时Q1和Q2都处于截止态，所以I/O端即呈高阻态（输入态）。
当执行I/O读指令（如MOVF6，W），把当前I/O端的状态读入数据总线。
当TRIS将“0”置入I/O控制器时，Q1和Q2的导通情况将要由数据锁存器Q端的状态来决定。
当写入数据为“1”时，Q端为低电平0，则Q1导通，I/O输出为高电平。
反之，当写入数据为“0”时，Q端为“1”，则Q2导通，I/O端输出为低电平。
I/O读写时序如图所示。
§1.7.2I/O口使用注意事项
1、I/O方向转置的问题
某时候可能需要一个I/O口一会做输入，一会又做输出。
这就是I/O方向的转置。
在编写这种I/O转置程序时必须注意，有些指令如位设置指令（BSF、BCF）写I/O口时是先从I/O读入其状态，执行位操作后再将结果写回去覆盖原来的内容（输出的结果放在I/O口的数据锁存器）。
举个例子来说：
“BSF6，5”这条指令的目的是要把B口的第6位置为高电平“1”。
执行这条指令时，先把整个B口当前的状态内容读入到CPU，把第6位置成“1”后再把结果（8个位）重新输出到B口。
如果B口中的有一个I/O端是需要方向转置的（比如说bit1），而这时是处于输入态，那么B口的状态值重新写入后，B口的数据锁存器1的锁存值就是当前B口Bit1的状态。
这可能和先前Bit1作为输出时所锁存的值不同，所以当Bit1再转置成输出态时，出现在Bit1端的状态就可能和先前的输出态不同了。
2、I/O的“线或”和“线与”
从图看出PICI/O端输出电路为CMOS互补推挽输出电路。
因此与其他这类电路一样，当某个PICI/O端设置为输出状态时，不能与其他电路的输出端接成“线或”或“线与”的形式，否则可能引起输出电流过载，烧坏PIC。
如需要与其他电路接成“线或”电路时，PICI/O端必须置于“1”状态或输入状态，并外接下拉电阻。
电阻的阻值根据实际电路和PICI/O端最大电流来决定。
3、I/O口的连续操作
一条写I/O的指令，对I/O真正写操作是发生在指令的后半周期（参照图）。
而读I/O的指令却是在指令的周期开始就读取I/O端状态。
所以当你连续对一个I/O端写入再读出时，必须要让I/O端上的写入电平有一个稳定的时间，否则读入的可能是前一个状态，而不是最新的状态值。
一般推荐在两条连续的写，读I/O口指令间至少加一条NOP指令。
例：
MOVWF6；写I/O
NOP；稳定I/O电平
MOVF6，W；读I/O
4、噪声环境下的I/O操作
在噪声环境下（如静电火花），I/O控制寄存器可能因受干扰而变化。
比如I/O口可能会从输入态自己变成输出态，对于这种情形，WDT也是无法检测出来的。
因此如果你的应用环境是较恶劣的，建议你每隔一定的间隔，都重新定义一下I/O控制寄存器。
最保险的方法当然是对I/O读写前都定义一下I/O控制寄存器（但是实践证明对于大多数的应用都不必做到这样，只是提请你注意噪声干扰）。
图I/O口连续读/写时序
§定时器/计数器TIMER0
TIMER0是一个8位的定时器/计数器，其对应的映像寄存器是TMR0（地址：
01h），可由用户程序直接读写，并且可带有8位的预分频器。
它用于对外加在GP2/T0CKI引脚上的外部信号进行计数（计数器）或对内部指令时钟进行计时（定时器），在PIC16C5X中它被称为RTCC。
TIMER0及其相关电路如图所示。
从图中可看出TIMER0工作状态由OPTION寄存器控制，其中OPTION寄存器的T0SC位用来选择TIMER0的计数信号源，当T0SC为“1”时，信号源为内部时钟，T0SC为“0”时，信号源为来自T0CKI引脚的外部信号。
OPTION寄存器的PSA位控制预分频器（Prescaler）分配对象，当PSA位为“1”，分配给TIMER0，即外部或内部信号经过预分频器分频后再输出给TIMER0。
预分频器的分频比率由OPTION内的PS0～PS2决定。
这时涉及写TMR0寄存器的指令均同时将预分频器清零，OPTION寄存器内容保持不变，即分配对象、分频比率等均不变。
OPTION的T0SE位用于选择外部计数脉冲触发沿。
当T0SE为“1”时为下降沿触发，为“0”时则上升沿触发。
图TIMER0方块图
TIMER0计数器采用递增方式计数，当计数至FFH时，在下一个计数发生后，将自动复零，重新开始计数，从此一直循环下去。
TIMER0对其输入脉冲信号的响应延迟时间为2个机器周期，不论输入脉冲是内部时钟、外部信号或是预分频器的输出。
响应时序见图。
TIMER0对外部信号的采样周期为2个振荡周期，因此当不用预分频器时，外加在T0CKI引脚上的脉冲宽度不得小于2个振荡周期即1/2指令周期。
同时，当使用预分频器时，预分频器的输出脉冲周期不得小于指令周期，因此预分频器最大输入频率可达N，fosc/4，N为预分频器的分频比，但不得大于50MHz。
图1.15a.TIMER0时序图：
内部时钟/无预分频器
图.TIMER0时序图：
内部时钟/预分频比1：
2
应注意的是尽管PIC对外部加于T0CKI信号端上的信号宽度没有很严格的要求，但是如果高电平或低电平的维持时间太短，也有可能使TIMER0检测不到这个信号。
一般要求信号宽度要大于10ns。
§预分频器
预分频器是一个分频倍数可编程的8位计数器。
其结构如图所示上节对预分频参数已有描述，这里不再赘述。
预分预器的分配对象完全由程序控制，可以在程序中改变Prescaler分配对象。
1、从TIMER0到WDT的改变
MOVLWB'XX0X0XXX'；选择内部时钟和新的预分频值
OPTION；如果新的预分频值='000'或者
CLRF1；='001'，则暂时先选一个另外的值
MOVLWB'XXXX1XXX'；清零TMR0和预分频器
OPTION；选择WDT为对象，但不要改变预分频值
CLRWDT；清WDT和预分频器
MOVL
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