PIC单片机原理及应用(第三版)（上）

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1、1 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 ，

2、实际上是对传统控制技术的一场革命 ， 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

3、 。 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

4、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

5、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

6、 。 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 程序 存储器 数据 存储器 8-位 12/14/16-位 哈佛结构 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 。 2 RISC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

7、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 ： 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

8、式下耗电可低到 1 A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 ，

9、 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 1s 4s 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

10、子产品中得到广泛应用 。 8 I2C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存储器两种 ， 为一般用户提供很大的方便

11、。 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

12、位 、 置位 、 复位和位测试等操作 。 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 256 8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）

13、3 000H 080H 100H 180H001H 081H 101H 181H002H 082H 102H 182H003H 083H 103H 183H 07EH 0FEH 17EH 1FEH07FH 0FFH 17FH 1FFH31 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 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 l 4位 FLASH程序存储器 512 8位数据存储器 RAM 256 8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

14、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

15、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 8K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 In