Архитектурой

Структурная организация и режимы работы ОМК с RISC

Архитектурой

 

Общие сведения об ОМК PIC16/17 и их классификация

 

В 1975 году фирма GI разработала периферийный контроллер (Peripheral Interface Controller или PIC), предназначенный для поддержки ввода-вывода 16-ти разрядного процессора. В нем не требовалась сложная обработка информации, поэтому его набор команд был сильно ограничен, но почти все команды в нём выполнялись за один машинный цикл. Этот контроллер, имевший RISC-архитектуру стал прообразом сегодняшней архитектуры микроконтроллеров PIC [3-6], выпускающихся с конца 80-х годов компанией Arizona Microchip TechnologyLtd., дочерней компанией GI Microelectronics Inc.

Микроконтроллеры семейства PIC объединяют все передовые технологии ОМК: мировое лидерство по гибкой однократно или многократно электрически перепрограммируемой пользователем технологии ППЗУ, минимальное энергопотребление, исключительную производительность, мощную RISC-архитектуру и минимальные размеры корпуса. Эти широкие возможности и низкая стоимость сделали серию микроконтроллеров PIC лучшим выбором для инженерных применений. Более 200 миллионов микроконтроллеров PIC используется в нескольких тысячах приложений по всему миру. Использовать эти микроконтроллеры рекомендуется во всех случаях, когда критично энергопотребление, габариты и стоимость устройства.

Вот только некоторые примеры применений микроконтроллеров PIC:

Ø Компьютеры и периферия: принтеры, плоттеры, сетевые карты, модемы, мыши, сканеры, накопители на гибких и жестких магнитных дисках, CD ROM, мультимедийные устройства и т. п.

Ø Радиотехника (ТНП): CD проигрыватели, аудио системы, системы синтеза речевых сообщений, блоки дистанционного управления, модули телетекста, видеоигры.

Ø Техника связи: модемы, радиомодемы, микро-АТС, автоответчики, АОНы, беспроводные и мобильные телефоны, пейджеры, факс-аппараты.

Ø Промышленные контроллеры: интеллектуальные датчики, схемы управления электродвигателями, промышленные роботы, регуляторы температуры, влажности, давления и др.

Ø Автомобильная электроника: системы управления зажиганием, микроклиматом и впрыском топлива, приборные панели, радарные детекторы, автомобильные сигнализации, комбинированные измерительные приборы.

Ø Бытовая техника: системы сигнализации, измерительные приборы, счетчики воды, газа и электроэнергии, детекторы ионизирующего излучения, игрушки и т.д.

В зависимости от разрядности команд , архитектурных особен-ностей и функциональных возможностей однокристальные микроконт-роллеры (ОМК) PIC делятся на четыре основные группы (семейства) :

1. Семейство простейших ОМК (12р. команды) – PIC 12CXX.

2. Базовое семейство (12 р. команды ) - PIC 16 C5XX.

3. Расширенное семейство (14 р. команды) - PIC 16CXX.

4. Высокопроизводительное семейство (16 р. команды) - PIC 17CXX.

Подавляющее число ОМК, также как и микроконтроллеры серии К1816, имеет традиционную (Фон-Неймановскую или Принстонскую) архитектуру в которой команды и данные передаются по одной шине [2,7]. Архитектура же ОМК PIC основана на концепции раздельных шин и областей памяти для данных и команд (Гарвардская архитектура) [3-6]. Шина и память данных (ОЗУ) имеет ширину 8 бит, а программная шина и память (ПЗУ или ППЗУ) имеет ширину 12, 14 или 16 бит в зависимости от семейства ОМК. Такая концепция обеспечивает простую, но мощную систему команд а двухступенчатый конвейер обеспечивает их одновременную выборку и исполнение. Все команды состоят из одного слова (шириной 12, 14 или 16 бит) и исполняются за один цикл (200 нс при тактовой частоте 20МГц), кроме команд перехода, которые выполняются за два цикла. За счет этого ОМК с RISC-архитектурой типа PIC 16/17 имеют самое высокое быстродействие по сравнению с большинством наиболее распространенных 8-битовы микроконтроллеров аналогичного класса и обеспечивают более чем в 5-10 раз лучшую производительность.

Контрольные испытания показывают [3], что применение ОМК се-рии PIC позволяют уменьшить время отладки в 1,5-2 раза по сравнению с обычными 8- разрядными микроконтроллерами.

Система команд ОМК PIC 12/16/17 включает только 33/35/57 команд и может быть легко и быстро изучена. В конструкцию PIC включено много энергосберегающих особенностей, делающих их на сегодняшний день самыми микропотребляющими (в режиме SLEEP потребляемый ток менее 1 мкА), самым низковольтным по напряжению питания (2В) программируемыми пользователем микроконтроллерами.

Простейшие типы таких ОМК содержат 8-битный таймер-счетчик с 8- битным программируемым предварительным делителем (фактически 16-битный таймер) и 6-20 линий двунаправленного ввода/вывода. Корпус таких ОМК имеет 8(18) выводов. Микроконтроллеры расширенного и высокопроизводительного семейств содержат кроме этого целый ряд дополнительных функциональных узлов и блоков таких, например, как: многоканальные аналого-цифровые преобразователи, разветвленную систему прерываний, блоки управления жидкокристаллическими индикаторами, компараторы, широтно-импульсные модуляторы, параллельные и последовательные интерфейсы типа I2C, RS-232 и т.д., цифровые умножители, дополнительные таймеры-счетчики, увеличенное количество портов ввода/вывода дискретных сигналов и прочее.

Таким образом, ОМК PIC имеют существенные преимущества по сравнению с другими типами микроконтроллеров такого же класса. В настоящее время выпускаются микроконтроллеры с различным объемом постоянной и оперативной памяти, с различными типами тактовых генераторов, с различными быстродействием и конструктивным исполнением, а также с различными функциональными возможностями. Конкретный тип микроконтроллера для решения определенной задачи можно выбрать на основании критериев, рассмотренных ранее в разделе 1, используя соответствующую информацию, приведенную в Приложении А и в справочной литературе [3-7].

В зависимости от технологии изготовления ПЗУ все типы МК разделяются на пять групп:

1.Микроконтроллеры многократно программируемые пользователем, которые, в свою очередь могут быть разделены также на две следующие группы:

1) Микроконтроллеры с ультрафиолетовым стиранием. Эти МК оптимальны для экспериментальных разработок и отладки программ. Необходимую конфигурацию тактового генератора <RC>, <XT>, <HS>, или <LP> устанавливают программным путем. По умолчанию устанавливается тип генератора <RS>. В зависимости от выбранного типа генератора и частоты, напряжение питания должно быть в том же диапазоне, что и для устройств OTP/QTP, рассмотренных ниже.

2) Микроконтроллеры с многократно электрически программируе-мыми пользователем ППЗУ (EEPROM) программ и данных. Эти МК (такие например, как PIC 16C84X или 16F84X) позволяют легко подстраивать программу и данные под конкретные требования даже после завершения ассемблирования и тестирования. Эта возможность может быть использована как для тиражирования, так и для занесения калибровочных данных уже после окончательного тестирования разработанного МКУ. Однако, данные МК имеют ограниченное количество циклов перепрограммирования.

2. Однократно программируемые микроконтроллеры (ОТР). Эти МК могут быть однократно запрограммированы пользователем и применяются в тех случаях, когда нет необходимости часто менять содержание программы или конфигурацию микроконтроллера в разрабо-танном МКУ. Для некоторых типов МК (таких например, как PIC 16C54, PIC 16C55, PIC 16C57 и т.д.) тип генератора задается на заводе-изготовителе и микроконтроллер тестируется только для заданного типа генератора. Для других типов МК (таких, например, как PIC16C52, PIC16C54A, PIC16C58A и т.д.) тип генератора программируется пользователем. Дополнительно можно при этом подключить сторожевой таймер и/или логику защиты программ от считывания. Так же можно запрограммировать 16 специальных битов для идентификации.

3 .Микроконтроллеры, программируемые изготовителем (QTP). Эти МК являются заказными и полностью программируемыми на заводе- изготовителе по заранее предоставленной пользователем информации. То есть, это так же однократно программируемые контроллеры (ОТР) с единственной разницей, что программирование осуществляется не пользователем, а на заводе-изготовителе.

4. Микроконтроллеры, последовательно программируемые изготовителем (SQTP). Это так же заказные однократно программируемые на заводе-изготовителе МК типа QTP, в которых несколько задаваемых пользователем ячеек в каждом микроконтроллере программируются различными серийным номерам. Причем, эти номера могут быть случайными, псевдослучайными или последовательными. Последовательное программирование позволяет каждому МК иметь собственный номер, который может быть использован в качестве пароля, кода доступа или идентификации.

5.Масочные микроконтроллеры (ROM). Эти МК также являются заказными и обеспечивают максимально низкую стоимость при крупно- серийных заказах (например, такими МК являются PIC16CR54, PIC16CR56, PIC16CR57, PIC16CR58 и т.д.).

 

 

Однокристальные микроконтроллеры семейства PIC16C5X

Структурная организация микроконтроллеров PIC16C5X

    память данных (ОЗУ); арифметико-логическое устройство (ALU); порты ввода/вывода (Port A, B и С); регистры состояния…

Рис.2.5. Организация памяти данных

 

регистры и регистры общего назначения. Специальные регистры (табл. 2.3) включают в себя регистр таймера/счетчика реального времени (RTCC-TMRO), счетчик команд (PC), регистр состояния (STATUS), регистры ввода/вывода (PORT) и регистр косвенной адресации (FSR). Кроме того, специальные регистры управляют конфигурацией портов ввода-вывода и режимом предварительного делителя.

Регистры общего назначения используются для хранения переменных по усмотрению пользователя.

 

Таблица 2.3

Описание специальных регистров Р1С16С5Х

 

Адрес	Название	Бит 7	Бит 6	Бит 5	Бит 4	БитЗ	Бит 2	Бит1	Бит 0	Значение по вклю- чению питания	Значение по сбросу по MCLR и WDT
00h	INDF .	Используется значение FSR для доступа к памяти данных (не физический регистр)	-- - - -- - -	-- - - -- - -
01h	TMRO	8-разрядный счетчик/таймер	хххх хххх	uuuu uuuu
02h	PCL	Младшие 8 разрядов счетчика команд PC	1111 1111	1111 1111
03h	STATUS	РА2	РА1	РАО	ТО	PD	Z	DC	С	0001 1xxx	000? ?uuu
04h	FSR	Регистр косвенной адресации	хххх хххх	uuuu uuuu
05h	PORTA	-	-	-	-	РАЗ	RA2	RA1	RA0	-- - - хххх	-- - - uuuu
06h	PORTB	RB7	RB6	RB5	RB4	RB3	RB2	RB1	RB0	хххх хххх	uuuu uuuu
07h	PORTC	RC7	RC6	RC5	RC4	RC3	RC2	RC1	RC0	хххх хххх	uuuu uuuu

Обозначения:x - не определено, u - не меняется, — - отсутствует, читается как '0',

? - значение зависит от условий сброса.

Примечания:

1. Старшие разряды счетчика команд непосредственно не доступны. Обращение к старшим битам осуществляется через биты РА1, РАО (STATUS<6:5>).

2. Для PIC16C52/54/C54A/CR54/CR54A/CR54B/C56/CR56/C58A/CR58A/CR58B ре­гистр 07h является регистром общего назначения.

3. Заштрихованы физически отсутствующие биты.

 

При непосредственной (прямой) адресации (рис. 2.6) выбор банка осуществляется с помощью 2-х бит PR0 и RP1, которые находятся в 5 и 6 разрядах регистра косвенной адресации (FSR/Pointer) соответственно. Выбор регистра в банке осушествляется с помощью 5-ти разрядного адреса, поступающего в ОЗУ прямо из кода команды по выделенной для этих целей отдельной шине адреса, которая связывает регистр команд и память данных.

При косвенной адресации (рис. 2.6) используется переключатель косвенной адресации (регистр f0 в памяти данных, который физически не существует) и указатель Pointer (регистр f4 - FSR). Существуют некоторые отличия при осуществлении косвенной адресации для различных типов МК. Так для PIC16C54/C55/C56: биты 0-4 регистра (f4) выбирают один из 32 регистров в режиме косвенной адресации, т.е. когда в команде есть обращение к регистру косвенной адресации (f0). Биты 5-7 не используются и всегда читаются как единицы. Если косвенная адресация

 

Прямая адресация Косвенная адресация

 

из кода команды

RP1 RP0 4 0 6 FSR 0

 

Выбор банка Выбор регистра Выбор банка Выбор регистра

 

 

00 01 10 11

 

Память 0F

данных 10

 

Банк 0 Банк 1 Банк 2 Банк 3

FSR - Регистр косвенной адресации

RP1, RP0 – Биты 6 и 5 регистра FSR, соответственно

Рис. 2.6. Прямая и косвенная адресация   не используется, регистр f4 может быть использован как 5-ти битовый регистр общего назначения. Для PIC16C57 первые 16…

Режимы работы и специальные функции

Семейство микроконтроллеров Р1С16С5Х имеет набор специальных функций, предназначенных для расширения возможностей системы, минимизации стоимости,… Ø выбор типа генератора; Ø сброс;

Биты конфигурации

Слово конфигурации (CONFIG) располагается по адресу 0FFh в памяти программ и имеет следующее содержание:   11 4 3 2 1 0   CP WDTE FOSC1 FOSC0

D=1 для обозначения F

  Команды работы с битами 11 8 7 5 4 0 … b=3 разрядный номер бита

Рис.2.14. Общий формат команды

 

Все команды выполняются в течение одного командного цикла. В двух случаях исполнение команды занимает два командных цикла:

1. Исполнение условной команды.

2. Проверка условия и переход.

Один командный цикл состоит из четырех периодов генератора. Таким образом, для генератора с частотой 4 МГц время исполнения командного цикла будет 1 мкс.

Таблица 2.6

Описание полей команд PIC 16C5Х

 

Поле	Описание
f	Адрес регистра
w	Рабочий регистр
b	Номер бита в 8-ми разрядном регистре
k	Константа
x	Не используется, ассемблер формирует код с х=0
d	Регистр назначения: D=0 результат в регистре W D=1 результат в регистре f По умолчанию d=1
Label	Имя метки
TOS	Вершина стека (Top Of Stack)
PC	Счетчик команд (Program Counter)
/TO	Тайм-аут (Time Out)
/PD	Выключение питания (Power Down)
Dest	Регистр назначения: рабочий регистр W или регистр, заданный в команде
[ ]	Необязательные параметры
( )	Содержание
?	Присвоение
< >	Битовое поле
Є	Из набора

 

 

Таблица 2.7

Система команд Р1С16С5Х.

 

Мнемокод	Название команды	Цик лы	Код команды (11-бит)	Биты сос тоя- ния	При- меча- ния
Команды работы с байтами
ADOWF f,d	Сложение W с f		0001 lldf ffff	С, DC, Z	2,4
ANDWF f,d	Логическое И W и f		0001 0ldf ffff	Z	2,4
CLRF f	Сброс регистра f		0000 0llf ffff	Z
CLRW	Сброс регистра W		0000 0100 0000	Z

Продолжение таблицы 2.7

 

Мнемокод	Название команды	Цик лы	Код команды (11-бит)	Биты сос тоя- ния	При- меча- ния
COMF f,d	Инверсия регистра f		0010 0ldf ffff	Z
DECF f,d	Декремент регистра f		0000 lldf ffff	Z	2,4
DECFSZ f,d	Декремент f, пропустить команду, если 0	1(2)	0010 lldf ffff		2,4
INCF f,d	Инкремент регистра f		0010 l0df ffff	Z	2,4
INCFSZ f,d	Инкремент f, пропустить команду.если 0	1(2)	0011 lldf ffff		2,4
IORWF f,d	Логическое ИЛИ W и f		0001 00df ffff	Z	2,4
MOVF f,d	Пересылка регистра f		0010 00df ffff		2,4
MOVWF f	Пересылка W в f		0000 00lf ffff
NOP	Холостая команда		0000 0000 0000
RLF f,d	Сдвиг f влево через перенос		0011 0ldf ffff	С	2,4
RRF f,d	Сдвиг f вправо через перенос		0011 00df ffff	С	2,4
SUBWF f,d	Вычитание W из f		0000 10df ffff	С, DC, Z	2,4
SWAPF f,d	Обмен местами тетрад в f		0011 l0df ffff		2,4
XORWF f.d	Исключающее ИЛИ W и f		0001 l0df ffff	Z	2,4
Команды работы с битами
BCF f,b	Сброс бита в регистре f		0100 bbbf ffff		2,4
BSF f,b	Установка бита в регистре f		0101 bbbf ffff		2,4
BTFSC f,b	Пропустить команду, если бит в f равен нулю	1(2)	0110 bbbf ffff
BTFSS f,b	Пропустить команду. и если бит в f равен единице	1(2)	0111 bbbf ffff
Команды передачи управления и операции с константами
ANDLW k	Логическое И константы и W		1110 kkkk kkkk	Z
CALL k	Вызов подпрограммы		1001 kkkk kkkk
CLRWDT	Сброс сторожевого таймера WDT		0000 0000 0100	TO.PD
GOTO k	Переход по адресу		101k kkkk kkkk

Окончание таблицы 2.7

  Примечания: 1, Команды, записывающие значение в счетчик команд (например, CALL, MOVWF PC и т. д), за исключением команды…