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.

Таблица команд ассемблера для микроконтроллеров PIC12,16