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PIC系列单片机 |
Ⅰ.简介
一、引言
据统计，我国的单片机年容量已达1－3亿片，且每年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。这说明单片机应用在我国才刚刚起步，有着广阔的前景。培养单片机应用人才，特别是在工程技术人员中普及单片机知识有着重要的现实意义。
当今单片机厂商琳琅满目，产品性能各异。针对具体情况，我们应选何种型号呢？首先，我们来弄清两个概念：集中指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。采用CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用，即所谓冯.诺伊曼结构。它的指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格亦高。采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓哈佛结构。这使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。属于CISC结构的单片机有Intel8051系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond(华邦)W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列等；属于RISC结构的有Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。一般来说，控制关系较简单的小家电，可以采用RISC型单片机；控制关系较复杂的场合，如通讯产品、工业控制系统应采用CISC单片机。不过，RISC单片机的迅速完善，使其佼佼者在控制关系复杂的场合也毫不逊色。
根据程序存储方式的不同，单片机可分为EPROM、OTP（一次可编程）、QTP（掩膜）三种。我国一开始都采用ROMless型单片机（片内无ROM，需片外配EPROM），对单片机的普及起了很大作用，但这种强调接口的单片机无法广泛应用，甚至走入了误区。如单片机的应用一味强调接口，外接I/O及存储器，便失去了单片机的特色。目前单片机大都将程序存储体置于其内，给应用带来了极大的方便。值得一提的是，以往OTP型单片机的价格是QTP的3倍，而现在已降至1.5－1.2倍，选用OTP型以免订货周期、批量的麻烦是可取的。
二、PIC系列单片机有什么优势？
自从我95年接触PIC单片机以来，便一直热衷于这种单片机的开发与应用。有不少朋友问我：PIC到底有什么优势？也许你也会有这样的疑问，所以我在这里略谈几点自己的看法。 |
| 1) PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。比如，一个摩托车的点火器需要一个I/O较少、RAM及程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机，若采用40脚且功能强大的单片机，投资大不说，使用起来也不方便。PIC系列从低到高有几十个型号，可以满足各种需要。其中，PIC12C508单片机仅有8个引脚，是世界上最小的单片机，如图1所示： |
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该型号有512字节ROM、25字节RAM、一个8位定时器、一根输入线、5根I/O线，市面售价在3－6元人人民币。这样一款单片机在象摩托车点火器这样的应用无疑是非常适合。PIC的高档型号，如PIC16C74（尚不是最高档型号）有40个引脚，其内部资源为ROM共4K、192字节RAM、8路A/D、3个8位定时器、2个CCP模块、三个串行口、1个并行口、11个中断源、33个I/O脚。这样一个型号可以和其它品牌的高档型号媲美。
2) 精简指令使其执行效率大为提高。PIC系列8位CMOS单片机具有独特的RISC结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard）结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用CISC结构的8位单片机相比，可以达到2:1的代码压缩，速度提高4倍。
3) 产品上市零等待（Zero time to market）。采用PIC的低价OTP型芯片，可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市。
4) PIC有优越开发环境。OTP单片机开发系统的实时性是一个重要的指标，象普通51单片机的开发系统大都采用高档型号仿真低档型号，其实时性不尽理想。PIC在推出一款新型号的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。就我个人的经验看，还没有出现过仿真结果与实际运行结果不同的情况。
5) 其引脚具有防瞬态能力,通过限流电阻可以接至220V交流电源,可直接与继电器控制电路相连,无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。
6) 彻底的保密性。PIC以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。
7) 自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。
8) 睡眠和低功耗模式。虽然PIC在这方面已不能与新型的TI－MSP430相比，但在大多数应用场合还是能满足需要的。 |
| Ⅱ.什么是PIC |
| PIC（Peripheral Interface Controller）是一种用来开发的去控制外围设备的集成电路（IC）。一种具有分散作用（多任务）功能的CPU。与人类相比，大脑就是CPU，PIC 共享的部分相当于人的神经系统。 |
| PIC 是一个小的计算机
PIC 有计算功能和记忆内存像CPU并由软件控制允行。然而，处理能力—存储器容量却很有限，这取决于PIC的类型。但是它们的最高操作频率大约都在20MHz左右，存储器容量用做写程序的大约1K—4K字节。
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时钟频率与扫描程序的时间和执行程序指令的时间有关系。但不能仅以时钟频率来判断程序处理能力，它还随处理装置的体系结构改变（1*）。如果是同样的体系结构，时钟频率较高的处理能力会较强。
这里用字来解释程序容量。用一个指令（2*）表示一个字。通常用字节（3*）来表示存储器（4*）容量。一个字节有8位，每位由1或0组成。PIC16F84A 的指令由14位构成。当把1K个子转换成位为：1 x 1,024 x 14 = 14,336位。再转换为字节为：14,336/(8 x 1,024) = 1.75K。在计算存储器的容量时，我们规定 1G 字节 = 1,024M 字节, 1M 字节 = 1,024K 字节, 1K 字节= 1,024 字节. 它们不是以1000为倍数，因为这是用二进制计算的缘故。
1*计算机的物理结构,包括组织结构、容量、该计算机的CPU、存储器以及输入输出设备间的互连。经常特指CPU的组织结构,包括它的寄存器、标志、总线、算术逻辑部件、指令译码与执行机制以及定时和控制部件。
2*指出某种操作并标识其操作数(如果有操作数的话)的一种语言构造
3*作为一个单位来操作(运算)的一个二进制字符串,通常比计算机的一个字短。
4*处理机内的所有可寻址存储空间以及用于执行指令的其它内存储器。
在计算存储器的容量时，我们规定 1G 字节 = 1,024M 字节, 1M 字节 = 1,024K 字节, 1K 字节= 1,024 字节. 它们不是以1000为倍数，因为这是用二进制计算的缘故。
用PIC使电路做的很小巧变得可能。
因为PIC可以把计算部分、内存、输入和输出等都做在一个芯片内。所以她工作起来效率很高、功能也自由定义还可以灵活的适应不同的控制要求，而不必去更换不同的IC。这样电路才有可能做的很小巧。 |
| Ⅲ.常用PIC系列8位单片机芯片引脚符号的功能 |
笔者读了本 版有关PIC 8位单片机的产品性能和相应的封装引脚介绍后，认为对初学者而言还需了解各引脚符号的意义，才能进一步学习和使用它。笔者为此作相关的说明，以便和初学者共同提高。
一、关于I/O口符号 PIC单片机系列封装引脚最少的是8引脚(如PIC12C5XX和PIC12C6XX)，多的可达84引脚(如PIC17C76X)，其中I/O(输入/输出)口线按PIC单片机产品型号不同，其口线数量也不相同。8脚封装的I/O口线是6根线，而84脚封装的I/O线多达66根线。这些口线符号分别按英文字母顺序排列编号，简称A口、B口、C口、D口、E口、F口……，每个口是8位的，但不一定占满8位。这些口在封装引脚图的标注上均在各口之前加有R符号。例如B口标注为RB0、RB1、RB2……RB7；E口为RE0、RE1……RE7；G口为RG1、RG2……；而对8脚封装的单片机共有6根I/O口线，其引脚图的标注与上略有不同而是GP0～GP5。上述的各口线都是可独立编程的双向I/O口线。
二、引脚的复用功能和符号 单片机的信号引脚是单片机外特性的体现，在硬件上用户只能使用引脚，通过引脚的连接组建单片机系统。PIC 8位单片机系列和MCS－51系列单片机一样，其引脚除电源VDD、VSS为单一功能外，其余的信号引脚常是多个功能，即引脚的复用功能。常见的引脚符号和主要功能如下：
1MCLR/Vpp 清除(复位)输入/编程电压输入。其中MCLR为低电平时，对芯片复位。该脚上的电压不能超过VDD，否则会进入测试方法。Vpp代表编程电压。
2OSC1/CLKIN 振荡器晶体/外部时钟输入端。
3OSC2/CLKOUT 振荡器晶体输出端，在晶体振荡方式接晶体，在RC方式输出OSC1频率的1/4信号CLKOUT。
4TOCK1 TMRO计数器输入端，如不用，为了减少功能应接地或接VDD。
5TICK1 TMR1时钟输入端。
6TIOSI TMR1的振荡输入端。
7TIOSO TMR1的振荡输出端。
8RD、WR、CS 分别代表并行口读信号、写信号和片选控制线。
9AN0～AN7 A/D转换的模拟量输入端。AN0、AN1……分别表示通道的个数。
10CCP 捕捉/比较/脉宽调制等功能端。CCP是Capture/Compare/PWM的缩写。有的PIC芯片内有两个CCP部件，其引脚用符号CCP1和CCP2表示。
11SCK/SCL 同步串行通信时钟输入端。
12TX/CK 异步通信发送端/SCI同步传输的时钟端。
13SDI/SDA SPI通信数据输入端。
14SD0 SPI通信数据输出端。
15RD0/PSP0～RD7/PSP7 D口，双向可编程，亦可作为并行口。作并行口对TTL输入，作I/O口时为斯米特输入。
以上是PIC 8位单片机系列封装引脚符号的说明，此外在阅读PIC 8位单片机有关资料时，常遇到一些字母符号和功能，也简介如下：
1OTP 一次性编程。OTP是One Time Program的缩写。
2RISC 简称精简指令集。RISC是Reduced Instruction Set Computer的缩写。
3SSP 同步串行口。SSP是Synchronous Serial Port的缩写。
4SCI 串行通信接口。SCI是Serial Communication Interface的缩写。
5USART 全双工通用串行异步接收发送系统。USART是Universal Serial Aosynchronous Receiver Transmitter的缩写。
6UART 通用异步接收发送器。
7POR 上电复位功能。POR是Power On Reset的缩写。
8OST 振荡器起振定时器。OST是Oscillator Start－up Timer的缩写。
9PWRT 上电延时定时器。PWRT是Power－up Timer的缩写。
10SFR 专用寄存器。SFR是Special Function Register的缩写。
11PWM 脉宽调制器。PWM是Pulse Width Modulation的缩写。
12MIPS 每秒可执行百万条指令。MIPS是Million Instructions Per Second的缩写。 |
| Ⅳ.PIC系单片机与MCS-51系列单片机的区别 |
应该说有三个主要特点：
(1)总线结构:MCS-51的总线结构是冯-诺依曼型,计算机在同一个存储空间取指令和数据,两者不能同时进行;而PIC的总线结构是哈佛结构,指令和数据空间是完全分开的,一个用于指令,一个用于数据,由于可以对程序和数据同时进行访问,所以提高了数据吞吐率。正因为在PIC系列单片机中采用了哈佛双总线结构，所以与常见的微控制器不同的一点是：程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8位的，但指令总线位数分别位12、14、16位。
(2)流水线结构:MCS-51的取指和执行采用单指令流水线结构,即取一条指令,执行完后再取下一条指令;而PIC的取指和执行采用双指令流水线结构,当一条指令被执行时,允许下一条指令同时被取出,这样就实现了单周期指令。
(3)寄存器组:PIC的所有寄存器,包括I/O口,定时器和程序计数器等都采用RAM结构形式,而且都只需要一个指令周期就可以完成访问和操作;而MCS-51需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。
更详细的区别可参考相关书籍. |
| Ⅴ.PIC8位8脚单片机12C5××和12CE5××系列的特点 |
Microchip公司生产的8位单片机PIC12C508(A)/509(A)型和PIC12CE518/519型产品，仅有8个引脚，其管脚排列如下图所示。该产品是PIC基本级之一，其特点是低功耗、多功能、高性能、体积小和售价低廉。因该产品体积小，所以它们可以嵌入几乎任何一种电子产品中，特别是便携式电子产品，如各种IC卡、电子身份牌、照相机、充电器、计时器、智能传感器、灯光调节器、儿童玩具等等，都已得到了广泛的应用。
PIC12CE5××与12C5××系列产品的区别仅仅是前者带有E2PROM的数据存储器，而后者的数据区为RAM。其余特性和管脚排列、性能几乎完全相同，它们都属于OTP单片机(一次写入不可擦除)，适于批量的电子产品使用。
主要功能 高性能RISC结构CPU；精简指令集仅33条单字节指令，易学易用；执行速度DC～1μs；两级硬件堆栈；直接/间接/相对三种寻址方式。
片内硬件性能 8位定时器/计数器TMRO，带有8位预分频器；驱动力强，I/O口可直接驱动数码管LED显示；内置上电复位电路(POR)以保证复位正常；内置自振式看门狗(1＋WDT)，防止程序死锁；程序保密位；防止程序代码非法拷贝；低功耗睡眠功能；内置4MHz RC型振荡器，可选三种振荡时钟(RC、XT、LP)。
电源的温度特性 工作电压25V～55V；低功耗睡眠(Sleep)模式<1μA；时钟频率低，功耗小，如32kHz时功耗<15μA；工作温度：商用级0℃～＋70℃；工业级－40℃～＋85℃和汽车级－40℃～＋125℃，特别是后者已大量应用于汽车电子和航空仪表中。 |
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