深度剖析Microchip PIC16F870/871微控制器：硬件特性與應(yīng)用指南

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，選擇一款合適的微控制器對(duì)于項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。Microchip的PIC16F870/871微控制器以其豐富的功能和出色的性能，成為眾多工程師的首選之一。今天，我們就來(lái)深入探討這款微控制器的各項(xiàng)特性、功能模塊以及實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。

文件下載：PIC16LF870T-I SO.pdf

一、器件概述

PIC16F870和PIC16F871是Microchip推出的兩款8位CMOS FLASH微控制器，分別采用28引腳和40引腳封裝。它們具有高性能RISC CPU，指令集簡(jiǎn)潔，僅需學(xué)習(xí)35條單字指令，除程序分支指令為雙周期外，其余均為單周期指令，運(yùn)行速度快，時(shí)鐘輸入范圍為DC - 20 MHz，指令周期可達(dá)200 ns。

核心特性

• 高性能RISC CPU：提供高效的指令執(zhí)行能力，減少程序執(zhí)行時(shí)間。
• 大容量存儲(chǔ)：擁有2K x 14的FLASH程序存儲(chǔ)器、128 x 8字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）和64 x 8字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，滿足不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。
• 豐富的中斷能力：PIC16F870有10個(gè)中斷源，PIC16F871則多達(dá)11個(gè)，可及時(shí)響應(yīng)外部事件。
• 低功耗設(shè)計(jì)：在不同工作模式下都能保持較低的功耗，如在5V、4 MHz典型條件下電流小于1.6 mA，3V、32 kHz典型條件下為20 μA，待機(jī)電流小于1 μA。
• 靈活的振蕩器選項(xiàng)：支持RC、HS、LP、XT等多種振蕩器模式，可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的時(shí)鐘源。
• 強(qiáng)大的編程與調(diào)試功能：支持在線串行編程（ICSP）和在線調(diào)試，可通過(guò)兩根引腳實(shí)現(xiàn)，還具備單5V在線串行編程能力。

二、存儲(chǔ)器組織

程序存儲(chǔ)器

PIC16F870/871的程序存儲(chǔ)器為13位程序計(jì)數(shù)器可尋址的8K x 14空間，但實(shí)際只有2K x 14的FLASH程序存儲(chǔ)器。復(fù)位向量位于0000h，中斷向量位于0004h。當(dāng)訪問(wèn)超出物理實(shí)現(xiàn)地址時(shí)，會(huì)發(fā)生回繞。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為多個(gè)存儲(chǔ)體，由STATUS寄存器的RP1和RP0位選擇。每個(gè)存儲(chǔ)體最大為7Fh（128字節(jié)），低位用于特殊功能寄存器，高位為通用寄存器。特殊功能寄存器又分為核心（CPU）和外設(shè)兩類(lèi)，控制著設(shè)備的各種操作。

三、I/O端口

PORTA

6位雙向端口，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)方向寄存器為T(mén)RISA。部分引腳復(fù)用為模擬輸入和VREF輸入，RA4/T0CKI引腳為施密特觸發(fā)輸入和開(kāi)漏輸出。使用時(shí)需注意，上電復(fù)位時(shí)這些引腳配置為模擬輸入，讀取為'0'，使用模擬輸入時(shí)需確保TRISA寄存器相應(yīng)位為1。

PORTB

8位雙向端口，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)方向寄存器為T(mén)RISB。部分引腳復(fù)用為低壓編程功能，每個(gè)引腳有弱上拉電阻，可通過(guò)OPTION_REG寄存器的RBPU位控制。RB7:RB4引腳具有電平變化中斷功能，可用于喚醒設(shè)備。

PORTC

8位雙向端口，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)方向寄存器為T(mén)RISC。部分引腳復(fù)用為多個(gè)外設(shè)功能，引腳具有施密特觸發(fā)輸入緩沖器。啟用外設(shè)功能時(shí)，需注意TRIS位的設(shè)置，避免影響引腳功能。

PORTD和PORTE（僅PIC16F871）

PORTD為8位端口，可配置為并行從端口；PORTE有三個(gè)引腳，可配置為輸入或輸出，也可作為并行從端口的控制輸入。

并行從端口（PSP，僅PIC16F871）

當(dāng)TRISE寄存器的PSPMODE位設(shè)置時(shí)，PORTD可作為8位并行從端口，通過(guò)RE0/RD、RE1/WR和RE2/CS控制輸入，可直接與8位微處理器數(shù)據(jù)總線接口。

四、定時(shí)器模塊

Timer0

8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有8位可編程預(yù)分頻器，可選擇內(nèi)部或外部時(shí)鐘源，溢出時(shí)產(chǎn)生中斷。預(yù)分頻器與看門(mén)狗定時(shí)器共享，可通過(guò)OPTION_REG寄存器配置。

Timer1

16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，由TMR1H和TMR1L兩個(gè)8位寄存器組成?？晒ぷ髟诙〞r(shí)器或計(jì)數(shù)器模式，通過(guò)T1CON寄存器控制。在異步計(jì)數(shù)器模式下可在睡眠模式下運(yùn)行并產(chǎn)生中斷喚醒處理器。

Timer2

8位定時(shí)器，帶有預(yù)分頻器和后分頻器，可作為CCP模塊PWM模式的時(shí)基。TMR2寄存器可讀可寫(xiě)，復(fù)位時(shí)清零。

五、捕獲/比較/PWM模塊（CCP）

每個(gè)CCP模塊包含一個(gè)16位寄存器，可作為16位捕獲寄存器、16位比較寄存器或PWM主/從占空比寄存器。

捕獲模式

在捕獲模式下，CCPR1H:CCPR1L捕獲TMR1寄存器的16位值，根據(jù)CCP1CON寄存器的配置，可在不同的邊沿觸發(fā)捕獲操作。

比較模式

將16位CCPR1寄存器的值與TMR1寄存器對(duì)的值進(jìn)行比較，根據(jù)CCP1CON寄存器的配置，在匹配時(shí)對(duì)RC2/CCP1引腳進(jìn)行相應(yīng)操作，并設(shè)置中斷標(biāo)志位CCP1IF。

PWM模式

在PWM模式下，CCP1引腳可產(chǎn)生最高10位分辨率的PWM輸出。PWM周期由PR2寄存器指定，占空比由CCPR1L寄存器和CCP1CON<5:4>位指定。

六、通用同步異步收發(fā)器（USART）

USART模塊可配置為全雙工異步系統(tǒng)或半雙工同步系統(tǒng)，支持9位地址檢測(cè)的多處理器通信。

異步模式

使用標(biāo)準(zhǔn)NRZ格式，通過(guò)波特率發(fā)生器產(chǎn)生時(shí)鐘，可選擇高速或低速模式。發(fā)送和接收功能獨(dú)立，支持8位或9位數(shù)據(jù)傳輸。

同步主模式

數(shù)據(jù)半雙工傳輸，由處理器在CK線發(fā)送主時(shí)鐘。發(fā)送和接收操作通過(guò)TXEN和CREN、SREN控制。

同步從模式

移位時(shí)鐘由外部提供，可在睡眠模式下傳輸或接收數(shù)據(jù)。

七、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）模塊

A/D轉(zhuǎn)換器模塊具有5個(gè)（28引腳設(shè)備）或8個(gè)（其他設(shè)備）模擬輸入通道，可產(chǎn)生10位數(shù)字結(jié)果。通過(guò)ADCON0和ADCON1寄存器控制操作和配置端口引腳。支持在睡眠模式下操作，但需將A/D時(shí)鐘源設(shè)置為內(nèi)部RC振蕩器。

八、特殊特性

振蕩器選擇

支持LP、XT、HS、RC四種振蕩器模式，可通過(guò)配置位FOSC1和FOSC0選擇。不同模式適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，如RC模式適用于對(duì)時(shí)序要求不高的應(yīng)用，可節(jié)省成本；LP模式則可節(jié)省功耗。

復(fù)位機(jī)制

包括上電復(fù)位（POR）、MCLR復(fù)位、看門(mén)狗定時(shí)器復(fù)位（WDT）和欠壓復(fù)位（BOR）。不同的復(fù)位情況會(huì)對(duì)寄存器產(chǎn)生不同的影響，可通過(guò)STATUS寄存器的(overline{TO})和(overline{PD})位判斷復(fù)位類(lèi)型。

中斷系統(tǒng)

具有多達(dá)14個(gè)中斷源，通過(guò)INTCON、PIR1和PIR2寄存器記錄中斷請(qǐng)求，通過(guò)GIE、PEIE和各中斷使能位控制中斷。中斷發(fā)生時(shí)，GIE位清零，返回地址壓入堆棧，PC加載為0004h。

看門(mén)狗定時(shí)器（WDT）

獨(dú)立的片上RC振蕩器，可在時(shí)鐘停止時(shí)運(yùn)行。正常運(yùn)行時(shí)超時(shí)產(chǎn)生復(fù)位，睡眠模式下超時(shí)喚醒設(shè)備。可通過(guò)配置位WDTEN永久禁用。

睡眠模式

執(zhí)行SLEEP指令進(jìn)入睡眠模式，此時(shí)看門(mén)狗定時(shí)器清零但繼續(xù)運(yùn)行，振蕩器驅(qū)動(dòng)關(guān)閉，I/O端口保持狀態(tài)?？赏ㄟ^(guò)外部復(fù)位、看門(mén)狗定時(shí)器喚醒或中斷喚醒。

代碼保護(hù)

具有EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和FLASH程序存儲(chǔ)器的代碼保護(hù)機(jī)制，可通過(guò)配置位控制。代碼保護(hù)啟用后，只有全擦除設(shè)備才能禁用。

在線串行編程（ICSP）和低壓ICSP編程

支持在線串行編程，可在最終應(yīng)用電路中對(duì)微控制器進(jìn)行編程。低壓ICSP編程模式允許使用正常工作電壓的VDD源進(jìn)行編程。

九、開(kāi)發(fā)支持

Microchip為PIC16F870/871提供了豐富的開(kāi)發(fā)工具，包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（MPLAB IDE）、匯編器（MPASM）、編譯器（MPLAB C17、MPLAB C18、MPLAB C30）、模擬器（MPLAB SIM、MPLAB SIM30）、仿真器（MPLAB ICE 2000、MPLAB ICE 4000）、在線調(diào)試器（MPLAB ICD 2）和設(shè)備編程器（PRO MATE II、PICSTART Plus）等，方便工程師進(jìn)行開(kāi)發(fā)和調(diào)試。

十、總結(jié)

PIC16F870/871微控制器以其豐富的功能、低功耗和靈活的配置選項(xiàng)，適用于各種嵌入式應(yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇振蕩器模式、配置寄存器、處理中斷和進(jìn)行編程調(diào)試。同時(shí)，要注意各項(xiàng)電氣特性和時(shí)序要求，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文能為電子工程師在使用PIC16F870/871微控制器時(shí)提供有價(jià)值的參考。