探索Microchip PIC16C5X系列8位微控制器的魅力

在電子工程領(lǐng)域，選擇一款合適的微控制器對于項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。Microchip的PIC16C5X系列8位微控制器以其高性能、低成本和豐富的特性，成為了眾多工程師的首選。今天，我們就來深入探討一下這個(gè)系列的微控制器。

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一、PIC16C5X系列概述

PIC16C5X系列是Microchip推出的一系列低成本、高性能的8位全靜態(tài)、基于EPROM/ROM的CMOS微控制器。它采用了RISC架構(gòu)，僅有33條單字/單周期指令，除了程序分支指令需要兩個(gè)周期外，其余指令均為單周期執(zhí)行，這使得它在相同價(jià)格類別中性能遠(yuǎn)超競爭對手。其12位寬的指令高度對稱，與同類8位微控制器相比，代碼壓縮比達(dá)到2:1，易于使用和記憶的指令集大大縮短了開發(fā)時(shí)間。

1.1 應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

PIC16C5X系列適用于從高速汽車和家電電機(jī)控制到低功耗遠(yuǎn)程發(fā)射器/接收器、指點(diǎn)設(shè)備和電信處理器等各種應(yīng)用。EPROM技術(shù)使得定制應(yīng)用程序（如發(fā)射器代碼、電機(jī)速度、接收器頻率等）變得極為快速和方便。此外，其小尺寸封裝適用于空間受限的應(yīng)用，低成本、低功耗、高性能、易用性和I/O靈活性使其在以前未考慮使用微控制器的領(lǐng)域也具有很高的通用性。

1.1 產(chǎn)品特性豐富

該系列產(chǎn)品具備多種特殊功能，可降低系統(tǒng)成本和功耗。上電復(fù)位（POR）和設(shè)備復(fù)位定時(shí)器（DRT）無需外部復(fù)位電路；提供四種振蕩器配置，包括節(jié)能的LP（低功耗）振蕩器和低成本的RC振蕩器；節(jié)能的SLEEP模式、看門狗定時(shí)器和代碼保護(hù)功能提高了系統(tǒng)的成本效益、功耗效率和可靠性。

二、架構(gòu)剖析

2.1 哈佛架構(gòu)優(yōu)勢

PIC16C5X采用哈佛架構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)通過獨(dú)立的總線訪問，與傳統(tǒng)的馮·諾依曼架構(gòu)相比，提高了帶寬。這種架構(gòu)允許指令和8位寬的數(shù)據(jù)字采用不同的大小，12位寬的程序存儲(chǔ)器訪問總線可在一個(gè)周期內(nèi)獲取12位指令，兩級(jí)流水線使指令的獲取和執(zhí)行重疊，除程序分支外，所有33條指令均在一個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行。

2.2 靈活的尋址方式

PIC16C5X可以直接或間接尋址其寄存器文件和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，所有特殊功能寄存器（包括程序計(jì)數(shù)器）都映射在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。其高度正交（對稱）的指令集使得可以使用任何尋址模式對任何寄存器執(zhí)行任何操作，編程簡單高效，學(xué)習(xí)曲線也大大縮短。

2.3 強(qiáng)大的ALU

PIC16C5X包含一個(gè)8位ALU和工作寄存器，ALU是一個(gè)通用算術(shù)單元，能夠執(zhí)行加法、減法、移位和邏輯運(yùn)算等算術(shù)和布爾函數(shù)。在雙操作數(shù)指令中，通常一個(gè)操作數(shù)是W（工作）寄存器，另一個(gè)操作數(shù)可以是文件寄存器或立即常量；在單操作數(shù)指令中，操作數(shù)可以是W寄存器或文件寄存器。

三、振蕩器配置

PIC16C5X可以在四種不同的振蕩器模式下運(yùn)行，用戶可以通過編程兩個(gè)配置位（FOSC1:FOSC0）來選擇其中一種模式：

3.1 晶體/陶瓷諧振器模式（XT、LP、HS）

在XT、LP或HS模式下，需要將晶體或陶瓷諧振器連接到OSC1/CLKIN和OSC2/CLKOUT引腳以建立振蕩。需要注意的是，PIC16C5X振蕩器設(shè)計(jì)需要使用并聯(lián)切割晶體，使用串聯(lián)切割晶體可能會(huì)導(dǎo)致頻率超出制造商的規(guī)格。此外，在這些模式下，設(shè)備可以由外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)OSC1/CLKIN引腳。

3.2 RC振蕩器模式

對于對定時(shí)不敏感的應(yīng)用，RC振蕩器選項(xiàng)可以進(jìn)一步節(jié)省成本。RC振蕩器的頻率受電源電壓、電阻（REXT）和電容（CEXT）值以及工作溫度的影響，并且由于正常的工藝參數(shù)變化，不同單元之間的振蕩器頻率也會(huì)有所不同。為了保證振蕩器的穩(wěn)定性，建議將REXT保持在3k?到100k?之間，并使用大于20pF的外部電容。

四、復(fù)位機(jī)制

PIC16C5X設(shè)備可以通過以下幾種方式進(jìn)行復(fù)位：上電復(fù)位（POR）、MCLR復(fù)位（正常操作）、MCLR喚醒復(fù)位（從SLEEP模式）、看門狗定時(shí)器復(fù)位（正常操作）和看門狗定時(shí)器喚醒復(fù)位（從SLEEP模式）。不同的復(fù)位條件會(huì)設(shè)置或清除(overline{TO})和(overline{PD})位（STATUS<4:3>），這些位可以用于確定復(fù)位的性質(zhì)。

4.1 上電復(fù)位（POR）

PIC16C5X系列內(nèi)置了上電復(fù)位（POR）電路，在大多數(shù)上電情況下提供內(nèi)部芯片復(fù)位。為了使用此功能，用戶只需將MCLR/VPP引腳連接到VDD。在某些情況下，如VDD上升過慢，建議使用外部RC電路來實(shí)現(xiàn)更長的POR延遲時(shí)間。

4.2 設(shè)備復(fù)位定時(shí)器（DRT）

設(shè)備復(fù)位定時(shí)器（DRT）提供了一個(gè)標(biāo)稱18ms的超時(shí)時(shí)間，無論使用何種振蕩器模式，只要DRT處于活動(dòng)狀態(tài)，處理器就會(huì)保持復(fù)位狀態(tài)。DRT延遲允許VDD上升到VDD min以上，并使振蕩器穩(wěn)定，大多數(shù)情況下無需外部RC網(wǎng)絡(luò)連接到MCLR輸入，從而節(jié)省了成本敏感和/或空間受限應(yīng)用的成本。

4.3 欠壓復(fù)位

當(dāng)設(shè)備電源（VDD）降至最小值以下但未降至零，然后恢復(fù)時(shí)，設(shè)備應(yīng)進(jìn)行復(fù)位?？梢詷?gòu)建外部欠壓保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)這一功能。

五、存儲(chǔ)器組織

5.1 程序存儲(chǔ)器組織

PIC16C54、PIC16CR54和PIC16C55的9位程序計(jì)數(shù)器（PC）可尋址512 x 12的程序存儲(chǔ)器空間；PIC16C56和PIC16CR56的10位PC可尋址1K x 12的程序存儲(chǔ)器空間；PIC16CR57、PIC16C58和PIC16CR58的11位PC可尋址2K x 12的程序存儲(chǔ)器空間。所有程序存儲(chǔ)器均為內(nèi)部存儲(chǔ)器。

5.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組織

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由寄存器或RAM字節(jié)組成，分為特殊功能寄存器和通用寄存器兩個(gè)功能組。特殊功能寄存器包括TMR0寄存器、程序計(jì)數(shù)器（PC）、狀態(tài)寄存器、I/O寄存器（端口）和文件選擇寄存器（FSR）等，用于控制I/O端口配置和預(yù)分頻器選項(xiàng)；通用寄存器用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和控制信息。

六、I/O端口

I/O寄存器可以在程序控制下進(jìn)行讀寫操作，但讀指令（如MOVF PORTB,W）始終讀取I/O引腳，而不考慮引腳的輸入/輸出模式。復(fù)位時(shí)，所有I/O端口均定義為輸入（輸入處于高阻抗?fàn)顟B(tài)），因?yàn)镮/O控制寄存器（TRISA、TRISB、TRISC）均被設(shè)置。

6.1 端口介紹

• PORTA：是一個(gè)4位I/O寄存器，僅使用低4位（RA<3:0>），位7 - 4未實(shí)現(xiàn)，讀取時(shí)為'0'。
• PORTB：是一個(gè)8位I/O寄存器（PORTB<7:0>）。
• PORTC：對于PIC16C55、PIC16C57和PIC16CR57是8位I/O寄存器，對于PIC16C54、PIC16CR54、PIC16C56、PIC16CR56、PIC16C58和PIC16CR58是通用寄存器。

6.2 TRIS寄存器

TRIS寄存器是寫-only寄存器，復(fù)位時(shí)設(shè)置（輸出驅(qū)動(dòng)器禁用）。TRIS寄存器的位為'1'時(shí)，對應(yīng)的輸出驅(qū)動(dòng)器處于高阻抗（輸入）模式；位為'0'時(shí)，輸出數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容將輸出到所選引腳，使能輸出緩沖器。

6.3 I/O編程注意事項(xiàng)

一些指令在內(nèi)部作為讀 - 寫操作執(zhí)行，如BCF和BSF指令，在應(yīng)用于一個(gè)或多個(gè)引腳用作輸入/輸出的端口時(shí)需要謹(jǐn)慎使用，以免覆蓋數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容。此外，在對I/O端口進(jìn)行寫操作后緊接著進(jìn)行讀操作時(shí)，需要確保引腳電壓穩(wěn)定，避免讀取到錯(cuò)誤的狀態(tài)。

七、定時(shí)器0模塊

定時(shí)器0模塊具有8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器寄存器TMR0，可讀可寫；8位軟件可編程預(yù)分頻器；可選擇內(nèi)部或外部時(shí)鐘源，并可選擇外部時(shí)鐘的邊沿。

7.1 定時(shí)器模式

通過清除T0CS位（OPTION<5>）選擇定時(shí)器模式，在此模式下，定時(shí)器0模塊將在每個(gè)指令周期遞增（無預(yù)分頻器）。如果寫入TMR0寄存器，遞增將在接下來的兩個(gè)周期內(nèi)被禁止，用戶可以通過寫入調(diào)整后的值來解決這個(gè)問題。

7.2 計(jì)數(shù)器模式

通過設(shè)置T0CS位（OPTION<5>）選擇計(jì)數(shù)器模式，在此模式下，定時(shí)器0將在T0CKI引腳的每個(gè)上升或下降沿遞增，遞增邊沿由源邊沿選擇位TOSE（OPTION<4>）確定。

7.3 預(yù)分頻器

預(yù)分頻器可由定時(shí)器0模塊或看門狗定時(shí)器使用，但不能同時(shí)使用。通過PSA和PS<2:0>位（OPTION<3:0>）確定預(yù)分頻器的分配和分頻比。當(dāng)分配給定時(shí)器0模塊時(shí)，所有寫入TMR0寄存器的指令將清除預(yù)分頻器；當(dāng)分配給看門狗定時(shí)器時(shí)，CLRWDT指令將清除預(yù)分頻器和看門狗定時(shí)器。

八、特殊功能

8.1 配置位

配置位可用于選擇各種設(shè)備配置，包括振蕩器類型選擇和看門狗定時(shí)器使能位，以及代碼保護(hù)位。不同型號(hào)的設(shè)備代碼保護(hù)位數(shù)量不同。

8.2 看門狗定時(shí)器（WDT）

看門狗定時(shí)器（WDT）是一個(gè)獨(dú)立的RC振蕩器，可通過配置位WDTE永久禁用。它具有標(biāo)稱18ms的超時(shí)時(shí)間（無預(yù)分頻器），通過軟件控制可分配預(yù)分頻器，最大超時(shí)時(shí)間可達(dá)約2.3秒。CLRWDT指令可清除WDT和預(yù)分頻器，SLEEP指令可復(fù)位WDT和預(yù)分頻器。

8.3 低功耗模式（SLEEP）

通過執(zhí)行SLEEP指令可進(jìn)入低功耗模式。在此模式下，若看門狗定時(shí)器啟用，它將被清除但繼續(xù)運(yùn)行，(overline{TO})位（STATUS<4>）置位，(overline{PD})位（STATUS<3>）清零，振蕩器驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉，I/O端口保持SLEEP指令執(zhí)行前的狀態(tài)。設(shè)備可以通過外部復(fù)位輸入或看門狗定時(shí)器超時(shí)復(fù)位（如果WDT已啟用）從SLEEP模式喚醒。

8.4 程序驗(yàn)證/代碼保護(hù)

如果代碼保護(hù)位未編程，可讀取片上程序存儲(chǔ)器進(jìn)行驗(yàn)證。需要注意的是，Microchip不建議對帶窗口的設(shè)備進(jìn)行代碼保護(hù)。

8.5 ID位置

四個(gè)內(nèi)存位置被指定為ID位置，用戶可以存儲(chǔ)校驗(yàn)和或其他代碼識(shí)別號(hào)。這些位置在正常執(zhí)行期間不可訪問，但在編程/驗(yàn)證期間可讀可寫。

九、開發(fā)支持

PIC16C5X系列得到了全方位的硬件和軟件開發(fā)工具的支持，包括集成開發(fā)環(huán)境（MPLAB? IDE軟件）、匯編器/編譯器/鏈接器、模擬器、仿真器、在線調(diào)試器、設(shè)備編程器和低成本演示板等。這些工具為開發(fā)者提供了便利，提高了開發(fā)效率。

十、電氣特性

文檔詳細(xì)介紹了PIC16C5X系列不同型號(hào)在不同溫度范圍（商業(yè)、工業(yè)、擴(kuò)展）下的電氣特性，包括絕對最大額定值、直流特性和交流特性等。這些特性為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)，確保設(shè)備在正常工作條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

總結(jié)

Microchip的PIC16C5X系列8位微控制器以其高性能、豐富的特性和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大而可靠的選擇。通過深入了解其架構(gòu)、功能和電氣特性，工程師可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，設(shè)計(jì)出更加優(yōu)秀的電子系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們還需要根據(jù)具體需求選擇合適的型號(hào)和配置，合理使用各種功能，以達(dá)到最佳的性能和成本效益。希望本文能對大家在使用PIC16C5X系列微控制器時(shí)有所幫助，你在使用過程中有遇到什么問題或者有什么獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。