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

在嵌入式系統設計領域，選擇一款合適的微控制器對于項目的成功至關重要。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，我們就來深入探討這款微控制器的各項特性、功能模塊以及實際應用中的注意事項。

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，指令集簡潔，僅需學習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，運行速度快，時鐘輸入范圍為DC - 20 MHz，指令周期可達200 ns。

核心特性

• 高性能RISC CPU：提供高效的指令執行能力，減少程序執行時間。
• 大容量存儲：擁有2K x 14的FLASH程序存儲器、128 x 8字節的數據存儲器（RAM）和64 x 8字節的EEPROM數據存儲器，滿足不同應用的數據存儲需求。
• 豐富的中斷能力：PIC16F870有10個中斷源，PIC16F871則多達11個，可及時響應外部事件。
• 低功耗設計：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，待機電流小于1 μA。
• 靈活的振蕩器選項：支持RC、HS、LP、XT等多種振蕩器模式，可根據不同應用場景選擇合適的時鐘源。
• 強大的編程與調試功能：支持在線串行編程（ICSP）和在線調試，可通過兩根引腳實現，還具備單5V在線串行編程能力。

二、存儲器組織

程序存儲器

PIC16F870/871的程序存儲器為13位程序計數器可尋址的8K x 14空間，但實際只有2K x 14的FLASH程序存儲器。復位向量位于0000h，中斷向量位于0004h。當訪問超出物理實現地址時，會發生回繞。

數據存儲器

數據存儲器分為多個存儲體，由STATUS寄存器的RP1和RP0位選擇。每個存儲體最大為7Fh（128字節），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）和外設兩類，控制著設備的各種操作。

三、I/O端口

PORTA

6位雙向端口，對應數據方向寄存器為TRISA。部分引腳復用為模擬輸入和VREF輸入，RA4/T0CKI引腳為施密特觸發輸入和開漏輸出。使用時需注意，上電復位時這些引腳配置為模擬輸入，讀取為'0'，使用模擬輸入時需確保TRISA寄存器相應位為1。

PORTB

8位雙向端口，對應數據方向寄存器為TRISB。部分引腳復用為低壓編程功能，每個引腳有弱上拉電阻，可通過OPTION_REG寄存器的RBPU位控制。RB7:RB4引腳具有電平變化中斷功能，可用于喚醒設備。

PORTC

8位雙向端口，對應數據方向寄存器為TRISC。部分引腳復用為多個外設功能，引腳具有施密特觸發輸入緩沖器。啟用外設功能時，需注意TRIS位的設置，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TRISE寄存器的PSPMODE位設置時，PORTD可作為8位并行從端口，通過RE0/RD、RE1/WR和RE2/CS控制輸入，可直接與8位微處理器數據總線接口。

四、定時器模塊

Timer0

8位定時器/計數器，具有8位可編程預分頻器，可選擇內部或外部時鐘源，溢出時產生中斷。預分頻器與看門狗定時器共享，可通過OPTION_REG寄存器配置。

Timer1

16位定時器/計數器，由TMR1H和TMR1L兩個8位寄存器組成。可工作在定時器或計數器模式，通過T1CON寄存器控制。在異步計數器模式下可在睡眠模式下運行并產生中斷喚醒處理器。

Timer2

8位定時器，帶有預分頻器和后分頻器，可作為CCP模塊PWM模式的時基。TMR2寄存器可讀可寫，復位時清零。

五、捕獲/比較/PWM模塊（CCP）

每個CCP模塊包含一個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CCP1CON寄存器的配置，可在不同的邊沿觸發捕獲操作。

比較模式

將16位CCPR1寄存器的值與TMR1寄存器對的值進行比較，根據CCP1CON寄存器的配置，在匹配時對RC2/CCP1引腳進行相應操作，并設置中斷標志位CCP1IF。

PWM模式

在PWM模式下，CCP1引腳可產生最高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、通用同步異步收發器（USART）

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

異步模式

使用標準NRZ格式，通過波特率發生器產生時鐘，可選擇高速或低速模式。發送和接收功能獨立，支持8位或9位數據傳輸。

同步主模式

數據半雙工傳輸，由處理器在CK線發送主時鐘。發送和接收操作通過TXEN和CREN、SREN控制。

同步從模式

移位時鐘由外部提供，可在睡眠模式下傳輸或接收數據。

七、模數轉換器（A/D）模塊

A/D轉換器模塊具有5個（28引腳設備）或8個（其他設備）模擬輸入通道，可產生10位數字結果。通過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時鐘源設置為內部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，可通過配置位FOSC1和FOSC0選擇。不同模式適用于不同的應用場景，如RC模式適用于對時序要求不高的應用，可節省成本；LP模式則可節省功耗。

復位機制

包括上電復位（POR）、MCLR復位、看門狗定時器復位（WDT）和欠壓復位（BOR）。不同的復位情況會對寄存器產生不同的影響，可通過STATUS寄存器的(overline{TO})和(overline{PD})位判斷復位類型。

中斷系統

具有多達14個中斷源，通過INTCON、PIR1和PIR2寄存器記錄中斷請求，通過GIE、PEIE和各中斷使能位控制中斷。中斷發生時，GIE位清零，返回地址壓入堆棧，PC加載為0004h。

看門狗定時器（WDT）

獨立的片上RC振蕩器，可在時鐘停止時運行。正常運行時超時產生復位，睡眠模式下超時喚醒設備。可通過配置位WDTEN永久禁用。

睡眠模式

執行SLEEP指令進入睡眠模式，此時看門狗定時器清零但繼續運行，振蕩器驅動關閉，I/O端口保持狀態。可通過外部復位、看門狗定時器喚醒或中斷喚醒。

代碼保護

具有EEPROM數據存儲器和FLASH程序存儲器的代碼保護機制，可通過配置位控制。代碼保護啟用后，只有全擦除設備才能禁用。

在線串行編程（ICSP）和低壓ICSP編程

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

九、開發支持

Microchip為PIC16F870/871提供了豐富的開發工具，包括集成開發環境（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）、在線調試器（MPLAB ICD 2）和設備編程器（PRO MATE II、PICSTART Plus）等，方便工程師進行開發和調試。

十、總結

PIC16F870/871微控制器以其豐富的功能、低功耗和靈活的配置選項，適用于各種嵌入式應用場景。在實際設計中，工程師需要根據具體需求合理選擇振蕩器模式、配置寄存器、處理中斷和進行編程調試。同時，要注意各項電氣特性和時序要求，確保系統的穩定性和可靠性。希望本文能為電子工程師在使用PIC16F870/871微控制器時提供有價值的參考。