深入剖析PIC16F870/871微控制器：功能特性與應(yīng)用指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，微控制器是核心組件之一，它如同電子設(shè)備的“大腦”，掌控著設(shè)備的各種功能和運(yùn)行邏輯。Microchip的PIC16F870/871微控制器以其豐富的功能和出色的性能，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中得到了廣泛應(yīng)用。今天，我們就來深入剖析這款微控制器，探討它的特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、設(shè)備概述

PIC16F870/871微控制器有28引腳的PIC16F870和40引腳的PIC16F871兩種型號(hào)。它采用高性能RISC CPU，指令集簡(jiǎn)潔，僅需學(xué)習(xí)35條單字指令，且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，操作頻率范圍為DC - 20 MHz，指令周期可達(dá)DC - 200 ns。

1.1 核心特性

• 高性能RISC CPU：具備強(qiáng)大的運(yùn)算能力，能高效處理各種任務(wù)。
• 精簡(jiǎn)指令集：35條單字指令，易于學(xué)習(xí)和使用，降低了開發(fā)難度。
• 豐富的內(nèi)存資源：擁有2K x 14 words的FLASH程序內(nèi)存、128 x 8 bytes的數(shù)據(jù)內(nèi)存（RAM）以及64 x 8 bytes的EEPROM數(shù)據(jù)內(nèi)存，滿足不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。
• 多中斷源：具備多達(dá)11個(gè)中斷源，可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)外部事件，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
• 低功耗設(shè)計(jì)：采用低功耗、高速CMOS FLASH/EEPROM技術(shù)，在不同工作模式下都能保持較低的功耗，如在5V、4 MHz典型工作條件下電流小于1.6 mA，3V、32 kHz時(shí)典型電流為20 μA，待機(jī)電流典型值小于1 μA。
• 多種工作模式：支持Power-on Reset（POR）、Power-up Timer（PWRT）、Oscillator Start-up Timer（OST）、Watchdog Timer（WDT）等功能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；具備Power saving SLEEP模式，可在不需要工作時(shí)降低功耗；還支持In-Circuit Serial Programming（ICSP）和In-Circuit Debugging等功能，方便開發(fā)和調(diào)試。

1.2 外設(shè)特性

• 定時(shí)器模塊：
  • Timer0：8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，帶有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，溢出時(shí)可產(chǎn)生中斷。
  • Timer1：16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，可在SLEEP模式下通過外部晶體/時(shí)鐘遞增，具備預(yù)分頻器，可工作在定時(shí)器或計(jì)數(shù)器模式。
  • Timer2：8位定時(shí)器，帶有預(yù)分頻器和后分頻器，可作為PWM時(shí)間基準(zhǔn)。
• Capture/Compare/PWM模塊：可實(shí)現(xiàn)16位捕獲、比較和PWM功能，捕獲分辨率最高可達(dá)12.5 ns，比較分辨率最高可達(dá)200 ns，PWM分辨率最高可達(dá)10位。
• 模擬-to-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）：28引腳設(shè)備有5個(gè)輸入通道，其他設(shè)備有8個(gè)輸入通道，可實(shí)現(xiàn)10位多通道模擬-to-數(shù)字轉(zhuǎn)換。
• 通用同步異步收發(fā)器（USART）：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)，具備多處理器通信能力。
• 并行從端口（PSP）：僅PIC16F871具備，可作為8位寬的微處理器端口，實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的并行通信。

二、內(nèi)存組織

PIC16F870/871的內(nèi)存分為程序內(nèi)存和數(shù)據(jù)內(nèi)存，兩者擁有獨(dú)立的總線，可實(shí)現(xiàn)并發(fā)訪問。

2.1 程序內(nèi)存

程序內(nèi)存采用13位程序計(jì)數(shù)器，可尋址8K x 14的程序內(nèi)存空間，但實(shí)際只有2K x 14 words的FLASH程序內(nèi)存。RESET向量位于0000h，中斷向量位于0004h。

2.2 數(shù)據(jù)內(nèi)存

數(shù)據(jù)內(nèi)存被劃分為多個(gè)存儲(chǔ)體，包含通用寄存器和特殊功能寄存器。通過STATUS寄存器的RP1和RP0位進(jìn)行存儲(chǔ)體選擇，每個(gè)存儲(chǔ)體最大擴(kuò)展到7Fh（128字節(jié)），下部位置保留給特殊功能寄存器，上部為通用寄存器，采用靜態(tài)RAM實(shí)現(xiàn)。部分常用特殊功能寄存器會(huì)在不同存儲(chǔ)體中鏡像，以減少代碼量并加快訪問速度。

三、I/O端口

PIC16F870/871的I/O端口部分引腳與外設(shè)功能復(fù)用，當(dāng)外設(shè)啟用時(shí)，這些引腳可能無法作為通用I/O引腳使用。

3.1 PORTA

6位寬雙向端口，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)方向寄存器為TRISA。部分引腳可作為模擬輸入或VREF輸入，RA4引腳還可作為Timer0模塊的時(shí)鐘輸入，采用Schmitt Trigger輸入和開漏輸出。

3.2 PORTB

8位寬雙向端口，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)方向寄存器為TRISB。部分引腳與低電壓編程功能復(fù)用，每個(gè)引腳都有內(nèi)部弱上拉電阻，可通過OPTION_REG寄存器的RBPU位統(tǒng)一控制。RB7:RB4引腳具備中斷變化功能，可用于按鍵喚醒等操作。

3.3 PORTC

8位寬雙向端口，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)方向寄存器為TRISC。部分引腳與多個(gè)外設(shè)功能復(fù)用，采用Schmitt Trigger輸入緩沖器。在啟用外設(shè)功能時(shí)，需注意TRIS位的設(shè)置。

3.4 PORTD和PORTE（僅PIC16F871）

PORTD為8位端口，可配置為8位寬的微處理器端口（并行從端口），輸入緩沖器在I/O模式下為Schmitt Trigger，在并行從端口模式下為TTL。PORTE有三個(gè)引腳，可作為通用I/O引腳或并行從端口的控制輸入，輸入緩沖器同樣根據(jù)模式不同而變化。

四、定時(shí)器模塊

定時(shí)器模塊是PIC16F870/871的重要組成部分，可實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能。

4.1 Timer0模塊

8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，可讀可寫，帶有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，溢出時(shí)可產(chǎn)生中斷。在定時(shí)器模式下，每指令周期遞增；在計(jì)數(shù)器模式下，根據(jù)RA4/T0CKI引腳的邊沿變化遞增。

4.2 Timer1模塊

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，可讀可寫。可工作在定時(shí)器或計(jì)數(shù)器模式，可通過T1CON寄存器進(jìn)行配置。在SLEEP模式下，若配置為異步計(jì)數(shù)器模式，可繼續(xù)運(yùn)行并產(chǎn)生溢出中斷，喚醒處理器。

4.3 Timer2模塊

8位定時(shí)器，帶有預(yù)分頻器和后分頻器，可作為PWM時(shí)間基準(zhǔn)。TMR2寄存器可讀可寫，在設(shè)備復(fù)位時(shí)清零。通過T2CON寄存器可配置預(yù)分頻器和后分頻器，以及定時(shí)器的開啟和關(guān)閉。

五、Capture/Compare/PWM模塊

該模塊包含一個(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。

5.1 捕獲模式

在捕獲模式下，CCPR1H:CCPR1L可捕獲TMR1寄存器的16位值，根據(jù)不同的事件觸發(fā)條件進(jìn)行捕獲，如每個(gè)下降沿、上升沿、第4個(gè)上升沿或第16個(gè)上升沿。捕獲發(fā)生時(shí)，中斷請(qǐng)求標(biāo)志位CCP1IF會(huì)被置位，需在軟件中清除。

5.2 比較模式

在比較模式下，16位CCPR1寄存器的值會(huì)與TMR1寄存器的值進(jìn)行比較，當(dāng)匹配時(shí)，RC2/CCP1引腳會(huì)根據(jù)配置進(jìn)行相應(yīng)操作，同時(shí)中斷標(biāo)志位CCP1IF會(huì)被置位。

5.3 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。通過設(shè)置PR2寄存器可指定PWM周期，通過設(shè)置CCPR1L寄存器和CCP1CON<5:4>位可指定PWM占空比。

六、通用同步異步收發(fā)器（USART）

USART模塊可配置為異步（全雙工）、同步 - 主（半雙工）或同步 - 從（半雙工）模式，支持9位地址檢測(cè)，可與多種外設(shè)進(jìn)行通信。

6.1 波特率發(fā)生器

BRG是一個(gè)專用的8位波特率發(fā)生器，可支持USART的異步和同步模式。通過SPBRG寄存器控制8位定時(shí)器的周期，在異步模式下，BRGH位也會(huì)影響波特率。

6.2 異步模式

在異步模式下，USART采用標(biāo)準(zhǔn)的非歸零（NRZ）格式，包括一個(gè)起始位、8或9個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位。發(fā)送和接收功能相互獨(dú)立，但使用相同的數(shù)據(jù)格式和波特率。

6.3 同步主模式

在同步主模式下，數(shù)據(jù)以半雙工方式傳輸，處理器在CK線上發(fā)送主時(shí)鐘。發(fā)送和接收操作通過TXEN和CREN或SREN位進(jìn)行控制。

6.4 同步從模式

同步從模式與主模式的操作基本相同，但移位時(shí)鐘由外部提供，可在SLEEP模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

七、模擬-to-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）模塊

ADC模塊有5個(gè)輸入通道（28引腳設(shè)備）或8個(gè)輸入通道（其他設(shè)備），可將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為10位數(shù)字結(jié)果。

7.1 轉(zhuǎn)換過程

轉(zhuǎn)換過程包括配置A/D模塊、等待采樣時(shí)間、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、等待轉(zhuǎn)換完成和讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果等步驟。在轉(zhuǎn)換過程中，需注意采樣時(shí)間的計(jì)算和A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘的選擇。

7.2 特殊功能

ADC模塊可在SLEEP模式下工作，但需將A/D時(shí)鐘源設(shè)置為內(nèi)部RC振蕩器。

八、特殊功能

PIC16F870/871具備多種特殊功能，可提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

8.1 振蕩器選擇

支持LP低功耗晶體、XT晶體/諧振器、HS高速晶體/諧振器和RC電阻/電容四種振蕩器模式，可通過配置位進(jìn)行選擇。

8.2 RESET功能

包括Power-on Reset（POR）、Power-up Timer（PWRT）、Oscillator Start-up Timer（OST）和Brown-out Reset（BOR）等，可確保系統(tǒng)在不同情況下的穩(wěn)定啟動(dòng)。

8.3 中斷功能

最多有14個(gè)中斷源，通過INTCON寄存器記錄中斷請(qǐng)求標(biāo)志位，可通過全局中斷使能位GIE和各個(gè)中斷使能位進(jìn)行控制。

8.4 看門狗定時(shí)器（WDT）

WDT是一個(gè)獨(dú)立的RC振蕩器，可在正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生設(shè)備復(fù)位，在SLEEP模式下喚醒設(shè)備。可通過配置位永久禁用。

8.5 SLEEP模式

通過執(zhí)行SLEEP指令進(jìn)入低功耗模式，WDT可繼續(xù)運(yùn)行，I/O端口保持原有狀態(tài)。可通過外部RESET、WDT喚醒或中斷喚醒。

8.6 代碼保護(hù)

具備代碼保護(hù)功能，可對(duì)EEPROM數(shù)據(jù)內(nèi)存和FLASH程序內(nèi)存進(jìn)行保護(hù)，防止數(shù)據(jù)和代碼被非法讀取。

8.7 在線串行編程（ICSP）

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，方便產(chǎn)品的生產(chǎn)和更新。

8.8 低電壓ICSP編程

通過配置字的LVP位可啟用低電壓ICSP編程，使用正常工作電壓的VDD源進(jìn)行編程。

8.9 在線調(diào)試器

通過配置字的DEBUG位可啟用在線調(diào)試器功能，方便進(jìn)行調(diào)試和開發(fā)。

九、開發(fā)支持

Microchip為PIC16F870/871提供了豐富的開發(fā)支持工具，包括集成開發(fā)環(huán)境、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、低成本演示板和評(píng)估套件等，可滿足不同開發(fā)階段的需求。

9.1 MPLAB集成開發(fā)環(huán)境軟件

提供了便捷的軟件開發(fā)環(huán)境，支持多種調(diào)試工具，可實(shí)現(xiàn)源代碼編輯、編譯、下載和調(diào)試等功能。

9.2 MPASM匯編器

全功能的通用宏匯編器，可生成可重定位目標(biāo)文件、Intel標(biāo)準(zhǔn)HEX文件、MAP文件和絕對(duì)LST文件等，支持用戶自定義宏和條件匯編。

9.3 MPLAB C17和MPLAB C18 C編譯器

完整的ANSI C編譯器，提供強(qiáng)大的集成能力、優(yōu)秀的代碼優(yōu)化和易用性，可生成適用于PIC17CXXX和PIC18CXXX系列微控制器的代碼。

9.4 MPLINK對(duì)象鏈接器/MPLIB對(duì)象庫管理器

MPLINK可將MPASM匯編器和MPLAB C17、MPLAB C18 C編譯器生成的可重定位對(duì)象進(jìn)行鏈接，MPLIB可管理預(yù)編譯代碼的庫文件。

9.5 MPLAB C30 C編譯器

全功能的ANSI兼容優(yōu)化編譯器，可將標(biāo)準(zhǔn)ANSI C程序轉(zhuǎn)換為dsPIC30F匯編語言源代碼，支持多種命令行選項(xiàng)和語言擴(kuò)展。

9.6 MPLAB ASM30匯編器、鏈接器和庫管理器

可生成dsPIC30F設(shè)備的可重定位機(jī)器代碼，支持固定點(diǎn)和浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，具備豐富的指令集和靈活的宏語言。

9.7 MPLAB SIM軟件模擬器

可在PC環(huán)境中模擬PIC系列微控制器的指令級(jí)操作，支持符號(hào)調(diào)試，可進(jìn)行單步執(zhí)行、執(zhí)行到斷點(diǎn)和跟蹤模式等操作。

9.8 MPLAB ICE 2000和MPLAB ICE 4000高性能通用在線仿真器

提供完整的微控制器設(shè)計(jì)工具集，具備高級(jí)的跟蹤、觸發(fā)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能，可進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真和調(diào)試。

9.9 MPLAB ICD 2在線調(diào)試器

低成本、強(qiáng)大的運(yùn)行時(shí)開發(fā)工具，可通過RS-232或高速USB接口連接到主機(jī)PC，支持在線調(diào)試和編程功能。

9.10 設(shè)備編程器和演示板

包括PRO MATE II通用設(shè)備編程器、PICSTART Plus開發(fā)編程器和多種PICDEM演示板，可方便進(jìn)行設(shè)備編程和功能演示。

十、總結(jié)

PIC16F870/871微控制器以其豐富的功能、低功耗設(shè)計(jì)和良好的開發(fā)支持，在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。無論是工業(yè)控制、消費(fèi)電子還是物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，都能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇和配置微控制器的各種功能，充分發(fā)揮其性能。同時(shí)，借助Microchip提供的開發(fā)工具，可提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期。希望本文能為電子工程師們?cè)谑褂肞IC16F870/871微控制器時(shí)提供一些幫助和參考。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。