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2.- Descripción General del PIC16F
2.1.- La Familia del PIC16F
El microcontrolador PIC16F877 de Microchip pertenece a una gran familia de microcontroladores de 8 bits (bus de datos) que tienen las siguientes características generales que los distinguen de otras familias:
- Arquitectura Harvard
- Tecnología RISC
- Tecnología CMOS
Estas características se conjugan para lograr un dispositivo altamente eficiente en el uso de la memoria de datos y programa y por lo tanto en la velocidad de ejecución.
Microchip ha dividido sus microcontroladores en tres grandes subfamilias de acuerdo al número de bits de su bus de instrucciones:
Subfamilia Bits del bus de instrucciones
nomenclatura
Base - Line 12 PIC12XXX y PIC14XXX Mid – Range 14 PIC16XXX High - End 16 PIC17XXX y PIC18XXX
Variantes principales
Los microcontroladores que produce Microchip cubren una amplio rango de dispositivos cuyas características pueden variar como sigue:
- Empaquetado (desde 8 patitas hasta 68 patitas)
- Tecnología de la memoria incluída (EPROM, ROM, Flash)
- Voltajes de operación (desde 2.5 v. Hasta 6v)
- Frecuencia de operación (Hasta 20 Mhz)
Empaquetados
Aunque cada empaquetado tiene variantes, especilmente en lo relativo a las dimensiones del espesor del paquete, en general se pueden econtrar paquetes tipo PDIP (Plastic Dual In Line Package), PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) y QFP (Quad Flat Package), los cuales se muestran en las figuras siguientes
Los tres modos LP, XT y HS usan un cristal o resonador externo, la diferencia sin embargo es la ganancia de los drivers internos, lo cual se ve reflejado en el rango de frecuencia admitido y la potencia consumida. En la siguiente tabla se muestran los rangos de frecuencia así como los capacitores recomendados para un oscilador en base a cristal.
Modo Frecuencia típica Capacitores recomendados C1 C LP 32 khz 200 khz
68 a 100 pf 15 a 30 pf
68 a 100 pf 15 a 30 pf XT 100 khz 2 Mhz 4 Mhz
68 a 150 pf 15 a 30 pf 15 a 30 pf
150 a 200 pf 15 a 30 pf 15 a 30 pf HS 8 Mhz 10 Mhz 20 Mhz
15 a 30 pf 15 a 30 pf 15 a 30 pf
15 a 30 pf 15 a 30 pf 15 a 30 pf
Cristal externo : En los tres modos mostrados en la tabla anterior se puede usar un cristal o resonador cerámico externo. En la siguiente figura se muestra la conexión de un cristal a las patitas OSC1 y OS del PIC.
Circuito RC externo : En los modos RC y EXTRC el PIC puede generar su señal oscilatoria basado en un arreglo RC externo conectado a la patita OSC1 como se muestra en la siguiente figura:
C
C
XTAL
OSC
OSC
Rf
A la lógica interna
A la lógica interna
SLEEP
Este modo sólo se recomienda cuando la aplicación no requiera una gran precisión en la medición de tiempos.
Rangos .- La frecuencia de oscilación depende no sólo de los valores de Rext y Cext, sino también del voltaje de la fuente Vdd. Los rangos admisibles para resistencia y capacitor son:
Rext : de 3 a 100 Kohms Cext : mayor de 20 pf
Oscilador externo .- También es posible conectar una señal de reloj generada mediante un oscilador externo a la patita OSC1 del PIC. Para ello el PIC deberá estar en uno de los tres modos que admiten cristal (LP, XT o HS). La conexión se muestra en la siguiente figura:
Oscilador interno de 4Mhz .- En el modo INTRC el PIC usa un arreglo RC interno que genera una frecuencia de 4 Mhz con un rango de error calibrable de ± 1.5%. Para calibrar el error de oscilación se usan los bits CAL3, CAL2 , CAL1 Y CAL0 del registro OSCCAL.
Cext
OSC
OSC
Rext Fosc
Reloj interno
Fosc/
Vdd
OSC
OSC
Señal externa
Resistencia a tierra para reducir ruido
- Rangos de temperatura: Comercial, Industrial y Extendido
- Bajo consumo de potencia: o Menos de 0.6mA a 3V, 4 Mhz o 20 μA a 3V, 32 Khz o menos de 1μA corriente de standby.
Periféricos
- Timer0 : Contador/Temporizador de 8 bits con pre-escalador de 8 bits
- Timer1 : Contador/Temporizador de 16 bits con pre-escalador
- Timer0 : Contador/Temporizador de 8 bits con pre-escalador y post-escalador de 8 bits y registro de periodo.
- Dos módulos de Captura, Comparación y PWM
- Convertidor Analógico/Digita l: de 10 bits, hasta 8 canales
- Puerto Serie Síncrono (SSP)
- Puerto Serie Universal (USART/SCI).
- Puerto Paralelo Esclavo (PSP): de 8 bits con líneas de protocolo
2.3.- Diagrama de Bloques del PIC16F
En la siguiente figura se muestra a manera de bloques la organización interna del PIC16F877, Se muestra también junto a este diagrama su diagrama de patitas, para tener una visión conjunta del interior y exterior del Chip.
Program Counter
PORTA
PORTB
PORTE
Stack de 3 niveles (13 bits)
Archivo de registros en RAM
Memoria de Programa en FLASH
Registro de Instrucciones (^) Mux
Reg FSR Reg STATUS
Mux
ALU
Reg W
Timer de encendido (PWRT) Timer de aranque del oscilador (OST) Reset de encendido (POR) Timer del watchdog Brown-out Reset Depurador In-circuit Programación en bajo voltaje
Decodificación de instrucciones y control
Generación de tiempo
Timer0 Timer1 Timer0 Timer
Memoria de datos EEPROM
CCP1,
Puerto Serie Síncrono USART
Memoria de datos EEPROM
PORTC
PORTD
13 8
14
7
9
8
8
8
3
RA0/AN RA1/AN RA2/AN2/VREF- RA3/AN3/VREF+ RA4/T0CKI RA5/AN4/SS’
RB0/INT RB RB RB3/PGM RB RB RB6/PGC RB7/PGD
RC0/T1OSO/T1CKI RC1/T1OSI/CCP RC2/CCP RC4/SDI/SDA
RC3/SCK/SCL RC5/SDO RC6/TX/CK RC7/RX/DT
RD0/PSP RD1/PSP RD2/PSP RD3/PSP RD4/PSP RD5PDP RD6/PDP RD7/PDP
RE0/AN5/RD’ RE1/AN6/WR’ RE2/AN7/CS’
OSC1/CLKIN OSC2/CLKOUT
MCLR’ VDD,VSS
Bus de datos
Bus de programa
Direc. directo
indirecto
Direc.
Debido a esto cada ciclo de instrucción consume 4 ciclos de reloj, de manera que si la frecuencia de oscilación es Fosc, Tcy será 4/Fosc.
Registros de la CPU.
Registro PC.- Registro de 13 bits que siempre apunta a la siguiente instrucción a ejecutarse. En la siguiente sección se dan mayores detalles en el manejo de este registro.
Registro de Instrucción .- Registro de 14 bits. Todas las instrucciones se colocan en el para ser decodificadas por la CPU antes de ejecutarlas.
Registro W .- Registro de 8 bits que guarda resultados temporales de las operaciones realizadas por la ALU
Registro STATUS .- Registro de 8 bits, cada uno de sus bits (denominados Banderas ) es un indicador de estado de la CPU o del resultado de la última operación como se indica en la siguiente figura:
R/W-0 R/W-0 R/W-0 R-1 R-1 R/W-x R/W-x R/W-x IRP RP1 RP0 TO’ PD’ Z DC C Bit 7 6 5 4 3 2 1 Bit 0
Z.- Este bit se pone (=1) para indicar que el resultado de la última operación fue cero, de lo contrario se limpia (=0)
C.- Bit de acarreo/préstamo’ de la última operación aritmética (en el caso de resta, se guarda el préstamo invertido
CD.- Acarreo/Préstamo’ proveniente del cuarto bit menos significativo. Funciona igual que el bit C, pero para operaciones de 4 bits.
2.5.- Conjunto de Instrucciones de Rango Medio
ÿ Notación : En adelante se usará lo siguiente: R= Bit leíble W= Bit Escribible U= No implementado (se lee como 0) -n= Valor después del Reset de encendido
En la siguiente tabla se resumen las 35 instrucciones que reconoce la CPU de los PIC de medio rango, incluyendo su mnemónico, tiempo de ejecución, código de máquina y afectación de banderas:
Mnemónico Descripción Ciclos Código de Máquina Banderas afectadas Operaciones con el archivo de registros orientadas a bytes ADDWF f,d Suma f + W 1^00 0111 dfff^ ffff^ C,DC,Z ANDWF f,d W AND f 1^00 0101 dfff^ ffff^ Z CLRF f Limpia f 1^00 0001 1fff^ ffff^ Z CLRW Limpia W 1^00 0001 0xxx^ xxxx^ Z COMF f,d Complementa los bits de f 1^00 1001 dfff^ ffff^ Z DECF f,d Decrementa f en 1 1^00 0011 dfff^ ffff^ Z DECFSZ f,d Decrementa f, escapa si 0 1(2)^00 1011 dfff^ ffff INCF f,d Incrementa f en 1 1^00 1010 dfff^ ffff^ Z INCFSZ f,d Incrementa f, escapa si 0 1(2)^00 1111 dfff^ ffff IORWF f,d W OR f 1^00 0100 dfff^ ffff^ Z MOVF f,d Copia el contenido de f 1^00 1000 dfff^ ffff^ Z MOVWF f Copia contenido de W en f 1^00 0000 1fff^ ffff NOP No operación 1^00 0000 0xx0^0000 RLF f,d Rota f a la izquierda 1^00 1101 dfff^ ffff^ C RRF f,d Rota f a la derecha 1^00 1100 dfff^ ffff^ C SUBWF f,d Resta f – W 1^00 0010 dfff^ ffff^ C,DC,Z SWAPF f,d Intercambia nibbles de f 1^00 1110 dfff^ ffff XORWF f,d W EXOR f 1^00 0110 dfff^ ffff^ Z Operaciones con el archivo de registros orientadas a bits BCF f,b Limpia bit b en f 1^01 00bb^ bfff^ ffff BSF f,b Pone bit b en f 1^01 01bb^ bfff^ ffff BTFSC f,b Prueba bit b en f, escapa si 0 1(2)^01 10bb^ bfff^ ffff BTFSS f,b Prueba bit b en f, escapa si 1 1(2)^01 11bb^ bfff^ ffff Operaciones con literales y de control ADDLW k Suma literal k + W 1^11 111x^ kkkk^ kkkk^ C,DC,Z ANDLW k k AND W 1^11 1001 kkkk^ kkkk^ Z CALL k Llamado a subrutina 2^10 0kkk^ kkkk^ kkkk CLRWDT Limpia timer del watchdog 1^00 0000 0110 0100 TO’,PD’ GOTO k Salto a la dirección k 2^10 1kkk^ kkkk^ kkkk IORLW k k OR W 1^11 0000 kkkk^ kkkk^ Z MOVLW k Copia literal a W 1^11 00xx^ kkkk^ kkkk RETFIE Retorna de interrupción 2^00 0000 0000 RETLW k Retorna con literal k en W 2^11 01xx^ kkkk^ kkkk RETURN Retorna de subrutina 2^00 0000 0000 SLEEP Activa Modo standby 1^00 0000 0110 0011 TO’PD’ SUBLW k Resta k - W 1^11 110x^ kkkk^ kkkk^ C,CD,Z XORLW k k EXOR W 1^11 1010 kkkk^ kkkk^ Z
2.6.- Organización de la memoria del PIC
Los PIC tienen dos tipos de memoria: Memoria de Datos y Memoria de programa, cada bloque con su propio bus: Bus de datos y Bus de programa; por lo cual cada bloque puede ser accesado durante un mismo ciclo de oscilación.
La Memoria de datos a su vez se divide en
- Memoria RAM de propósito general
- Archivo de Registros (Special Function Registers (SFR))
2.6.1.- La Memoria de Programa
Los PIC de rango medio poseen un registro Contador del Programa (PC) de 13 bits, capaz de direccionar un espacio de 8K x 14, como todas la instrucciones son de 14 bits, esto significa un bloque de 8k instrucciones. El bloque total de 8K x 14 de memoria de programa está subdividido en 4 páginas de 2K x 14. En la siguiente figura se muestra esta organización.
Dirección 0000h Vector de Reset
...... 0004h Vector de interrupción 0005h ... 07FFh
Página 0
0800h
... 0FFFh
Página 1
1000h
... 17FFh
Página 2
1800h
... 1FFFh
Página 3
Observación1 : No todos los PIC tienen implementado todo el espacio de 8K de memoria de programa (Consultar las hojas de datos del PIC específico).
Observación2 : El fabricante puede grabar datos de calibración en localidades de memoria de programa por lo que se deberán anotar en papel antes de borrar los dispositivos con ventana transparente.
Vector de Reset .- Cuando ocurre un reset el contenido del PC es forzado a cero, ésta es la dirección donde la ejecución del programa continuará después del reset, por ello se le llama “ dirección del vector de reset ”.
Vector de interrupción .- Cuando la CPU acepta una solicitud de interrupción ejecuta un salto a la dirección 0004h, por lo cual a esta se le conoce como “ dirección del vector de interrupción ”. El registro PCLATH no es modificado en esta circunstancia, por lo cual habrá que tener cuidado al manipular el PC dentro de la Rutina de Atención a la Interrupción (Interrupt Service Routine (ISR)).
Manejo del Contador del Programa (PC)
El registro contador del programa (PC) especifica la dirección de la instrucción que la CPU buscará (fetch) para ejecutarla.
El PC consta de 13 bits, separados en dos partes: como se muestra en la figura siguiente
PCH PCL 12 8 7 0 PC
El byte de orden bajo es llamado el registro PCL, mientras que el byte de orden alto es llamado registro PCH. Este último contiene los bits PC<12:8> y no se puede leer o escribir directamente Todas las actualizaciones al registro PCH deben ser hechas a través del registro PCLATH. En la siguiente figura se ilustran las cuatro situaciones y las maneras correspondientes en que el PC puede ser actualizado.
Estos dos bits extra se encuentran en un SFR denominado PCLATH (Program Counter Latch High) en sus bits PCLATH<4:3>. Por esto antes de un GOTO o un CALL el usuario deberá asegurarse que estos bits apunten a la página deseada.
Si las instrucciones se ejecutan secuencialmente el PC cruza libremente los límites de página sin necesidad de que el usuario escriba en el PCLATH
Memoria de Stack
La memoria de stack es una area de memoria completamente separada de la memoria de datos y la memoria de programa. El stack consta de 8 niveles de 13 bits cada uno. Esta memoria es usada por la CPU para almacenar las direcciones de retorno de subrutinas. El apuntador de stack no es ni legible ni escribible.
Cuando se ejecuta una instrucción CALL o es reconocida una interrupción el PC es guardado en el stack y el apuntador de stack es incrementado en 1 para apuntar a la siguiente posición vacía. A la inversa, cuando se ejecuta una instrucción RETURN, RETLW o RETFIE el contenido de la posición actual del stack es colocado en el PC.
ÿ Nota 1 : PCLATH no se modifica en ninguna de estas operaciones
ÿ Nota 2 : Cuando el apuntador de stack ya está en la posición 8 y se ejecuta otro CALL se reinicia a la posición 1 sobrescribiendo en dicha posición. No existe ningún indicador que avise de esta situación. Así que el usuario deberá llevar el control para que esto no ocurra.
2.6.2.- La Memoria de Datos
La memoria de datos consta de dos áreas mezcladas y destinadas a funciones distintas:
- Registros de Propósito Especial (SFR)
- Registro de Propósito General (GPR)
Los SFR son localidades asociadas específicamente a los diferentes periféricos y funciones de configuración del PIC y tienen un nombre específico asociado con su función. Mientras que los GPR son memoria RAM de uso general.
Bancos de memoria
Toda la memoria de datos está organizada en 4 bancos numerados 0, 1, 2 y 3. Para seleccionar un banco se debe hacer uso de los bits del registro STATUS<7:5> denominados IRP, RP1 y RP0.
Hay dos maneras de acceder a la memoria de datos: Direccionamiento directo e indirecto. La selección de bancos se basa en la siguiente tabla
Direccionamiento Indirecto (IRP) RP1:RP0^ Banco 0 0 0 0 0 1 1 1 0 2 1 1 1 3
Cada banco consta de 128 bytes (de 00h a 7Fh). En las posiciones más bajas de cada banco se encuentran los SFR, y arriba de éstos se encuentran los GPR. Toda la memoria de datos está implementada en Ram estática.
Direccionamiento Directo
Para acceder una posición de memoria mediante direccionamiento directo, la CPU simplemente usa la dirección indicada en los 7 bits menos significativos del código de operación y la selección de banco de los bits RP1:RP0 como se ilustra en la siguiente figura.
En el siguiente ejemplo se muestra la manera como se switchea mediante instrucciones dentro del programa de un banco a otro
El Archivo de Registros
Aunque el archivo de registros en RAM puede variar de un PIC a otro, la familia del PIC16F87x coincide casi en su totalidad. En la siguiente figura se muestra a detalle el mapa de este archivo de registros y su organización en los cuatro bancos que ya se describieron.
Ejemplo 1.- Blanqueo de un bloque de memoria de datos desde la localidad 20h a la localidad 2Fh
MOVLW 0X20 ;carga valor de apuntador a RAM MOVWF FSR ;inicializa apuntador Sigue CLRF INDF ;limpia localidad apuntada por FSR INCF FSR,F ;incrementa apuntador BTFSS FSR,4 ;si ya terminó escapa a continuar GOTO sigue ;si no repite Continuar ...
Ejemplo 2.- Switcheo entre bancos de memoria RAM
CLRF STATUS ;Limpia registro STATUS ;(Banco 0) ... BSF STATUS,RP0 ;Banco 1 … BSF STATUS RP1 ;Banco 3 … BCF STATUS RP0 ;Banco 2 …
