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讲稿1

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前言

课程目的：

本课程围绕PIC18Fxxx微处理器，介绍PIC单片机系统的前沿发展趋势，介绍其设计方法，使学生学会PIC单片机应用系统的硬件开发和软件编程技术。

课程采用讲课与实验相结合的方式。

着重培养学生的实际动手能力，通过熟悉开发环境与开发流程、编程实践等实验，使学生能够掌握PIC单片机应用系统设计的基本方法。

学生基础：

学过C语言、微机原理、51单片机等

课程计划：

36学时理论18（分为4章介绍）实践18（主要3个综合实验）

考核方式和评分标准;

平时（占10%）

作业及实验（占40%

期末笔试（50%）

第一章概述

PIC单片机的诞生

1989年，Microchip公司成立之后生产出第一款8位单片机至今已跃居8位单片机年出口量全球第一。

主要原因：

高度的稳定性及可靠性

抗干扰能力强

1.1PIC单片机的分类

1.2PIC18F系列单片机的特点

本课程的介绍以PIC18FXXX系列为主，芯片采用16位RISC指令集，芯片内部含有丰富的外部接口功能。

一、高性能RISCCPU

1.哈佛总线结构

PIC18F系列单片机的程序、数据和堆栈三者各自采用互相独立的地址空间

2.2MB的程序存储器

PC为21位宽，最大可寻址221=2MB

000000H～1FFFFFH

3.4KB的数据存储器

使用SRAM，用12位地址寻址

可以访问212=4KB空间000H～FFFH

4.执行速度高达10MIPS

哈佛总线结构和指令流水线机制

5.DC～40MHz时钟输入

6.4～10MHz带PLL锁相环有源晶振/时钟输入

7.16位宽指令，8位宽数据通道

8.指令特色

●寻址方式简单

–寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址

●指令数少

–PIC18FXX8单片机只有58条指令

9.带优先级的中断

–高优先级中断向量——000008H

–低优先级中断向量——000018H

10.8×8单周期硬件乘法器

–提高了计算能力

–减少乘法运算法则所需代码长度

二、外围功能模块特性

芯片内部含有10位ADC、内部EEPROM存储器、比较输出、捕捉输入、PWM输出、I2C和SPI接口、CAN接口、USART、Flash程序存储器读/写等强大功能。

1.3开发工具

Microchip公司为用户提供了完善的软硬件支持，软件包括MPLABIDE集成开发环境及MPLABC18编译器，硬件包括在线调试器ICD2和目标板。

1.418Fxx系列芯片选型

第2章PIC18FXXX单片机基本结构与功能

2.1基本组成与外部引脚

PIC18FXXX系列封装形式

结构框图

2.2振荡器结构

系统的正常运行需要时钟的支持，18F系列单片机4个系统时钟产生一个指令时钟，即指令周期是系统时钟的4倍。

两套时钟输入管脚：

OSC1和OSC2（系统时钟输入）

T1osc和T2osc（实时时钟）

提供8种不同的时钟配置模式，使得设计灵活，满足不同需求。

例如：

RC模式可以降低成本

LP模式可以降低系统功耗

HS4可以降低高速晶振带来的电磁干扰

1.振荡方式

（由振荡器选择位FOSC2、1、0决定）

●LP—低功耗晶体振荡器方式

●XT—晶体/陶瓷振荡器方式

●HS—高速晶体/陶瓷振荡器方式

●HS4—带PLL使能的高速晶体/陶瓷振荡器方式

●RC—阻容振荡器方式

●RCIO—带I/O引脚使能的外部阻容振荡器方式

●EC—外部时钟方式

●ECIO—带I/O引脚使能的外部时钟方式

配置寄存器：

位

7:

6

5

4:

3

2

1

0

功能

－

OSCSEN

 －

FOSC2

FOSC1

FOSC0

OSCSEN:

系统时钟开关使能位

1：

时钟切换被禁止，主振荡器作为时钟源

0：

振荡器切换使能

FOSC2-FOSC0:

振荡器选择位

例如:

111:

RC

110:

HS4

101:

EC

2.晶体/陶瓷振荡器方式

LP、XT、HS、HS4方式

OSC1：

振荡器晶体输入引脚

OSC2：

振荡器晶体输出引脚

3.RC振荡器（RC/RCIO）

适用场合：

成本低、对定时器要求不是很高的场合

RC振荡器的频率和哪些因素有关：

电源电压VDD、振荡电阻、电容C、工作温度等

说明：

–RC方式下，振荡频率可通过OSC2引脚4分频输出

–若不需4分频输出Fosc，推荐采用RCIO，以节省电流

4.外部时钟输入（EC/ECIO）

●相同：

–OSC1接外部时钟

●区别：

–EC振荡频率可通过OSC2引脚4分频获得

–ECIOOSC2变成一个附加的通用I/O脚

5、HS4方式

●作用：

–通过锁相环设定时钟频率为晶振频率的4倍

●条件：

–ConfigurationBits配置为HS时，锁相环电路才可以使能

–否则系统时钟直接来自于OSC1

6、振荡器转换特性

1.怎样转换？

–在系统与TMR1之间进行

2.条件：

–低频晶振连至定时器TMR1振荡器引脚

–TMR1的振荡器使能

3.注意：

–单片机擦除后，时钟转换功能被禁止

位

7:

6

5

4:

3

2

1

0

功能

－

－

－

－

－

SCS

由软件控制

OSCCON寄存器的系统时钟转换位SCS

SCS=0系统时钟源来自主振荡器

SCS=1系统时钟源来自TMR1的振荡器

注意：

–任何复位都会使SCS清零

–转换系统时钟源时，定时器TMR1的振荡器必须使能T1OSCEN=1

–转换系统时钟源时，振荡器转换使能位OSCSEN为0

2.3复位系统

多种复位系统:

1.上电复位POR（PowerOnReset）

2.人工复位

–在MCLR引脚加入一个低电平信号

3.正常状态下，WDT超时溢出复位

4.可编程掉电锁定复位（PBOR）

5.RESET指令复位

6.堆栈上溢出/下溢出复位

●上半部分电路

–负责产生复位锁存器的S信号，即负责在复位锁存器的/Q端送出低电平

●下半部分电路

–负责产生复位锁存器的R信号，即负责在复位锁存器的/Q端送出高电平

（一）上电复位（POR）

当芯片供电电源电压VDD上升到一定值时，即产生一个上电复位脉冲

（二）/MCLR复位

（三）上电延时定时器PWRT

●可用于上电过程中电源电压上升过慢的情形

●工作于一个独立的RC振荡器，并提供约72ms的延时时间

●一旦开启PWRT，芯片检测到上电复位后将使芯片持续保持在复位状态，直到定时结束。

（四）起振定时器OST

●针对外部晶体振荡模式，即芯片配置为LP、XT或HS模式

●当上电复位延时结束后，芯片并没有马上脱离复位状态，而是开始对外部的振荡波形进行脉冲计数，直到计满1024个振荡波形后，芯片才真正结束整个复位过程。

（五）PLL锁相延时

●当PLL使能时，才有锁相延时

●作用：

–提供一个足够PLL锁定到主振荡器频率的固定时间

●PLL锁相延时时间的典型值为2ms，紧跟在起振定时之后

（六）掉电锁定复位

●可以为单片机提供电源跌落的预警信号

–一旦发现VDD下降到某一个门槛值，就使单片机及时复位以免系统失控

●门限电压VBOR是在芯片设计时固定的，典型值4V左右，一般3.8V～4.2V

●PIC18系列的BOR模块判别门限电压是可编程的（PBOR）

●一旦VDD

位

7:

6

5:

4

3

2

1

0

功能

－

－

BORV1

BORV0

BOREN

PWRTEN

BORV1-BORV0:

欠电压复位电压值

11:

2.0V

10:

2.7V

01:

4.2V

00:

4.5V

BOREN:

欠电压复位使能位

1：

使能

0：

禁止

PWRTEN:

上电延时定时器使能

1：

禁止

0：

使能

2.4硬件乘法器

PIC18F单片机:

内嵌一个8*8的硬件乘法器

可以在一个指令周期内完成8*8无符号数乘法运算,结果保存在一个16位的寄存器里（PRODH:

PRODL）,不影响状态寄存器ALUSTA的标志位

优势:

提高计算能力减少代码量

例如:

一个8*8无符号数乘法的例子

MOVFARG1,W

MULWFARG2

2.5存储器系统

☐Flash程序存储器

☐数据存储器

☐EEPROM数据存储器

为何在单片机内要同时集成这两种存储器呢？

分析：

EEPROM比Flash读写次数更多，寿命更长。

Flash比EEPROM的存储单元结构简单，造价低廉，占用硅片面积小，便于集成大容量。

Flash存储器适合烧写那些改动不太频繁的用户程序或参数

EEPROM存储器适合存储那些经常变动而掉电又不能丢失的数据

数据存储器和Flash程序存储器采用分离的总线结构，因而可以同时被访问。

1.程序存储器结构

包含：

堆栈空间中断入口程序空间

2.堆栈

☐特点：

31层×21位的独立空间

用一个5位长度的堆栈指针进行操作

☐STKPTR——堆栈指针寄存器

STKPTR寄存器包含：

堆栈指针值、堆栈满状态位和堆栈下溢出状态位

位

7

6

5

4

3

2

1

0

功能

STKFUL

STKUNF

－

SP4

SP3

SP2

SP1

SP0

STKFUL堆栈满标准位

0：

堆栈满

1：

堆栈未满

STKUNF堆栈下溢出标志位

0：

堆栈下溢

1：

堆栈未下溢

SP4:

SP0堆栈指针值

说明：

堆栈指针的值可以为0～31

所有复位之后，堆栈指针都将被初始化为00000b

压栈时堆栈指针增加，弹栈时堆栈指针减少，复位时堆栈指针为0

用户可以读写堆栈指针的值

堆栈指针00000b无对应的RAM，只是复位的默认值

堆栈上溢出和堆栈下溢出

（1）堆栈上溢出

当压栈到31次时，即STKPTR=31

STKFUL将置1

堆栈溢出使能位STVREN

1：

使芯片复位。

复位后STKFUL仍为1，STKPTR的值为0

0：

在第31次压栈时，STKFUL=1。

但不会使芯片复位，STKPTR=31

（2）堆栈下溢出

当弹栈次数足以使堆栈清空时，STKUNF将置1

在STVREN使能的情况下，下一次弹栈将向PC返回0同时使STKUNF置位，然后芯片复位。

STKPTR=0

堆栈上溢出和下溢出复位取决于STVREN

0：

则发生上溢出和下溢出时将使STKFUL和STKUNF置位，但不会使芯片复位

1：

则发生上溢出和下溢出时将使STKFUL和STKUNF置位，然后使芯片复位

STKFUL和STKUNF只能通过上电复位或软件清除

3.程序计数器PC

作用：

用于存放下一条将要执行的指令地址

宽度：

21位，需要3个8位的寄存器存放

PCL可以通过指令直接读写，PCH不能直接读写，需要通过PCLATH寄存器，PCU也不能直接读写，需要通过PCLATU寄存器。

ROM中指令存放形式：

程序存储器以字节为地址单位

一条指令在程序存储器中占2或4字节

⏹绝大部分为单字指令

⏹双字指令的操作码只有4个：

⏹MOVFF、CALL、GOTO和LFSR

PC在程序存储器中按字寻址

⏹若当前为单字指令，下一条指令的PC为PC+2

⏹若当前为双字指令，下一条指令的PC为PC+4

一条指令的最低有效位总是存储在程序存储器的偶地址中

指令周期及指令流水线

时钟周期最基本的时序单位

单片机的OSC1引脚产生的时钟信号，经内部时钟4分频之后，形成4个不重叠的方波信号Q1～Q4指令周期，一个指令周期内部包含4个时钟周期。

5.数据存储器结构

用12位地址进行寻址，可以访问4KB空间（000H～FFFH）：

248/448000H～2FFH768B

448/458000H～5FFH1536B

整个RAM区分成16个Bank（0～15）：

每个Bank为256B

利用BSR<3:

0>选择Bankn（直接寻址）

12位RAM地址的形成：

（1）利用BSR

格式：

MOVLBK

操作数：

K∈[0，255]

功能：

K→BSR

例如：

MOVLB0X35

结果：

BSR=0X35（Bank5）

（2）利用指令MOVFF实现

格式：

MOVFFfs，fd

操作数：

[000h，FFFh]

功能：

（fs）→fd

双字双周期指令

可以实现片内RAM单元之间的数据传送

通用寄存器GPR：

248/448060H～2FFH

258/458060H～5FFH

特殊功能寄存器SFR：

主要分布在Bank15

6.数据存储区的间接寻址

（1）FSR——文件选择寄存器

实际上是指向RAM区域的一个指针

FSR寄存器有3组：

FSR0：

FSR0H和FSR0L

FSR1：

FSR1H和FSR1L

FSR2：

FSR2H和FSR2L

（2）INDF寄存器组

INDF0、INDF1和INDF2

它们不是物理寄存器：

INDF寄存器在单片机内没有真正的存储空间，它仅仅是一个假想的、不存在的寄存器单元

当寻址INDF时，实际上是访问以FSR内容为地址的RAM单元

说明：

通过FSR，可对INDF间接读/写：

读INDF寄存器，结果为00H写INDF寄存器，将是空操作

读/写INDF寄存器组的结果均将启动间接寻址，即把相应FSR寄存器中的值作为RAM的地址使用

NDF与FSR配合使用

当一条指令向INDF0寄存器写入数值时，该值将被写入到由FSR0所指向的RAM地址单元。

同理当对INDF0进行读操作时，是把FSR0所指定的RAM地址单元中的内容读出来。

FSR是一个地址指针，在执行指令的过程中，其值可以改在实际运用中，除了INDF外，还有4个地址寄存器与FSR密切相关：

INDFn间接寻址后FSRn寄存器不改变

POSTDECn间接寻址后FSRn寄存器自动减少

POSTINCn间接寻址后FSRn寄存器自动增加

PREINCn间接寻址前FSRn寄存器自动增加

PLUSWn间接寻址后不改变W和FSR寄存器的值

应用实例：

movlw0x05;Valuetocompare

lfsrFSR1,0x000;SetFSRtofirstRAMlocation

LOOPclrfPOSTINC1;Clearlocation,incrementFSR1

cpfsgtFSR1H;FSR1H>5?

gotoLOOP;NO,loop

:

;YES,nextinstruction

第3章中断系统

3.1中断系统简介

中断矢量有2个入口地址：

⏹高优先级中断矢量000008H

⏹低优先级中断矢量000018H

中断源：

⏹基本中断源或内部中断源

⏹特殊中断源或称为外部中断源

内部中断源：

INT0、INT1和INT2引脚上的外部中断，TMR0溢出中断，PORTB端口电平变化中断

外部：

TMRI/TMR3溢出中断，TMR2匹配中断，CCP模块中断，主控同步串行口中断，A/D转换中断，USART发送/接收中断。

13个控制寄存器：

1.中断控制寄存器INTCON、INTCON2和INTCON3

2.外围模块中断请求寄存器PIR、PIR2、PIR3

3.外围模块中断使能寄存器PIE、PIE2、PIE3

4.外围模块中断优先级寄存器IPR、IPR2和IPR3

5.复位控制寄存器RCON

说明

1.每个中断源都有3个位来控制它的操作

标志位：

表明有中断发生TMR0IF

使能位：

允许响应中断TMR0IE

优先级位：

选择中断优先级的高低TMR0IP

2、高优先级的中断源可以中断低优先级的中断

在一个中断被响应后，中断总使能位被清0

⏹当IPEN=0时，就是清GIE位

⏹当IPEN=1时，就是清GIEH和GIEL位中的一个

3、中断响应过程：

某一中断源发出中断请求后，置位中断请求标志位，向CPU提出中断申请，单片机查询到中断标志位后，如果该中断使能，CPU将暂停当前程序而转向该中断服务程序，进入中断服务程序之前，CPU必须在现行指令执行完毕后，将断点地址压入堆栈。

保护现场和断点，转入中断服务子程序：

⏹查清发出中断请求的具体中断源

⏹清除相应的中断请求标志位

中断处理完毕后，恢复现场和恢复断点。

3.2中断控制寄存器

1.中断控制寄存器INTCON

2.中断请求寄存器PIR

3.中断使能寄存器PIE

4.中断优先级寄存器IPR

5.复位控制寄存器RCON

1.中断控制寄存器INTCON

可读/写寄存器，含有各种使能位、优先级和标志位

⏹INT0、INT1和INT2外部中断

⏹TMR0溢出中断

⏹PORTB端口电平变化中断

有3个：

INTCON,INTCON1,INTCON2

GIE/GIEH

IPEN为0：

选择GIE全局中断使能位

IPEN为1：

选择GIEH高优先级中断使能位

PEIE/GIEL

IPEN为0:

：

选择PEIE外设中断使能位

IPEN为1:

：

选择GIEL低优先级中断使能位

RBIE：

RB端口电平变化中断使能位

RBIF：

RB端口电平变化中断标准位，RBBit7～4的输入电平一旦有变化，就将标志位RBIF置1

TMR0IE：

TMR0溢出中断使能位

TMR0IF：

TMR0溢出中断标志位

INT0IE：

INT0外部中断使能位

INT0IF：

INT0外部中断标志位

2、RCON寄存器介绍

位

7

6

5

4

3

2

1

0

功能

IPEN

IPEN——中断优先级使能位

1使能

0禁止

其他位与复位控制相关

3、PIE寄存器介绍

位

7

6

5

4

3

2

1

0

功能

PSPIE

ADIE

RCIE

TXIE

SSPIE

CCP1IE

TMR2IE

TMR1IE

PSPIE：

从并口读写中断使能位

ADIE：

ADC中断中断使能位

RCIE：

UART接收中断使能位

TXIE：

UART发送中断标志位

PIE2PIE3

4、IPR寄存器介绍

位

7

6

5

4

3

2

1

0

功能

PSPIP

ADIP

RCIP

TXIP

SSPIP

CCP1IP

TMR2IP

TMR1IP

PSPIP：

从并口读写中断优先级选择位

ADIP：

ADC中断中断优先级选择位

RCIP：

UART接收中断优先级选择位

TXIP：

UART发送中断优先级选择位

IPR2IPR3

5、PIR寄存器介绍

位

7

6

5

4

3

2

1

0

功能

PSPIF

ADIF

RCIF

TXIF

SSPIF

CCP1IF

TMR2IF

TMR1IF

PSPIF：

从并口读写中断标志位

ADIF：

ADC中断中断标志位

RCIF：

UART接收中断标志位

TXIF：

UART发送中断标志位

PIR2PIR3

3.3中断应用实例

利用PORTB口电平中断实现独立式按键检测

利用PORTB口电平中断实现独立式按键检测。

RB4-RB7:

作为按键输入，采用电平检测。

RD0-RD7:

作为输出，驱动LED显示。

程序如下：

#include

#defineA1RB4

#defineA2RB5

#defineA3RB6

#defineA4RB7

相关子程序如下：

VoidinterruptHI_ISR（void）;

Voidini（void）;

Voiddelay10ms（）;

初始化程序如下：

Voidini（void）

{

INTON=0;清中断

TRISB=0XF0;RB4-RB7设为输入

PORTB=0;

TRISD=0;RD口为输出

PORTD=0;

RBIE=0;RB电平中断使能

PORTB=PORTB;读RB口，为电平变化创造条件

GIE=0;开全局中断

}

}

主程序如下：

voidmain（void）

{

init（）;

while

（1）

{

PORTC=PORTC;

其他代码；

　　｝

　｝

中断程序如下：

VoidinterruptHI_ISR（void）

{GIE=0;

if（（RBIE）&&（RBIF））

{

delay10ms（）;

PORTB=PORTB;

if（A1=0）PORTD=1;

if（A2=0）PORTD=2;

if（A3=0）PORTD=3;

if（A4=0）PORTD=4;

RBIF=0;

}

GIE=1;

}