深度剖析Microchip PIC16F870/871微控制器：硬件特性与应用指南

在嵌入式系统设计领域，选择一款合适的微控制器对于项目的成功至关重要。Microchip的PIC16F870/871微控制器以其丰富的功能和出色的性能，成为众多工程师的首选之一。今天，我们就来深入探讨这款微控制器的各项特性、功能模块以及实际应用中的注意事项。

文件下载：PIC16LF870T-I SO.pdf

一、器件概述

PIC16F870和PIC16F871是Microchip推出的两款8位CMOS FLASH微控制器，分别采用28引脚和40引脚封装。它们具有高性能RISC CPU，指令集简洁，仅需学习35条单字指令，除程序分支指令为双周期外，其余均为单周期指令，运行速度快，时钟输入范围为DC - 20 MHz，指令周期可达200 ns。

核心特性

• 高性能RISC CPU：提供高效的指令执行能力，减少程序执行时间。
• 大容量存储：拥有2K x 14的FLASH程序存储器、128 x 8字节的数据存储器（RAM）和64 x 8字节的EEPROM数据存储器，满足不同应用的数据存储需求。
• 丰富的中断能力：PIC16F870有10个中断源，PIC16F871则多达11个，可及时响应外部事件。
• 低功耗设计：在不同工作模式下都能保持较低的功耗，如在5V、4 MHz典型条件下电流小于1.6 mA，3V、32 kHz典型条件下为20 μA，待机电流小于1 μA。
• 灵活的振荡器选项：支持RC、HS、LP、XT等多种振荡器模式，可根据不同应用场景选择合适的时钟源。
• 强大的编程与调试功能：支持在线串行编程（ICSP）和在线调试，可通过两根引脚实现，还具备单5V在线串行编程能力。

二、存储器组织

程序存储器

PIC16F870/871的程序存储器为13位程序计数器可寻址的8K x 14空间，但实际只有2K x 14的FLASH程序存储器。复位向量位于0000h，中断向量位于0004h。当访问超出物理实现地址时，会发生回绕。

数据存储器

数据存储器分为多个存储体，由STATUS寄存器的RP1和RP0位选择。每个存储体最大为7Fh（128字节），低位用于特殊功能寄存器，高位为通用寄存器。特殊功能寄存器又分为核心（CPU）和外设两类，控制着设备的各种操作。

三、I/O端口

PORTA

6位双向端口，对应数据方向寄存器为TRISA。部分引脚复用为模拟输入和VREF输入，RA4/T0CKI引脚为施密特触发输入和开漏输出。使用时需注意，上电复位时这些引脚配置为模拟输入，读取为'0'，使用模拟输入时需确保TRISA寄存器相应位为1。

PORTB

8位双向端口，对应数据方向寄存器为TRISB。部分引脚复用为低压编程功能，每个引脚有弱上拉电阻，可通过OPTION_REG寄存器的RBPU位控制。RB7:RB4引脚具有电平变化中断功能，可用于唤醒设备。

PORTC

8位双向端口，对应数据方向寄存器为TRISC。部分引脚复用为多个外设功能，引脚具有施密特触发输入缓冲器。启用外设功能时，需注意TRIS位的设置，避免影响引脚功能。

PORTD和PORTE（仅PIC16F871）

PORTD为8位端口，可配置为并行从端口；PORTE有三个引脚，可配置为输入或输出，也可作为并行从端口的控制输入。

并行从端口（PSP，仅PIC16F871）

当TRISE寄存器的PSPMODE位设置时，PORTD可作为8位并行从端口，通过RE0/RD、RE1/WR和RE2/CS控制输入，可直接与8位微处理器数据总线接口。

四、定时器模块

Timer0

8位定时器/计数器，具有8位可编程预分频器，可选择内部或外部时钟源，溢出时产生中断。预分频器与看门狗定时器共享，可通过OPTION_REG寄存器配置。

Timer1

16位定时器/计数器，由TMR1H和TMR1L两个8位寄存器组成。可工作在定时器或计数器模式，通过T1CON寄存器控制。在异步计数器模式下可在睡眠模式下运行并产生中断唤醒处理器。

Timer2

8位定时器，带有预分频器和后分频器，可作为CCP模块PWM模式的时基。TMR2寄存器可读可写，复位时清零。

五、捕获/比较/PWM模块（CCP）

每个CCP模块包含一个16位寄存器，可作为16位捕获寄存器、16位比较寄存器或PWM主/从占空比寄存器。

捕获模式

在捕获模式下，CCPR1H:CCPR1L捕获TMR1寄存器的16位值，根据CCP1CON寄存器的配置，可在不同的边沿触发捕获操作。

比较模式

将16位CCPR1寄存器的值与TMR1寄存器对的值进行比较，根据CCP1CON寄存器的配置，在匹配时对RC2/CCP1引脚进行相应操作，并设置中断标志位CCP1IF。

PWM模式

在PWM模式下，CCP1引脚可产生最高10位分辨率的PWM输出。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、通用同步异步收发器（USART）

USART模块可配置为全双工异步系统或半双工同步系统，支持9位地址检测的多处理器通信。

异步模式

使用标准NRZ格式，通过波特率发生器产生时钟，可选择高速或低速模式。发送和接收功能独立，支持8位或9位数据传输。

同步主模式

数据半双工传输，由处理器在CK线发送主时钟。发送和接收操作通过TXEN和CREN、SREN控制。

同步从模式

移位时钟由外部提供，可在睡眠模式下传输或接收数据。

七、模数转换器（A/D）模块

A/D转换器模块具有5个（28引脚设备）或8个（其他设备）模拟输入通道，可产生10位数字结果。通过ADCON0和ADCON1寄存器控制操作和配置端口引脚。支持在睡眠模式下操作，但需将A/D时钟源设置为内部RC振荡器。

八、特殊特性

振荡器选择

支持LP、XT、HS、RC四种振荡器模式，可通过配置位FOSC1和FOSC0选择。不同模式适用于不同的应用场景，如RC模式适用于对时序要求不高的应用，可节省成本；LP模式则可节省功耗。

复位机制

包括上电复位（POR）、MCLR复位、看门狗定时器复位（WDT）和欠压复位（BOR）。不同的复位情况会对寄存器产生不同的影响，可通过STATUS寄存器的(overline{TO})和(overline{PD})位判断复位类型。

中断系统

具有多达14个中断源，通过INTCON、PIR1和PIR2寄存器记录中断请求，通过GIE、PEIE和各中断使能位控制中断。中断发生时，GIE位清零，返回地址压入堆栈，PC加载为0004h。

看门狗定时器（WDT）

独立的片上RC振荡器，可在时钟停止时运行。正常运行时超时产生复位，睡眠模式下超时唤醒设备。可通过配置位WDTEN永久禁用。

睡眠模式

执行SLEEP指令进入睡眠模式，此时看门狗定时器清零但继续运行，振荡器驱动关闭，I/O端口保持状态。可通过外部复位、看门狗定时器唤醒或中断唤醒。

代码保护

具有EEPROM数据存储器和FLASH程序存储器的代码保护机制，可通过配置位控制。代码保护启用后，只有全擦除设备才能禁用。

在线串行编程（ICSP）和低压ICSP编程

支持在线串行编程，可在最终应用电路中对微控制器进行编程。低压ICSP编程模式允许使用正常工作电压的VDD源进行编程。

九、开发支持

Microchip为PIC16F870/871提供了丰富的开发工具，包括集成开发环境（MPLAB IDE）、汇编器（MPASM）、编译器（MPLAB C17、MPLAB C18、MPLAB C30）、模拟器（MPLAB SIM、MPLAB SIM30）、仿真器（MPLAB ICE 2000、MPLAB ICE 4000）、在线调试器（MPLAB ICD 2）和设备编程器（PRO MATE II、PICSTART Plus）等，方便工程师进行开发和调试。

十、总结

PIC16F870/871微控制器以其丰富的功能、低功耗和灵活的配置选项，适用于各种嵌入式应用场景。在实际设计中，工程师需要根据具体需求合理选择振荡器模式、配置寄存器、处理中断和进行编程调试。同时，要注意各项电气特性和时序要求，确保系统的稳定性和可靠性。希望本文能为电子工程师在使用PIC16F870/871微控制器时提供有价值的参考。