深入剖析PIC16F870/871微控制器：功能特性与应用指南

在电子设计领域，微控制器是核心组件之一，它如同电子设备的“大脑”，掌控着设备的各种功能和运行逻辑。Microchip的PIC16F870/871微控制器以其丰富的功能和出色的性能，在众多应用场景中得到了广泛应用。今天，我们就来深入剖析这款微控制器，探讨它的特性、应用以及设计要点。

文件下载：PIC16LF870-I/SS.pdf

一、设备概述

PIC16F870/871微控制器有28引脚的PIC16F870和40引脚的PIC16F871两种型号。它采用高性能RISC CPU，指令集简洁，仅需学习35条单字指令，且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，操作频率范围为DC - 20 MHz，指令周期可达DC - 200 ns。

1.1 核心特性

• 高性能RISC CPU：具备强大的运算能力，能高效处理各种任务。
• 精简指令集：35条单字指令，易于学习和使用，降低了开发难度。
• 丰富的内存资源：拥有2K x 14 words的FLASH程序内存、128 x 8 bytes的数据内存（RAM）以及64 x 8 bytes的EEPROM数据内存，满足不同的数据存储需求。
• 多中断源：具备多达11个中断源，可实现快速响应外部事件，提高系统的实时性。
• 低功耗设计：采用低功耗、高速CMOS FLASH/EEPROM技术，在不同工作模式下都能保持较低的功耗，如在5V、4 MHz典型工作条件下电流小于1.6 mA，3V、32 kHz时典型电流为20 μA，待机电流典型值小于1 μA。
• 多种工作模式：支持Power-on Reset（POR）、Power-up Timer（PWRT）、Oscillator Start-up Timer（OST）、Watchdog Timer（WDT）等功能，确保系统的稳定性和可靠性；具备Power saving SLEEP模式，可在不需要工作时降低功耗；还支持In-Circuit Serial Programming（ICSP）和In-Circuit Debugging等功能，方便开发和调试。

1.2 外设特性

• 定时器模块：
  • Timer0：8位定时器/计数器，带有8位软件可编程预分频器，可选择内部或外部时钟源，溢出时可产生中断。
  • Timer1：16位定时器/计数器，可在SLEEP模式下通过外部晶体/时钟递增，具备预分频器，可工作在定时器或计数器模式。
  • Timer2：8位定时器，带有预分频器和后分频器，可作为PWM时间基准。
• Capture/Compare/PWM模块：可实现16位捕获、比较和PWM功能，捕获分辨率最高可达12.5 ns，比较分辨率最高可达200 ns，PWM分辨率最高可达10位。
• 模拟-to-数字转换器（ADC）：28引脚设备有5个输入通道，其他设备有8个输入通道，可实现10位多通道模拟-to-数字转换。
• 通用同步异步收发器（USART）：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，具备多处理器通信能力。
• 并行从端口（PSP）：仅PIC16F871具备，可作为8位宽的微处理器端口，实现与外部设备的并行通信。

二、内存组织

PIC16F870/871的内存分为程序内存和数据内存，两者拥有独立的总线，可实现并发访问。

2.1 程序内存

程序内存采用13位程序计数器，可寻址8K x 14的程序内存空间，但实际只有2K x 14 words的FLASH程序内存。RESET向量位于0000h，中断向量位于0004h。

2.2 数据内存

数据内存被划分为多个存储体，包含通用寄存器和特殊功能寄存器。通过STATUS寄存器的RP1和RP0位进行存储体选择，每个存储体最大扩展到7Fh（128字节），下部位置保留给特殊功能寄存器，上部为通用寄存器，采用静态RAM实现。部分常用特殊功能寄存器会在不同存储体中镜像，以减少代码量并加快访问速度。

三、I/O端口

PIC16F870/871的I/O端口部分引脚与外设功能复用，当外设启用时，这些引脚可能无法作为通用I/O引脚使用。

3.1 PORTA

6位宽双向端口，对应数据方向寄存器为TRISA。部分引脚可作为模拟输入或VREF输入，RA4引脚还可作为Timer0模块的时钟输入，采用Schmitt Trigger输入和开漏输出。

3.2 PORTB

8位宽双向端口，对应数据方向寄存器为TRISB。部分引脚与低电压编程功能复用，每个引脚都有内部弱上拉电阻，可通过OPTION_REG寄存器的RBPU位统一控制。RB7:RB4引脚具备中断变化功能，可用于按键唤醒等操作。

3.3 PORTC

8位宽双向端口，对应数据方向寄存器为TRISC。部分引脚与多个外设功能复用，采用Schmitt Trigger输入缓冲器。在启用外设功能时，需注意TRIS位的设置。

3.4 PORTD和PORTE（仅PIC16F871）

PORTD为8位端口，可配置为8位宽的微处理器端口（并行从端口），输入缓冲器在I/O模式下为Schmitt Trigger，在并行从端口模式下为TTL。PORTE有三个引脚，可作为通用I/O引脚或并行从端口的控制输入，输入缓冲器同样根据模式不同而变化。

四、定时器模块

定时器模块是PIC16F870/871的重要组成部分，可实现定时、计数等功能。

4.1 Timer0模块

8位定时器/计数器，可读可写，带有8位软件可编程预分频器，可选择内部或外部时钟源，溢出时可产生中断。在定时器模式下，每指令周期递增；在计数器模式下，根据RA4/T0CKI引脚的边沿变化递增。

4.2 Timer1模块

16位定时器/计数器，由TMR1H和TMR1L两个8位寄存器组成，可读可写。可工作在定时器或计数器模式，可通过T1CON寄存器进行配置。在SLEEP模式下，若配置为异步计数器模式，可继续运行并产生溢出中断，唤醒处理器。

4.3 Timer2模块

8位定时器，带有预分频器和后分频器，可作为PWM时间基准。TMR2寄存器可读可写，在设备复位时清零。通过T2CON寄存器可配置预分频器和后分频器，以及定时器的开启和关闭。

五、Capture/Compare/PWM模块

该模块包含一个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。

5.1 捕获模式

在捕获模式下，CCPR1H:CCPR1L可捕获TMR1寄存器的16位值，根据不同的事件触发条件进行捕获，如每个下降沿、上升沿、第4个上升沿或第16个上升沿。捕获发生时，中断请求标志位CCP1IF会被置位，需在软件中清除。

5.2 比较模式

在比较模式下，16位CCPR1寄存器的值会与TMR1寄存器的值进行比较，当匹配时，RC2/CCP1引脚会根据配置进行相应操作，同时中断标志位CCP1IF会被置位。

5.3 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。通过设置PR2寄存器可指定PWM周期，通过设置CCPR1L寄存器和CCP1CON<5:4>位可指定PWM占空比。

六、通用同步异步收发器（USART）

USART模块可配置为异步（全双工）、同步 - 主（半双工）或同步 - 从（半双工）模式，支持9位地址检测，可与多种外设进行通信。

6.1 波特率发生器

BRG是一个专用的8位波特率发生器，可支持USART的异步和同步模式。通过SPBRG寄存器控制8位定时器的周期，在异步模式下，BRGH位也会影响波特率。

6.2 异步模式

在异步模式下，USART采用标准的非归零（NRZ）格式，包括一个起始位、8或9个数据位和一个停止位。发送和接收功能相互独立，但使用相同的数据格式和波特率。

6.3 同步主模式

在同步主模式下，数据以半双工方式传输，处理器在CK线上发送主时钟。发送和接收操作通过TXEN和CREN或SREN位进行控制。

6.4 同步从模式

同步从模式与主模式的操作基本相同，但移位时钟由外部提供，可在SLEEP模式下进行数据传输。

七、模拟-to-数字转换器（ADC）模块

ADC模块有5个输入通道（28引脚设备）或8个输入通道（其他设备），可将模拟输入信号转换为10位数字结果。

7.1 转换过程

转换过程包括配置A/D模块、等待采样时间、启动转换、等待转换完成和读取转换结果等步骤。在转换过程中，需注意采样时间的计算和A/D转换时钟的选择。

7.2 特殊功能

ADC模块可在SLEEP模式下工作，但需将A/D时钟源设置为内部RC振荡器。

八、特殊功能

PIC16F870/871具备多种特殊功能，可提高系统的可靠性和灵活性。

8.1 振荡器选择

支持LP低功耗晶体、XT晶体/谐振器、HS高速晶体/谐振器和RC电阻/电容四种振荡器模式，可通过配置位进行选择。

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，可确保系统在不同情况下的稳定启动。

8.3 中断功能

最多有14个中断源，通过INTCON寄存器记录中断请求标志位，可通过全局中断使能位GIE和各个中断使能位进行控制。

8.4 看门狗定时器（WDT）

WDT是一个独立的RC振荡器，可在正常运行时产生设备复位，在SLEEP模式下唤醒设备。可通过配置位永久禁用。

8.5 SLEEP模式

通过执行SLEEP指令进入低功耗模式，WDT可继续运行，I/O端口保持原有状态。可通过外部RESET、WDT唤醒或中断唤醒。

8.6 代码保护

具备代码保护功能，可对EEPROM数据内存和FLASH程序内存进行保护，防止数据和代码被非法读取。

8.7 在线串行编程（ICSP）

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，方便产品的生产和更新。

8.8 低电压ICSP编程

通过配置字的LVP位可启用低电压ICSP编程，使用正常工作电压的VDD源进行编程。

8.9 在线调试器

通过配置字的DEBUG位可启用在线调试器功能，方便进行调试和开发。

九、开发支持

Microchip为PIC16F870/871提供了丰富的开发支持工具，包括集成开发环境、汇编器/编译器/链接器、模拟器、仿真器、在线调试器、设备编程器、低成本演示板和评估套件等，可满足不同开发阶段的需求。

9.1 MPLAB集成开发环境软件

提供了便捷的软件开发环境，支持多种调试工具，可实现源代码编辑、编译、下载和调试等功能。

9.2 MPASM汇编器

全功能的通用宏汇编器，可生成可重定位目标文件、Intel标准HEX文件、MAP文件和绝对LST文件等，支持用户自定义宏和条件汇编。

9.3 MPLAB C17和MPLAB C18 C编译器

完整的ANSI C编译器，提供强大的集成能力、优秀的代码优化和易用性，可生成适用于PIC17CXXX和PIC18CXXX系列微控制器的代码。

9.4 MPLINK对象链接器/MPLIB对象库管理器

MPLINK可将MPASM汇编器和MPLAB C17、MPLAB C18 C编译器生成的可重定位对象进行链接，MPLIB可管理预编译代码的库文件。

9.5 MPLAB C30 C编译器

全功能的ANSI兼容优化编译器，可将标准ANSI C程序转换为dsPIC30F汇编语言源代码，支持多种命令行选项和语言扩展。

9.6 MPLAB ASM30汇编器、链接器和库管理器

可生成dsPIC30F设备的可重定位机器代码，支持固定点和浮点数据，具备丰富的指令集和灵活的宏语言。

9.7 MPLAB SIM软件模拟器

可在PC环境中模拟PIC系列微控制器的指令级操作，支持符号调试，可进行单步执行、执行到断点和跟踪模式等操作。

9.8 MPLAB ICE 2000和MPLAB ICE 4000高性能通用在线仿真器

提供完整的微控制器设计工具集，具备高级的跟踪、触发和数据监测功能，可进行实时仿真和调试。

9.9 MPLAB ICD 2在线调试器

低成本、强大的运行时开发工具，可通过RS-232或高速USB接口连接到主机PC，支持在线调试和编程功能。

9.10 设备编程器和演示板

包括PRO MATE II通用设备编程器、PICSTART Plus开发编程器和多种PICDEM演示板，可方便进行设备编程和功能演示。

十、总结

PIC16F870/871微控制器以其丰富的功能、低功耗设计和良好的开发支持，在电子设计领域具有广泛的应用前景。无论是工业控制、消费电子还是物联网等领域，都能发挥其优势。在实际应用中，我们需要根据具体需求合理选择和配置微控制器的各种功能，充分发挥其性能。同时，借助Microchip提供的开发工具，可提高开发效率，缩短开发周期。希望本文能为电子工程师们在使用PIC16F870/871微控制器时提供一些帮助和参考。大家在实际设计过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。