PIC16F87x的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器規(guī)劃和中斷編程分析

國(guó)微芯科技公司的PICmicro單片機(jī)和其他單片機(jī)相比，在硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)中采用了很多獨(dú)有的設(shè)計(jì)。

PIC系列單片機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)精練;采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)總線和指令總線分離;選址方式簡(jiǎn)單。

PIC16F87x系列單片機(jī)是PIC16系列子系列，是中間檔次產(chǎn)品。PIC系列與其他單片機(jī)相比，讓人印象最深的特點(diǎn)可能要屬其內(nèi)存的分頁(yè)結(jié)構(gòu)，有很多習(xí)慣了其他單片機(jī)編程的人認(rèn)為PIC單片機(jī)的內(nèi)存分頁(yè)帶來(lái)很多不便。本文介紹在PIC1687x系列單片機(jī)中，根據(jù)數(shù)據(jù)變量的訪問(wèn)特性安排其在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的位置的方法及其中斷編程，從一方面說(shuō)明內(nèi)存的規(guī)劃對(duì)編程的影響。

1 PIC16F87x單片機(jī)存儲(chǔ)器特點(diǎn)

PIC16F87x單片機(jī)采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分別有自己的總線。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器被分成4個(gè)頁(yè)(BANK)，每個(gè)頁(yè)大小為128字節(jié)，RP1和RP0位可以用來(lái)進(jìn)行頁(yè)選擇。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為通用寄存器和特殊功能寄存器。

特殊功能寄存器是通過(guò)CPU和外圍模塊來(lái)控制單片機(jī)運(yùn)行的寄存器。特殊功能寄存器分成兩類：一類是與核心功能有關(guān)的特殊寄存器，如狀態(tài)寄存器(STATUS)、FSR等;另一類是與外圍特性有關(guān)的外設(shè)寄存器。通用寄存器文件可以通過(guò)文件寄存器直接訪問(wèn)，一般給用戶系統(tǒng)用作變量存儲(chǔ)。

特殊功能寄存器在每個(gè)頁(yè)靠前的位置，有部分特殊功能寄存器(如STATUS)在每個(gè)頁(yè)中都有，但其實(shí)共享一個(gè)物理存儲(chǔ)，在PIC16F876/877中BANK0～ BANK3的后16個(gè)字節(jié)的通用寄存器也共享一個(gè)物理存儲(chǔ)。在PIC16F874/873中通用寄存器也有類似的安排?？梢?jiàn)廠家在設(shè)計(jì)安排這些存儲(chǔ)器時(shí)已經(jīng)考慮根據(jù)它們的訪問(wèn)特性安排其物理存儲(chǔ)位置。

PIC16F87x系列單片機(jī)所有寄存器有兩種訪問(wèn)方式，即直接尋址訪問(wèn)和間接尋址訪問(wèn)。當(dāng)通過(guò)直接尋址訪問(wèn)時(shí)，先設(shè)置狀態(tài)寄存器的RP1和RP0位進(jìn)行頁(yè)(BANK)選擇，每個(gè)頁(yè)內(nèi)具體偏移地址則由訪問(wèn)寄存器的指令給出。匯編代碼可以將頁(yè)選擇代碼寫成宏，例如：

BANK0 MACRO ;選擇頁(yè)0

bcf STATUS，RP0

bcf STATUS，RP1

BANK1 MACRO ;選擇頁(yè)1

bsf STATUS，RP0

bcf STATUS，RP1

ENDM

假如變量tempVar1是在Bank1：

CBLOCK 0xA0

tempVar1

……

ENDC

則訪問(wèn)tempVar1可以用：

BANK1 ;選擇TempVar1所在的頁(yè)

movwf tempVar1 ;將w內(nèi)容復(fù)制到tempVar1movwf

用上面?zhèn)鹘y(tǒng)的方法經(jīng)常要考慮當(dāng)前的變量是否與前面訪問(wèn)的處于同一個(gè)頁(yè)。如果不是在同一個(gè)頁(yè)，則要進(jìn)行頁(yè)選擇;如果要進(jìn)行頁(yè)選擇，還要考慮決定調(diào)用BANK0還是BANK1、BANK2等。

當(dāng)然，單片機(jī)開發(fā)人員也沒(méi)有必要每次訪問(wèn)變量時(shí)都要考慮變量是在那個(gè)頁(yè)，MPASM 匯編語(yǔ)言提供偽指令BANKSEL可幫助完成頁(yè)選擇，如BANKSEL tempVar1。如果在訪問(wèn)變量時(shí)都用這個(gè)偽指令進(jìn)行頁(yè)選擇，則可以避免編程時(shí)考慮變量頁(yè)的問(wèn)題，但這無(wú)疑使程序的效率降低。

間接尋址訪問(wèn)寄存器是通過(guò)INDF和FSR寄存器。INDF不是物理上的寄存器，訪問(wèn)INDF寄存器導(dǎo)致間接尋址，所要訪問(wèn)的寄存器地址由FSR內(nèi)容給出。FSR是8位的，可以給出地址空間是256字節(jié)，而頁(yè)大小是128字節(jié)，所以間接尋址一樣存在頁(yè)選擇的問(wèn)題。但與直接訪問(wèn)的頁(yè)選擇機(jī)制不同，它是通過(guò)IRP一個(gè)位來(lái)進(jìn)行頁(yè)選擇的。當(dāng)然，這個(gè)時(shí)候所指的“頁(yè)”，應(yīng)該是256字節(jié)。

2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用規(guī)劃

在用匯編語(yǔ)言開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)中，與用高級(jí)語(yǔ)言一樣存在變量存儲(chǔ)特性問(wèn)題，如在c語(yǔ)言中有元素型的變量(如int、char等)，也有集合型或結(jié)構(gòu)型的(如數(shù)組和結(jié)構(gòu)等)。類似地，在匯編語(yǔ)言開發(fā)中一樣存在單個(gè)變量和塊類型的變量，如運(yùn)算過(guò)程的臨時(shí)變量，RS232通信緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)指針、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等，這些是元素型變量;也有塊類型的變量，如RS232通信的緩沖區(qū)等。一般元素型變量在代碼中出現(xiàn)頻繁，比較適合用直接尋址訪問(wèn)方式，而塊類型變量在變量中的出現(xiàn)相對(duì)比較集中，比較適合用間接尋址訪問(wèn)方式。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用規(guī)劃的方法就是把變量分成元素類型變量和塊類型變量，將元素變量都定義在頁(yè)0(BANK0)，而將緩沖區(qū)型的變量都放在其他頁(yè)(當(dāng)然，若BANK0有空間，也可將緩沖區(qū)變量定義在BANK0)。在訪問(wèn)元素變量時(shí)，都用直接尋址，而對(duì)于塊類型變量都采用間接尋址訪問(wèn)。這樣整個(gè)程序初始化時(shí)就可以將RP1:RP0位設(shè)置為00，即選擇BANK0，以后訪問(wèn)元素類型變量都不再進(jìn)行頁(yè)選擇。這樣程序開發(fā)過(guò)程基本就不要考慮分頁(yè)的問(wèn)題，可以像MCS-51等其他系列的單片機(jī)一樣使用變量了。

當(dāng)然還有一部分特殊寄存器是定義在BANK2～BANK3之間的。對(duì)于訪問(wèn)這些非頁(yè)0內(nèi)的特殊寄存器，必須進(jìn)行頁(yè)選擇。訪問(wèn)完這些特殊寄存器，把頁(yè)選擇重新設(shè)置為BANK0，同時(shí)要注意在訪問(wèn)特殊寄存器過(guò)程中必須關(guān)閉中斷(這與中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)代碼實(shí)現(xiàn)有關(guān)，參見(jiàn)下面中斷處理部分)。在PIC單片機(jī)中，一般只是把與設(shè)置相關(guān)或者與外圍相關(guān)的寄存器放在BANK1～BANK3。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，除了在系統(tǒng)初始化部分代碼中，在其他地方訪問(wèn)這些特殊寄存器是很少見(jiàn)的。至于訪問(wèn)這些特殊寄存器時(shí)要關(guān)中斷，除了考慮下面保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的因素外，還有一個(gè)原因：這些特殊寄存器多是與外圍相關(guān)和中斷相關(guān)的，訪問(wèn)修改它們，從安全可靠角度也是應(yīng)該要先關(guān)閉中斷的。對(duì)于塊類型變量，都統(tǒng)一使用間接選址訪問(wèn);對(duì)于PIC16F873/874芯片，其通用寄存器都在BANK0和BANK1中，如果使用間接選址，則初始化之后，也不存在設(shè)置IRP進(jìn)行頁(yè)選擇的問(wèn)題。對(duì)于876/877芯片，當(dāng)在訪問(wèn)BANK0～BANK1和BANK2～BANK3之間切換時(shí)，還須正確設(shè)置IRP位。

3 中斷編程

中斷現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)是中斷技術(shù)中一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。對(duì)于PIC16F87x單片機(jī)，在進(jìn)入中斷服務(wù)程序期間，只有返回地址，即程序計(jì)數(shù)器PC的值被自動(dòng)壓入硬件堆棧;而在中斷處理程序中，一般必須像使用WReg、STATUS等寄存器一樣，在中斷處理程序開始處，就備份這些寄存器的內(nèi)容，即進(jìn)行所謂的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。

PIC16F87x子系列單片機(jī)具備的中斷源多達(dá)14種，中斷矢量只有1個(gè)，并且各個(gè)中斷源之間也沒(méi)有優(yōu)先級(jí)別之分，不具備非屏蔽中斷。PIC單片機(jī)中采用的是硬件堆棧結(jié)構(gòu)，不占用程序存儲(chǔ)器空間，也不占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，同時(shí)也無(wú)需用戶去操作堆棧指針;但同時(shí)也就決定了它不具備其他單片機(jī)指令系統(tǒng)中的壓棧(PUSH)和出棧(POP)指令。實(shí)現(xiàn)中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)時(shí)，不能用堆棧來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是通過(guò)變量的復(fù)制備份來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般的實(shí)現(xiàn)辦法是：先確定要保護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)，一般包括WReg、STATUS等寄存器的內(nèi)容，然后在各個(gè)頁(yè)都定義與這些寄存器對(duì)應(yīng)的變量，以備份現(xiàn)場(chǎng)。發(fā)生中斷時(shí)，在中斷處理代碼開始處先將這些現(xiàn)場(chǎng)寄存器內(nèi)容復(fù)制到備份變量，退出中斷處理時(shí)再?gòu)?fù)制回去恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)：

ORG 0x004 ;中斷向量人口

movwf w_temp ;保存當(dāng)前w 寄存器內(nèi)容

mov STATUS，w ;將STATUS 寄存器內(nèi)容復(fù)制到w

movwf status_temp ;保存STATUS寄存器內(nèi)容

movf PCLATH，w ;將PCLATH寄存器復(fù)制到w

movw{ pclath_temp ;保存PCLATH 器內(nèi)容

……

;中斷處理代碼放在這里

……

movf pclath_temp，w;

movwf PCLATH ;恢復(fù)PCLATH 寄存器內(nèi)容

movf status_temp，w;

movwf STATUS ;恢復(fù)STATUS寄存器內(nèi)容

swapf w_temp，f

swapf w_temp，w ;恢復(fù)w 寄存器內(nèi)容

retfie ;中斷返回

因?yàn)橹袛喟l(fā)生具有隨機(jī)性，發(fā)生中斷時(shí)當(dāng)前的頁(yè)是哪個(gè)也具有不確定性，所以只在某個(gè)頁(yè)(如BANK0)中定義一套備份變量w_temp、status_temp等，處理起來(lái)是很麻煩的，也要耗費(fèi)CPU 處理時(shí)間，所以一般在每個(gè)頁(yè)BANK都定義了一套用于備份現(xiàn)場(chǎng)的變量。這顯然是浪費(fèi)空間的辦法。

進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的變量規(guī)劃后，程序的執(zhí)行過(guò)程都是在BANK0，因此在BANK0定義一套備份變量就可以了。要備份的現(xiàn)場(chǎng)包含哪些寄存器，可以根據(jù)系統(tǒng)具體情況而定。

基于上面設(shè)計(jì)的中斷處理程序，總是默認(rèn)當(dāng)前的頁(yè)是BANK0。如果在訪問(wèn)一些不在BANK0的特殊寄存器而沒(méi)有關(guān)閉中斷，而剛好此時(shí)發(fā)生中斷，則此時(shí)不能正確訪問(wèn)到wREG_TEMP等備份變量了，這種情況就是個(gè)錯(cuò)誤。

結(jié)語(yǔ)

用PIC16F87x單片機(jī)開發(fā)室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行變量的規(guī)劃，免去大量的頁(yè)選擇問(wèn)題帶來(lái)的不便，能夠避免分頁(yè)沒(méi)處理好而帶來(lái)程序BUG。PIC系列單片機(jī)都有類似的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，所以存儲(chǔ)器的規(guī)劃對(duì)于其他PIC系列單片機(jī)應(yīng)該也是起作用的。另外，這也從另一個(gè)角度說(shuō)明，在設(shè)計(jì)階段對(duì)系統(tǒng)變量的物理存儲(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊?guī)劃，有時(shí)會(huì)得到意想不到的效果。