Mikrokontrolery

Wysoką wydajność mikrokontrolerów PIC10F200/202/204/206 można przypisać licznym cechom zwykle znajdowanym w mikroprocesorach RISC (ang. Reduced Instruction Set Computer – komputer o zredukowanej liście instrukcji). Na początek zwróćmy uwagę, iż układy PIC10F200/202/204/206 używają architektury harwardzkiej, w której program i dane są dostępne na oddzielnych magistralach. Poprawia to pasmo w stosunku do tradycyjnych architektur von Neumanna, gdzie instrukcje programu i dane są pobierane na tej samej magistrali. Rozdzielenie pamięci programu i danych w następnej kolejności pozwala utworzyć instrukcje maszynowe o innym rozmiarze od 8-bitowego słowa danych. Kody instrukcji mają rozmiar 12 bitów, co sprawia, iż rozmiar wszystkich instrukcji wynosi jedno słowo 12-bitowe. Magistrala dostępu do pamięci programu o słowach 12-bitowych pobiera 12-bitową instrukcję w pojedynczym takcie. Dwupoziomowa kolejka nakładkowania pozwala na jednoczesne pobieranie i wykonywanie instrukcji. W konsekwencji wszystkie instrukcje (z wyjątkiem instrukcji tworzących rozgałęzienia w programie) wykonują się w pojedynczym cyklu rozkazowym utworzonym z czterech taktów Q (Q1-Q4)  zegara (1µs przy 4MHz). Takt Q jest taki sam jak takt oscylatora mikrokontrolera (T_OSC). Takty Q wyznaczają w każdym cyklu rozkazowym okresy dekodowania, odczytu, przetwarzania danych, zapisu, itp.

Poniższa tabelka wymienia pamięci programu (FLASH) i pamięci danych w mikrokontrolerach PIC10F200/202/204/206.

Układy PIC10F200/202/204/206 mogą adresować bezpośrednio lub pośrednio swoje rejestry w zestawie oraz pamięć danych. Wszystkie rejestry o specjalnych funkcjach (ang. Special Function Registers, SFR) łącznie z licznikiem programu PC są odwzorowane w pamięci danych. Mikrokontrolery PIC10F200/202/204/206 posiadają wysoko symetryczny zestaw instrukcji, który umożliwia wykonanie dowolnej operacji na dowolnym rejestrze przy użyciu dowolnego trybu adresowania. Ta symetryczna natura oraz brak wyjątków czynią programowanie układów PIC10F200/202/204/206 prostym, a jednak wydajnym. Dodatkowo czas nauki jest znacząco zmniejszony.

Układy PIC10F200/202/204/206 zawierają 8-bitową jednostkę arytmetyczno-logiczną ALU (ang. Arithmetic Logic Unit) oraz rejestr roboczy W (ang. working register). ALU jest modułem arytmetycznym ogólnego przeznaczenia. Wykonuje on operacje arytmetyczne i logiczne pomiędzy danymi w rejestrze roboczym W i dowolnym rejestrem zestawu.

ALU jest modułem 8-bitowym, który potrafi dodawać, odejmować, przesuwać i wykonywać operacje logiczne. O ile nie zostanie wspomniane inaczej, operacje arytmetyczne są wykonywane w kodzie uzupełnień do 2, U2 (ang. two’s complement), jednym z argumentów jest typowo rejestr roboczy W. Drugim argumentem jest albo rejestr zestawu, albo stała natychmiastowa (zawarta w kodzie instrukcji). W operacjach jednoargumentowych argumentem jest albo rejestr W, albo rejestr z zestawu rejestrów.

Rejestr W jest rejestrem 8-bitowym wykorzystywanym w operacjach wykonywanych w ALU. Nie jest rejestrem adresowalnym.

W zależności od wykonywanej instrukcji ALU może zmieniać stany znaczników przeniesienia (ang. Carry, C), przeniesienia z cyfry (ang. Digit Carry, DC) oraz zera ( ang. Zero, Z) w rejestrze stanu (ang. STATUS register). W czasie odejmowania bity C i DC pracują odpowiednio jako bity wyjściowe pożyczki (ang. Borrow) i pożyczki z cyfry (ang, Digit Borrow).

PIC10F200/202

  

PIC10F204/208

  

Opis końcówek mikrokontrolerów PIC10F200/202/204/206

Zegar jest wewnętrznie dzielony przez cztery w celu utworzenia czterech nie nakładających się zegarów kwadraturowych (ang. non-overlapping quadrature clocks), mianowicie Q1, Q2, Q3 i Q4. Wewnętrznie licznik programu PC jest zwiększany o 1 przy każdym impulsie Q1, a instrukcja zostaje pobrana z pamięci programu i umieszczona w rejestrze instrukcji w takcie Q4. Następnie w ciągu dalszych taktów Q1...Q4 instrukcja zostaje zdekodowana i wykonana. Poniższy rysunek przedstawia zegary oraz proces wykonywania instrukcji w mikrokontrolerze PIC:

Wszystkie instrukcje są wykonywane w pojedynczym cyklu rozkazowym z wyjątkiem instrukcji rozgałęzień w programie, które wykonują się w dwóch cyklach, ponieważ pobrana instrukcja zostaje usunięta z kolejki nakładkowania, a w tym jest pobierana instrukcja spod nowego adresu, a później jest wykonywana.

Każdy cykl rozkazowy składa się z czterech taktów Q (Q1, Q2, Q3 i Q4).  Pobranie instrukcji i jej wykonanie są nakładkowane w taki sposób, iż pobranie zajmuje jeden cykl rozkazowy, natomiast dekodowanie i wykonanie są realizowane w kolejnym cyklu rozkazowym. Zatem cała instrukcja zajmuje dwa cykle rozkazowe. Jednakże z powodu nakładkowania, każda instrukcja wykonywana jest efektywnie w jednym cyklu. Jeśli instrukcja powoduje zmianę zawartości licznika programu PC (np. instrukcja GOTO), to do wykonania takiej instrukcji potrzebne są dwa cykle rozkazowe:

Cykl pobrania rozpoczyna się od zwiększenia o 1 licznika programu w takcie Q1. Kod instrukcji jest następnie pobierany w takcie Q4. W cyklu wykonania pobrana instrukcja jest zapamiętywana w rejestrze rozkazów IR (ang. Instruction Register) i dekodowana w takcie Q1. Następnie ta instrukcja jest wykonywana w trakcie taktów Q2, Q3 i Q4. Pamięć danych jest odczytywana podczas taktu Q2 (odczyt argumentu) i zapisywana podczas taktu Q4 (zapis docelowy). Przetwarzanie danych (np. dodawanie, operacja logiczna) wykonywane jest w takcie Q3.