Instrukcje maszynowe PIC

• Podstawową (ang. base-line)
• Średnią (ang. mid-range)
• Średnią rozszerzoną (ang. enhanced mid-range)
• Wysokiej klasy (ang. high end)

Każda kolejna z tych rodzin cechuje się coraz większymi możliwościami mikrokontrolerów.  Mikrokontrolery PIC posiadają podobne funkcje wyprowadzeń w obrębie układów o tej samej liczbie nóżek, co często pozwala stosować je zamiennie między sobą. Dodatkowo architektura mikrokontrolerów PIC jest bardzo podobna, co ułatwia naukę i zastosowanie.

Procesor PIC jest procesorem RISC (ang. Reduced Instruction Set Computer – komputer o zredukowanej liście rozkazów). Dzięki temu procesor działa bardzo szybko, rozkazy są wykonywane co jeden takcie zegara – w rzeczywistości taktów jest więcej (pobranie, dekodowanie i wykonanie), lecz PIC stosuje nakładkowanie (ang. pipelining): polega to na tym, iż rozkazy są dekodowane i wykonywane w trakcie pobierania następnego rozkazu. Poniższy rysunek wyjaśnia ideę nakładkowania:

W efekcie program jest wykonywany szybciej (w mniejszej liczbie taktów) - w PIC jedna instrukcja co 1 takt zegara (w rzeczywistości 1 instrukcja wykonywana jest w 4 taktach zegara, lecz nakładkowanie przyspiesza ten proces). Architektura RISC wymusza małą liczbę rozkazów, które wykonuje mikroprocesor PIC. Rozkazy te są proste i łatwe do zapamiętania. Mała liczba rozkazów (około 35) upraszcza ich dekodowanie (rozpoznawanie przez mikroprocesor po pobraniu z pamięci), co również przekłada się na przyspieszenie działania. Możesz tutaj zadać pytanie: skoro to takie piękne, to dlaczego nie produkuje się wszystkich mikroprocesorów jako RISC? Otóż dlatego, iż zaletą RISC jest duża szybkość wykonywania rozkazów, jednak wadą może być to, iż rozkazy te są bardzo proste i przy bardziej skomplikowanym przetwarzaniu trzeba tych rozkazów wykonać dużo, co niweluje wtedy zalety RISC. Na szczęście takie sytuacje nie występują nader często.

Procesor PIC składa się ze standardowych modułów:

1. Jednostka arytmetyczno/logiczna, JAL, (ang. Arithmetic/Logic Unit, ALU) wykonuje operacje arytmetyczne i logiczne na przetwarzanych danych.
2. Moduł pamięci (ang. Memory Unit, MU) przechowuje pobrane instrukcje.
3. Moduł sterujący (ang. Control Unit, CU) steruje zewnętrznymi i wewnętrznymi modułami peryferyjnymi, które są połączone z mikroprocesorem
4. Rejestr roboczy, akumulator (ang. Working register, W) jest używany do przechowywania argumentu i wyniku niektórych operacji wykonywanych przez JAL.

Mikroprocesor PIC posiada architekturę harwardzką (ang. Harward Architecture), co oznacza rozdzielenie pamięci programu z instrukcjami dla mikroprocesora od pamięci danych. Takie rozwiązanie upraszcza budowę mikroprocesora, co dodatkowo przyspiesza jego działanie. W PIC pamięć składa się z pamięci RAM i ROM:

W pamięci RAM znajdują się trzy przestrzenie (obszary adresowe):

• SFR (ang. Special Function Registers) – rejestry o specjalnych funkcjach. Komórki SFR spełniają różne funkcje w mikrokontrolerze, np. dostęp do portów lub sterowanie modułami we/wy. Funkcje te są zdefiniowane przez producenta i program użytkownika nie może ich zmienić. Procesor PIC posiada bezpośredni dostęp do rejestrów SFR.
• GPR (ang. General Purpose Registers) – rejestry ogólnego przeznaczenia służą do przechowywania przetwarzanych danych. Nie posiadają one przydzielonych funkcji i mikroprocesor może wykorzystywać je w dowolny sposób. Procesor PIC posiada bezpośredni dostęp do rejestrów GPR.
• STOS (ang. Stack) składa się z rejestrów, używanych do przechowywania adresów powrotnych z przerwań i podprogramów. Dostęp do stosu posiada tylko kilka instrukcji PIC.

Rejestry SFR i GPR znajdują się we wspólnej przestrzeni danych, zwanej plikiem rejestrów (ang. Register File). Takie rozwiązanie pozwala na dostęp do SFR i GPR przy pomocy tych samych instrukcji mikroprocesora.

W pamięci ROM znajdują się dwie przestrzenie:

• FLASH przechowuje instrukcje wykonywanego programu. Pamięć FLASH mikrokontrolera PIC można programować przy pomocy zewnętrznego programatora. Po zaprogramowaniu zawartość FLASH pozostaje niezmieniona.
• EEPROM jest pamięcią stałą, której zawartość mikroprocesor może programować. Po zaprogramowaniu zawartość EEPROM pozostaje niezmieniona aż do ponownego zaprogramowania. Pamięć ta znajduje się w osobnej przestrzeni adresowej (proste mikrokontrolery PIC mogą nie posiadać pamięci EEPROM) i dostęp do jej komórek PIC uzyskuje poprzez rejestry SFR.

Mikrokontroler PIC posiada szereg modułów we/wy, które pełnią różne funkcje.

Porty umożliwiają przesyłanie danych pomiędzy PIC a różnymi urządzeniami zewnętrznymi. Porty są dwukierunkowe i mikroprocesor uzyskuje do nich dostęp poprzez odpowiednie rejestry SFR.

Timery umożliwiają odmierzanie czasu oraz generowanie różnych przebiegów czasowych, np. PWM.

Przetwornik A/C pozwala dokonywać pomiarów napięć analogowych.

Komparator analogowy umożliwia porównywanie ze sobą napięć doprowadzonych do dwóch końcówek mikrokontrolera. 

Moduły komunikacyjne UART, USART, SPI i I²C umożliwiają komunikację pomiędzy mikrokontrolerem PIC a zewnętrznymi modułami we/wy (np. zegarem RTC, pamięciami EEPROM, wyświetlaczami LCD/LED, klawiaturami, itp.).

Licznik zegarowy (ang. Watchdog Timer, WDT) służy głównie do zabezpieczania stabilnej pracy mikrokontrolera. Licznik zegarowy resetuje mikrokontroler po zliczeniu do maksymalnej wartości. Aby zapobiec resetowi, mikrokontroler zeruje ten licznik w wybranych punktach programu. Jeśli z jakiś powodów program się zablokuje i nie dokona na czas zerowania licznika zegarowego, to ten zresetuje mikrokontroler po zliczeniu do swojego maksimum. Dzięki temu mikrokontroler podejmie na nowo pracę. Oczywiście program musi być napisany z uwzględnieniem tej opcji, ale to już jest zmartwienie programisty.

Przerwania pozwalają mikrokontrolerowi reagować na różne zdarzenia bez ciągłego sprawdzania, czy dane zdarzenie wystąpiło. Jeśli takie zdarzenie się pojawi, mikroprocesor przerywa wykonywanie programu głównego i przechodzi do procedury obsługującej zdarzenia. Procedura ta rozpoznaje rodzaj zdarzenia i podejmuje odpowiednie działania, po czym następuje powrót do wykonywania programu głównego.

Oscylatory służą do generowania przebiegu zegarowego, który taktuje pracę mikrokontrolera. Oscylator zewnętrzny wymaga dołączenia zewnętrznych składników (np. kwarcu, kondensatorów, oporników). Oscylator wewnętrzny pracuje bez dodatkowych elementów, jednakże jego częstotliwość nie jest wysoko stabilna i dokładna.

Rodzina podstawowa
(ang. base-line PIC family)

PIC10F2xx
PIC12F5xx
PIC16F5x
PIC16F5xx

Rodzina średnia
(ang. mid-range PIC family)

PIC10F3xx
PIC12F6xx
PIC12F7xx
PIC16F6xx
PIC16F7xx
PIC16F8xx
PIC16F9xx

Rozszerzona rodzina średnia
(ang. enhanced mid-range PIC family)

PIC12F1xxx
PIC16F1xxx

Rodzina wysokiej klasy
(ang. high end PIC family)

PIC18Fxxx