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PIC单片机16F84的内部硬件资源（1）
上期笔者介绍的PIC16F84点亮一只发光二极管的源程序实例是为了说明PIC单片机16F84具体应用时的基本格式。
现在我们已经知道要单片机工作，就需用汇编语言编制程序。而对某个PIC单片机编程时，还需对选用的PIC单片机内部硬件资源有所了解。这里介绍PIC16F84单片机的内部结构，如图1所示的框图。由图1看出，其基本组成可分为四个主要部分，即运算器ALU和工作寄存器W；程序存储器；数据存储器和输入/输出(I/O)口；堆栈存储器和定时器等。现分别介绍如下。
1运算器ALU及工作寄存器W
运算器ALU是一个通用算术、逻辑运算单元，用它可以对工作寄存器W和任何通用寄存器中的两个数进行算术(如加、减、乘、除等)和逻辑运算(如与、或、异或等)。16F84是八位单片机，ALU的字长是八位。在有两个操作数的指令中，典型的情况是一个操作数在工作寄存器W中，而另一个操作数是在通用寄存器中，或者是一个立即数。在只有一个操作数的情况下，该数要么是在工作寄存器W中，要么是在通用寄存器中。W寄存器是一个专用于ALU操作的寄存器，它是不可寻址的。
根据所执行的指令，ALU还可能会影响框图中状态寄存器STATUS的进位标志C、全零标志Z等。
2程序存储器
单片机内存放程序指令的存储器称为程序存储器。PIC16F84的所有指令字长为14位。所以程序存储器的各存储单元是14位宽。一个存储单元存放一条指令。16F84的程序存贮器有1024(28)个存储单元(存储容量为1k)。这些程序存储器都是由FPEROM构成的。
程序存储器是由程序计数器PC寻址的。16F84的程序计数器为13位宽，可寻址8K(8×1024)的程序存储器空间，但16F84实际上只使用了1k的空间(单元地址为0～3FFH)。当访问超过这些地址空间的存储单元时，将导致循环回到有效的存储空间。
对于用过其它单片机的用户，可能会感到16F84的片内存储器容量太少了。实际上并非如此，因为16F84的指令系统都是由单字指令构成的，相应于其它由二字节、三字节甚至四字节指令的单片机而言，PIC单片机的程序存储器有效容量要比标称值扩大25倍到3倍。
3 数据存储器
在单片机PIC16F84中，除了有存放程序的程序存储器外，还有数据存储器。单片机在执行程序过程中，往往需要随时向单片机输入一些数据，而且有些数据还可能随时改变。在这种情况下就需用数据存储器。由于数据存储器不但要能随时读取存放在其各个单元内的数据，而且还需随时写进新的数据，或改写原来的数据。因此，数据存储器需由随机存储器RAM构成。RAM存储器在断电时，所存数据随即丢失，这在实际应用中有时会带来不便。但是，在16F84中有64×8位E2PROM数据存储器。存放在E2PROM中的数据在断电时不会丢失。
16F84中的RAM数据存储器如表1所示，该RAM分为两个存储体：即存储体0(Bank0)和存储体1(Bank1)。每个存储体均可以直接用内部总线传送信息，所以它们都是以寄存器方式工作和寻址。这些八位寄存器，又可分为通用寄存器和专用寄存器两个部分。通用寄存器存放数据，专用寄存器存放控制单片机运作的信息。每个存储体最大可扩展到7FH(128个字节)。在每个存储体中，专用寄存器被安排在低位地址空间，通用寄存器被安排在高位地址空间。
通用寄存器用法单一，但专用寄存器却各有各的用处，现将较基本的专用寄存器作一简单介绍。
(1)程序计数器(PCL、PCLATH)。程序计数器PC是对程序进行管理的计数器。PIC16F84的程序计数器为13位宽，最大可寻址的存储空间为8k×14位。实际上16F84只使用前1k×14位(0000～03FFH)存储空间。因程序计数器有13位宽，而专用寄存器只有8位。因此PC由两个专用寄存器构成。其低八位PCL是一个可读/写寄存器(地址为02H或82H)，而高字节PCH(有效位5位)不能直接进行读/写操作，它是通过一个8位的保持寄存器PCLATH(地址为0A或8AH)把高5位地址传送给程序计数器的高字节。当执行CALL、GOTO指写PCL时，PC值的高字节就从PCLATH寄存器中装入。
(2)状态寄存器STATUS。状态寄存器STATUS含有算术逻辑单元ALU运算结果的状态(如有无进位等)、复位状态及数据存储体选择位。有关位位的设定如表2所示，功能如下：
1)第0位。进位/借位位C。执行加、减运算指令
表2
IRP RP1 RP0 TO PD Z DC C
后，若结果有进位或借位，则C被置1，否则置0。在执行移位指令时，也要用到这一位。
2)第1位。辅助进位/借位位DC。执行加、减运算指令后，若结果的低四位向高四位有进位或借位，则DC置1，否则置0。
3)第2位。零标志位运算结果为零，Z被置1；运算结果不为零，Z被清零。
4)第3位。低功耗标志位PD。上电复位或执行CLRWDT指令后置1，执行SLEEP指令后被清零。
5)第4位。定时时间到标志位TO。上电复位或执行CLRWDT、SLEEP指令后被置1，监视定时器的定时时间到被清零。
6)第5位和第6位(RP0、RP1)。这两位是用于直接寻址时的寄存器体选择位。即00——选中Bank0(00H～7FH)；01——选中Bank1(80H～FFH)，16F84只有两个存储体。故10、11不用。
7)第7位IRP。这是间接寻址的寄存体选择位。0——选中Bank0、1(00H～FFH)，1——选中Bank2、3。16F84只有Bank0、1，所以此IRP位应被置为0。
(3)间接寻址INDF和FSR寄存器
INDF寄存器不是一个物理寄存器，而是一个逻辑功能的寄存器(地址为00H或80H)，当对INDF寄存器进行寻址时，实际上是访问FSR寄存器内容所指的单元，即把FSR寄存器作为间接寄存器使用。FSR称为“寄存器选择”寄存器，地址为(04H或84H)。对INDF寄存器本身进行间接寻址访问，将读出FSR寄存器的内容，例如当FSR=00H时，间接寻址读出INDF的数据将为00H。用间接寻址方式写入INDF寄存器时，虽然写入操作可能会影响STATUS中的状态字，但写入的数据是无效的。
4 I/O口
单片机作为一个控制器件必定有数据输入和输出。输入量可能是温度、压力、转速等，而输出量可能是开关量和数据，以保证受控过程在规定的范围内运行。数据的输入和输出都需通过单片机内部有关电路，再与引脚构成输入/输出(I/O)端口。PIC16F84芯片有两个I/O端口(PROTA和PORTB)。端口A为5位口，端口B为8位口，共占用13位引脚。每个端口由一个锁存器(即数据存储器中的特殊功能寄存器05H、06H单元)、一个输出驱动器和输入缓冲器等组成。当把I/O口作输出时，数据可以锁存；作输入口时，数据可以缓冲。
16F84 PORTA口中的RA4是斯密特触发输入、漏极开路输出。而其它的RA口引脚都是TTL电平输入和全CMOS驱动输出。端口PORTB是一个八位双向可编程I/O口。各端口虽然也由锁存器、驱动器、缓冲器等构成，但因功能略有不同而导致电路亦存在差别。现以PORTA口的RA0 ～RA3的电路(见左图)为例，说明其基本工作原理。
图中RA口的I/O引脚是由数据方向位(寄存器TRISA)来定义数据流向。当TRISA寄存器的位置为“1”时，其输出驱动器(由P沟道和N沟道MOS管串接而成)呈高阻态，即两个MOS管均截止，I/O口被定义为输入。此时，数据由I/O端输入，经TTL输入缓冲器到D触发器。当执行读指令时，此D触发器使能，数据经三态门进入数据总线。
当TRISA的位置为“0”时，I/O口被定义为输出，此时输出锁存器的输出电平就是I/O口的输出电平。
读PORTA寄存器的结果就是读取I/O引脚上的电平，而写PORTA寄存器的结果是写入I/O锁存器。所有的写I/O口的操作都是一个“读入/修改/写入”的过程，即先读I/O引脚电平，然后由程序修改(按要求给定一个值)，再置入I/O锁存器。
PIC16F84的输出可提供20mA的电流，所以它可直接驱动LED。PORTA和PORTB各个位均可分别定义为输入和输出。下面以PORTA口初始化程序的实例，说明选择I/O口的方法。
CLRF PORTA；端口A被清零
BSF STATUS；状态寄存器STATUS的RPO位置为1，选BANK1。
MOVLW 0xCF ；将定向值
；11001111置入W工作寄存器
MOVWF TRISA；置RA(3～0)位为输入
；RA 54位为输出
；TRISA 76位未用
在使用I/O口时应注意：
(1)当需要一个I/O口一会做输入、一会又做输出时，输出值会不确定。
(2)I/O引脚输出驱动电路为CMOS互补推挽输出。当其为输出状态时，不能与其它输出脚接成“线或”或“线与”，否则，会因电流过载烧坏单片机。
(3)当对I/O口进行写操作后不宜直接进行读操作，一般要求在两条连续的写、读指令间至少加入一条NOP指令。
例：MOVWF 6 ；写I/O
NOP ；稳定I/O电平
MOVF 6，W；读I/O
5堆栈
单片机执行程序时，常常要执行调用子程序。这样就产生了一个问题：如何记忆是从何处调用的子程序，以便执行子程序之后正确返回。此外，在程序执行过程中，还可能会发生中断，转而执行中断子程序，这时，又如何记忆从何处中断，以便返回呢?
满足上述功能的方法就是“堆栈”技术。
“堆栈”是一个用来保存临时数据的栈区。当主程序调用子程序时，单片机执行到CALL指令或发生中断时，就自动将下一条指令的地址“压栈”保存到栈区。当子程序结束，单片机执行返回指令时，就自动地把栈区的内容“弹出”，作为下步指令执行的新地址。
PIC16F84芯片内有一个8级13位宽(与PC同宽)的硬件堆栈，此堆栈既不占用程序存储空间，也不占用数据存储空间。当执行一条CALL指令或一个中断被响应后，程序计数器PC中的断点地址就自动被压栈(PUSH)保护，而当执行RETURN、RETLW或者RETFIE指令时，堆栈中的断点地址会弹回(POP)程序计数器PC中。无论是PUSH还是POP操作，都不影响PCLATH寄存器的内容。 成都 卫东
知识竞赛试题：
19简述PIC单片机I/O口的功能。
20PIC16C64A/RL64与PIC16C65的管脚数相等，管脚功能相近，但PIC16C64A/RL64的{16}脚无CCP2、{25}脚无TX/CK、{26}脚无RX/DT等功能，试绘出PIC16C64A/RL64的管脚功能图。
现在我们已经知道要单片机工作，就需用汇编语言编制程序。而对某个PIC单片机编程时，还需对选用的PIC单片机内部硬件资源有所了解。这里介绍PIC16F84单片机的内部结构，如图1所示的框图。由图1看出，其基本组成可分为四个主要部分，即运算器ALU和工作寄存器W；程序存储器；数据存储器和输入/输出(I/O)口；堆栈存储器和定时器等。现分别介绍如下。
1运算器ALU及工作寄存器W
运算器ALU是一个通用算术、逻辑运算单元，用它可以对工作寄存器W和任何通用寄存器中的两个数进行算术(如加、减、乘、除等)和逻辑运算(如与、或、异或等)。16F84是八位单片机，ALU的字长是八位。在有两个操作数的指令中，典型的情况是一个操作数在工作寄存器W中，而另一个操作数是在通用寄存器中，或者是一个立即数。在只有一个操作数的情况下，该数要么是在工作寄存器W中，要么是在通用寄存器中。W寄存器是一个专用于ALU操作的寄存器，它是不可寻址的。
根据所执行的指令，ALU还可能会影响框图中状态寄存器STATUS的进位标志C、全零标志Z等。
2程序存储器
单片机内存放程序指令的存储器称为程序存储器。PIC16F84的所有指令字长为14位。所以程序存储器的各存储单元是14位宽。一个存储单元存放一条指令。16F84的程序存贮器有1024(28)个存储单元(存储容量为1k)。这些程序存储器都是由FPEROM构成的。
程序存储器是由程序计数器PC寻址的。16F84的程序计数器为13位宽，可寻址8K(8×1024)的程序存储器空间，但16F84实际上只使用了1k的空间(单元地址为0～3FFH)。当访问超过这些地址空间的存储单元时，将导致循环回到有效的存储空间。
对于用过其它单片机的用户，可能会感到16F84的片内存储器容量太少了。实际上并非如此，因为16F84的指令系统都是由单字指令构成的，相应于其它由二字节、三字节甚至四字节指令的单片机而言，PIC单片机的程序存储器有效容量要比标称值扩大25倍到3倍。
在单片机PIC16F84中，除了有存放程序的程序存储器外，还有数据存储器。单片机在执行程序过程中，往往需要随时向单片机输入一些数据，而且有些数据还可能随时改变。在这种情况下就需用数据存储器。由于数据存储器不但要能随时读取存放在其各个单元内的数据，而且还需随时写进新的数据，或改写原来的数据。因此，数据存储器需由随机存储器RAM构成。RAM存储器在断电时，所存数据随即丢失，这在实际应用中有时会带来不便。但是，在16F84中有64×8位E2PROM数据存储器。存放在E2PROM中的数据在断电时不会丢失。
16F84中的RAM数据存储器如表1所示，该RAM分为两个存储体：即存储体0(Bank0)和存储体1(Bank1)。每个存储体均可以直接用内部总线传送信息，所以它们都是以寄存器方式工作和寻址。这些八位寄存器，又可分为通用寄存器和专用寄存器两个部分。通用寄存器存放数据，专用寄存器存放控制单片机运作的信息。每个存储体最大可扩展到7FH(128个字节)。在每个存储体中，专用寄存器被安排在低位地址空间，通用寄存器被安排在高位地址空间。
通用寄存器用法单一，但专用寄存器却各有各的用处，现将较基本的专用寄存器作一简单介绍。
(1)程序计数器(PCL、PCLATH)。程序计数器PC是对程序进行管理的计数器。PIC16F84的程序计数器为13位宽，最大可寻址的存储空间为8k×14位。实际上16F84只使用前1k×14位(0000～03FFH)存储空间。因程序计数器有13位宽，而专用寄存器只有8位。因此PC由两个专用寄存器构成。其低八位PCL是一个可读/写寄存器(地址为02H或82H)，而高字节PCH(有效位5位)不能直接进行读/写操作，它是通过一个8位的保持寄存器PCLATH(地址为0A或8AH)把高5位地址传送给程序计数器的高字节。当执行CALL、GOTO指写PCL时，PC值的高字节就从PCLATH寄存器中装入。
(2)状态寄存器STATUS。状态寄存器STATUS含有算术逻辑单元ALU运算结果的状态(如有无进位等)、复位状态及数据存储体选择位。有关位位的设定如表2所示，功能如下：
1)第0位。进位/借位位C。执行加、减运算指令
表2
IRP RP1 RP0 TO PD Z DC C
后，若结果有进位或借位，则C被置1，否则置0。在执行移位指令时，也要用到这一位。
2)第1位。辅助进位/借位位DC。执行加、减运算指令后，若结果的低四位向高四位有进位或借位，则DC置1，否则置0。
3)第2位。零标志位运算结果为零，Z被置1；运算结果不为零，Z被清零。
4)第3位。低功耗标志位PD。上电复位或执行CLRWDT指令后置1，执行SLEEP指令后被清零。
5)第4位。定时时间到标志位TO。上电复位或执行CLRWDT、SLEEP指令后被置1，监视定时器的定时时间到被清零。
6)第5位和第6位(RP0、RP1)。这两位是用于直接寻址时的寄存器体选择位。即00——选中Bank0(00H～7FH)；01——选中Bank1(80H～FFH)，16F84只有两个存储体。故10、11不用。
7)第7位IRP。这是间接寻址的寄存体选择位。0——选中Bank0、1(00H～FFH)，1——选中Bank2、3。16F84只有Bank0、1，所以此IRP位应被置为0。
(3)间接寻址INDF和FSR寄存器
INDF寄存器不是一个物理寄存器，而是一个逻辑功能的寄存器(地址为00H或80H)，当对INDF寄存器进行寻址时，实际上是访问FSR寄存器内容所指的单元，即把FSR寄存器作为间接寄存器使用。FSR称为“寄存器选择”寄存器，地址为(04H或84H)。对INDF寄存器本身进行间接寻址访问，将读出FSR寄存器的内容，例如当FSR=00H时，间接寻址读出INDF的数据将为00H。用间接寻址方式写入INDF寄存器时，虽然写入操作可能会影响STATUS中的状态字，但写入的数据是无效的。
4 I/O口
单片机作为一个控制器件必定有数据输入和输出。输入量可能是温度、压力、转速等，而输出量可能是开关量和数据，以保证受控过程在规定的范围内运行。数据的输入和输出都需通过单片机内部有关电路，再与引脚构成输入/输出(I/O)端口。PIC16F84芯片有两个I/O端口(PROTA和PORTB)。端口A为5位口，端口B为8位口，共占用13位引脚。每个端口由一个锁存器(即数据存储器中的特殊功能寄存器05H、06H单元)、一个输出驱动器和输入缓冲器等组成。当把I/O口作输出时，数据可以锁存；作输入口时，数据可以缓冲。
16F84 PORTA口中的RA4是斯密特触发输入、漏极开路输出。而其它的RA口引脚都是TTL电平输入和全CMOS驱动输出。端口PORTB是一个八位双向可编程I/O口。各端口虽然也由锁存器、驱动器、缓冲器等构成，但因功能略有不同而导致电路亦存在差别。现以PORTA口的RA0 ～RA3的电路(见左图)为例，说明其基本工作原理。
图中RA口的I/O引脚是由数据方向位(寄存器TRISA)来定义数据流向。当TRISA寄存器的位置为“1”时，其输出驱动器(由P沟道和N沟道MOS管串接而成)呈高阻态，即两个MOS管均截止，I/O口被定义为输入。此时，数据由I/O端输入，经TTL输入缓冲器到D触发器。当执行读指令时，此D触发器使能，数据经三态门进入数据总线。
当TRISA的位置为“0”时，I/O口被定义为输出，此时输出锁存器的输出电平就是I/O口的输出电平。
读PORTA寄存器的结果就是读取I/O引脚上的电平，而写PORTA寄存器的结果是写入I/O锁存器。所有的写I/O口的操作都是一个“读入/修改/写入”的过程，即先读I/O引脚电平，然后由程序修改(按要求给定一个值)，再置入I/O锁存器。
PIC16F84的输出可提供20mA的电流，所以它可直接驱动LED。PORTA和PORTB各个位均可分别定义为输入和输出。下面以PORTA口初始化程序的实例，说明选择I/O口的方法。
CLRF PORTA；端口A被清零
BSF STATUS；状态寄存器STATUS的RPO位置为1，选BANK1。
MOVLW 0xCF ；将定向值
；11001111置入W工作寄存器
MOVWF TRISA；置RA(3～0)位为输入
；RA 54位为输出
；TRISA 76位未用
在使用I/O口时应注意：
(1)当需要一个I/O口一会做输入、一会又做输出时，输出值会不确定。
(2)I/O引脚输出驱动电路为CMOS互补推挽输出。当其为输出状态时，不能与其它输出脚接成“线或”或“线与”，否则，会因电流过载烧坏单片机。
(3)当对I/O口进行写操作后不宜直接进行读操作，一般要求在两条连续的写、读指令间至少加入一条NOP指令。
例：MOVWF 6 ；写I/O
NOP ；稳定I/O电平
MOVF 6，W；读I/O
5堆栈
单片机执行程序时，常常要执行调用子程序。这样就产生了一个问题：如何记忆是从何处调用的子程序，以便执行子程序之后正确返回。此外，在程序执行过程中，还可能会发生中断，转而执行中断子程序，这时，又如何记忆从何处中断，以便返回呢?
满足上述功能的方法就是“堆栈”技术。
“堆栈”是一个用来保存临时数据的栈区。当主程序调用子程序时，单片机执行到CALL指令或发生中断时，就自动将下一条指令的地址“压栈”保存到栈区。当子程序结束，单片机执行返回指令时，就自动地把栈区的内容“弹出”，作为下步指令执行的新地址。
PIC16F84芯片内有一个8级13位宽(与PC同宽)的硬件堆栈，此堆栈既不占用程序存储空间，也不占用数据存储空间。当执行一条CALL指令或一个中断被响应后，程序计数器PC中的断点地址就自动被压栈(PUSH)保护，而当执行RETURN、RETLW或者RETFIE指令时，堆栈中的断点地址会弹回(POP)程序计数器PC中。无论是PUSH还是POP操作，都不影响PCLATH寄存器的内容。 成都 卫东
知识竞赛试题：
19简述PIC单片机I/O口的功能。
20PIC16C64A/RL64与PIC16C65的管脚数相等，管脚功能相近，但PIC16C64A/RL64的{16}脚无CCP2、{25}脚无TX/CK、{26}脚无RX/DT等功能，试绘出PIC16C64A/RL64的管脚功能图。