PIC-Prozessoren - Grundlagen


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Computerarchitektur
Blockschaltbild eines PIC
Welche Anschlüsse hat ein PIC
Was sind Ports eines PIC?
Programmspeicherorganisation
Datenspeicherorganisation (RAM)
Daten-EEPROM
 

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Computerarchitektur

Wer sich noch nie mit den Interna eines Computers oder einer CPU beschäftigt hat, kann gleich zum nächsten Punkt übergehen. Wer aber schon mal mit CPUs, Assembler und Ähnlichem gekämpft hat, der hatte es in der Regel mit einer "von Neumann Architektur" zu tun.
von Neumann Architektur In einem "von Neumann Computer" liegen Programmcode und Daten in einem gemeinsamen Speicher. Ein typisches Beispiel ist ein normaler Personalcomputer:
Programme werden von der Festplatte in den RAM (Speicher) geladen, und dort ausgeführt. Im selben Speicher werden auch alle Daten abgelegt. Selbst BIOS-Chips (z.B. von Mainboard, Grafikkarte oder Netzwerkkarte) werden in den einzigen Speicherbereich eingeblendet. 

In der heutigen Virenverseuchten Computerumwelt offenbart dieses Design Schwächen. Da Programm und Daten nicht sauber getrennt sind, kann der Code eines Virus oder eines Trojaners als Daten in den PC gelangen, und dann unter Ausnutzung von Softwarebugs (stack overflow) als Programmcode ausgeführt werden. 
Aktuelle Prozessoren (seit dem Athlon64) versuchen das durch das non-execute-Bit in der Speicherverwaltung zu verhindern.

Harvard Architektur Ein PIC ist nach der "Harvard Architektur" aufgebaut. Dabei sind Programmspeicher und Datenspeicher (RAM) vollständig getrennt. Das ist aus mehreren Gründen sinnvoll. 
Da in einem Microcontroller das Programm selten ausgetauscht wird (im Gegensatz zu einem PC, mit dem man jede Minute was anderes erledigt) wird als Programmspeicher ein nichtflüchtiger Speicher (z.B. FLASH) eingesetzt. Der RAM beruht aber auf ganz anderen Technologien. Da ist eine komplette Trennung logisch.

Um PICs preiswert herzustellen, sind die meisten PICs nur auf die Verarbeitung von 8-Bit-Daten ausgelegt. Folglich sind Datenbus und Datenspeicher nur 8 Bit breit. Nur 8 Bit sind aber für einen komplexen Programmbefehl nicht ausreichend. Wollte man das Programm in einem 8-Bit-organisierten Speicher ablegen, so müsste man Befehle immer auf jeweils 2 Speicherzellen verteilen, die dann beide einzulesen sind. Das verlangsamt aber die Abarbeitung des Programms. 
Sind dagegen Daten und Programmspeicher getrennt, so kann der Datenspeicher 8-Bit breit sein, während der Programmspeicher deutlich breiter (12-, 14- oder 16-Bit) ausgelegt wird.

(Es gibt inzwischen auch PICs mit 16 Bit breiten Daten-, die aber einen 24 Bit breiten Programmspeicher haben.)

Natürlich gibt es nun die gleichen Adressen sowohl im Programmspeicher, wie auch im Datenspeicher (und sogar noch mal im EEPROM). Das mag anfänglich verwirren, aber die Adresse 20h im Programmspeicher hat mit der Adresse 20h  im Datenspeicher natürlich gar nichts zu tun.
 

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Blockschaltbild eines PIC
 
Blockschaltbild eines 8-Bit-Daten-Microcontrollers (stark vereinfacht) Während ein richtiger Computer aus vielen Baugruppen zusammengebaut werden muss, vereinigt ein Microcontroller viele dieser Baugruppen in einem Chip. 

Das Zentrum bildet ein relativ einfacher Prozessorkern, der den Controller steuert, und einfache Berechnungen (Addition, Subtraktion...) und Vergleiche (größer, kleiner ...) durchführen kann.

Das Programm, das der Kern abarbeitet, liegt im Flash-Programmspeicher.

Daten kann der Kern im RAM speichern. Der Inhalt des RAM geht aber beim Abschalten der Betriebsspannung verloren.

Auch im EEPROM können Daten abgelegt werden, was aber vergleichsweise kompliziert und zeitraubend ist. Dafür bleiben dort die Daten auch nach dem Abschalten der Betriebsspannung erhalten. Nicht alle PICs haben einen EEPROM.

Eine Taktversorgung liefert den Arbeitstakt für den Kern. Oft wird ein externes Bauelement (Resonator, Quarz) für die Takterzeugung benötigt.

Input/Output-Ports dienen dazu, einzelne Pins des Controllers auf High (5V) oder Low (0V) zu setzen und damit extern angeschlossene Schaltungen zu steuern oder den von außen angelegten, digitalen Pegel an einem Pin abzufragen.

Spezielle Peripherie sind z.B. serielle oder parallele Komunikationsports (RS232, I2C, USB , CAN), Messschaltungen für Pulse (Capture), Pulserzeugungsschaltungen (Compare , PWM), AD-Wandler, Referenzspannungsquellen, analoge Komparatoren, Timerschaltungen ...

Da die Zahl der Pins oft nicht für alle Funktionen ausreicht, größere Gehäuse aber die Preise explodieren ließen, muss man einzelnen Pins mehrere Funktionen zuweisen, und über einen Multiplexer die Funktion des Pins je nach Bedarf umschalten.
Die Zahl der Pins reicht normalerweise genau für alle Input/Output-Ports aus. Benötigt spezielle Peripherie einige Pins, so müssen diese den I/O-Ports weggenommen werden. 

Blockdiagramm 16-Bit-Daten-PIC

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Welche Anschlüsse hat ein PIC?

Ein PIC hat stets folgende Anschlüsse:
 
VDD Betriebsspannungsanschluss (+ 5 V)
VSS Masseanschluss ( 0 V)
MCLR Resetanschluss (Wird dieser Pin kurz mit Masse verbunden wird der PIC in den Ausgangszustand versetzt)
OSC1/2 Anschlüsse für den Taktgenerator
Rxy die eigentlichen Ports des PIC

(Einige besonders kleine PICs verzichten auf MCLR, OSC1 und OSC2.)
 
Anschlußbelegung des PIC16F84 Die Anzahl der Port-Pins (Rxy) ist je nach PIC-Typ verschieden. Der 16F84 besitzt z.B. 13 Portpins, der 16F876 dagegen 21. Ein PIC18F8722 bringt es auf 70 Port-Pins, ein PIC10F200 hat geradeeinmal 4.
  

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Was sind Ports eines PIC?

Bezeichnung
Sämtliche Ein- und Ausgaben eines PIC erfolgen über seine parallelen Ports. In der Grundidee handelt es sich bei jedem Port um jeweils max. 8 Anschlüsse (Pins) des PIC, die als "TTL"-Eingänge oder Ausgänge funktionieren.
Für den PIC benimmt sich ein Port wie ein internes Register, von dem er lesen, und in das er schreiben kann. Die Ports sind mit Buchstaben bezeichnet. Der 16F84 besitzt die Ports A und B, der 16F876 zusätzlich noch das Port C. Einige größere PICs haben auch noch ein Port D und Port E. Die zugehörigen internen Register heißen PORTA, PORTB bzw. PORTC usw..
Bei ganz kleinen PICs, die nur ein Port haben, bezeichnet man das als GPIO und nicht als Port A.

Jedem Bit (0 .. 7) des Registers ist jeweils genau ein Port-Pin zugeordnet. Bei der Bezeichnung des Pins wird "Port" mit dem Buchstaben "R" ersetzt. Dadurch ergeben sich die Pin-Bezeichnungen: so ist RB3 z.B. das Pin, das mit dem Bit 3 des Registers PORTB verbunden ist.

Eine Besonderheit des Ports A ist, dass ihm in vielen PICs die höchstwertigen 3 Pins fehlen. Es gibt also oft nur RA0 bis RA4. Die Bits 5 bis 7 des Registers PORTA sind funktionslos. (Einige modernere PICs haben ein PortA mit bis zu 7 Pins.)

In/Out
Natürlich kann so ein Pin nicht gleichzeitig Ein- und Ausgang sein. Man muss zwischen den beiden Funktionen umschalten. In der Grundeinstellung sind die Ports Eingänge. Will man sie zu Ausgängen machen, so muss man im Programm das interne Register TRISA (für PORTA), TRISB (PORTB) bzw. TRISC (PORTC) u.s.w. verändern. Jedes Bit der TRIS-Register ist einem Port-Pin zugeordnet. Ist das Bit auf "1" gesetzt, dann funktioniert das zugehörige Pin als Eingang. Wird das Bit auf "0" gesetzt, dann ist das zugehörige Pin bis auf Weiteres ein Ausgang, und hat den Pegel, den das zugehörige Bit im Port-Register (z.B. PORTA) hat.
Beim Reset und beim Einschalten des PIC werden alle Bits der die TRIS-Register auf "1" gesetzt. Damit ergibt sich "Eingang" als Grundfunktion der Pins.
Eine genauere Erläuterung befindet sich hier.

Spezial
Einige Port-Pins besitzen zusätzliche Funktionen (z.B. spezielle Input/Output-Hardware). So kann RA4 als Zählereingang für den Timer0 des PIC benutzt werden, Pins des Port C können als serielle Schnittstellen dienen (z.B. 16F87x) und die Pins des Port A können als analoge Spannungsmesseingänge dienen (z.B. 16F87x). Einzelne Bits spezieller interne Register schalten die Pins auf die Spezialfunktion um, womit sie dann nicht mehr Bestandteil des normalen Ports sind.

Die Pins des Port A von PICs mit ADC (z.B. des 16F876) sind nach dem Einschalten des PIC oder nach Reset als analoger Eingang konfiguriert! Will man diese Pins als digitale Bits des Port A nutzen, muss man ihre Funktion zuerst umschalten.

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Programmspeicherorganisation (bei 14-Bit-Kern-PICs)

Alle PICs der PIC16F.../PIC12F...-Serien haben einen internen Flash-Speicher, in dem das Programm abgelegt wird. Zum Einschreiben dieses Programmes benötigt man ein Programmiergerät. Der Inhalt des Programmspeichers bleibt nach dem Ausschalten des PIC selbstverständlich erhalten, und kann jederzeit mit dem Programmiergerät gelöscht, oder verändert oder gänzlich neu beschrieben werden (mindestens 1000 mal).

Der Programmspeicher eines PIC ist ein Speicherblock, der an der Adresse 0000h beginnt. Die Programmspeichergröße ist typabhängig. Da der ProgramCounter (PC) aber nur 13-Bit lang ist, ist die größte adressierbare Programmspeicherzelle die Zelle 8191 (1FFFh). Kein PIC der Serien PIC12F.../PIC16F... kann also mehr als 8191 (8k) Befehle speichern. Was dem Windows-Nutzer wenig erscheint, ist aber schon eine ganze Menge. Selbst umfangreiche Projekte füllen bei mir meist nur einen kleinen Bruchteil des vorhandenen Flash-Speichers. Wer wirklich mehr Programmspeicher braucht, kann auf die PICs der Serie PIC18F... ausweichen.
 

Typ Programmspeichergröße [Worte] 1. Adresse letzte Adresse
PIC12F629/675 1k 0000h 03FFh
PIC16F84 1k 0000h 03FFh
PIC16F873 4k 0000h 0FFFh
PIC16F876 8k 0000h 1FFFh
Jede Zelle des Programmspeichers ist 14 Bit groß (daher meine Bezeichnung 14-Bit-Kern-PIC) und kann einen Befehl speichern.

Zwei Zellen des Programmspeichers haben eine feste Funktion:

Adresse Name Funktion
0000h Startvektor an dieser Stelle beginnt der PIC die Programmabarbeitung nach dem Einschalten oder dem Reset
0004h Interruptvektor hierhin springt der PIC bei der Auslösung eines Interrupt

Zur Verwaltung des Programmspeicher dienen der Programcounter (PC), der die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls enthält, und ein Stack (8 Worte groß) in dem bei Unterprogrammaufrufen der PC des rufenden Programmteils gespeichert wird.

Aufteilung des Programmspeichers in Bänke (Pages) zu je 2k (2048 Befehle)  ( siehe auch hier ! )
Da die Sprungbefehle CALL und GOTO (wie alle Befehle) nur 14-Bit lang sind, können sie keine kompletten 13-Bit langen Adressen enthalten. Stattdessen enthalten sie nur die unteren 11 Bit des Sprungziels. Die oberen beiden Bits werden beim Sprung aus den Bits 3&4 des Registers PCLATH entnommen. Daraus ergibt sich automatisch eine Aufteilung des Programmspeichers in 4 Bänke zu je 2k-Adressen. Innerhalb einer Bank kann man problemlos mit den Sprungbefehlen arbeiten. Will man aber in eine andere Bank springen (also mehr als 2k-Programmspeicher nutzen), dann muss man dafür  die Bits des Registers PCLATH setzen oder löschen und danach einen Befehl ausführen, der den PC verändert (z.B. CALLGOTO oder ADDWF PCL). Dabei werden die beiden obersten Bits aus PCLATH benutzt, und man springt in die andere Programmspeicher-Bank.
Das Ganze ist natürlich nur dann von Bedeutung, wenn der verwendete PIC mehr als 2k-Worte Flash-Speicher hat.

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Datenspeicherorganisation (RAM)  (bei 14-Bit-PICs)

Der Datenspeicher ist der RAM des PIC, in dem das Programm zur Laufzeit Werte speichern kann. Mit dem Ausschalten der Betriebsspannung geht der Inhalt des Datenspeichers verloren. Sollen Werte beim Ausschalten des PIC erhalten bleiben, müssen sie im Daten-EEPROM des PIC gespeichert werden. Die Mehrzahl der PICs hat so einen EEPROM.

Der Datenspeicher des PIC ist vergleichsweise kompliziert aufgebaut. Er besteht aus bis zu 4 Bänken, und teilt sich den Adressbereich mit den Steuerregistern des PIC. Daten- und Programmspeicher sind völlig unabhängig, so dass in beiden Speichern die gleichen Adressen benutzt werden können.

Der Datenspeicher wird mit 7-Bit langen Adressen verwaltet. Damit sind 128 Speicherzellen adressierbar (00h .. 7Fh). Diese 128 Adressen bilden eine Bank. Durch das Setzen zweier spezieller Steuerbits im STATUS-Register (RP0, RP1) kann man zwischen den Bänken 0, 1, 2 und 3 umschalten. (Dieses Steuerregister ist sinnvollerweise in allen Bänken an der selben Stelle (Adresse) zu finden.) Damit stehen insgesamt 512 Adressen zur Verfügung. Jede Speicherzelle ist 1 Byte groß. ( Details siehe hier ! )

Allerdings sind bei weitem nicht alle Adressen auch mit Speicherzellen verknüpft.

So erklärt sich, dass einige PICs nur 64 Byte RAM haben, während andere mit 368 Byte auftrumpfen können. Diese echten RAM-Speicherzellen werden als General-Purpose-Register (GPR) bezeichnet.

Die folgende Tabelle zeigt exemplarisch die vorhandenen RAM-Zellen einiger PIC-Typen:
 
Typ Gesamtgröße immer zugänglich nur in Bank 0 nur in Bank 1 nur in Bank 2 nur in Bank 3
PIC12F629/675 64 Byte 64 Byte
(20h - 5Fh)
- - nicht vorhanden nicht vorhanden
PIC16F84 68 Byte 68 Byte
(0Ch - 4Fh,
8Ch - CFh)
- - nicht vorhanden nicht vorhanden
PIC16F873 192 Byte - 96 Byte
(20h - 7Fh)
96 Byte
(A0h - FFh,
20h - 7Fh)
greift auf Bank 0 zu greift auf Bank 1 zu
PIC16F876 368 Byte 16 Byte
(70h - 7Fh,
F0h - FFh,
170h - 17Fh,
1F0 - 1FFh)
80 Byte
(20h - 6Fh)
80 Byte
(A0h - EFh,
20h - 6Fh)
16 Byte
(110h - 11Fh)
und
80 Byte
(120h - 16Fh,
20h - 6Fh)
16 Byte
(190h - 19Fh)
und
80 Byte
(1A0h - 1EFh,
20h - 6Fh)

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Daten-EEPROM

Mit dem Ausschalten des PIC gehen sämtliche im Datenspeicher abgelegte Werte verloren. Oft ist es aber wünschenswert, einige Informationen oder Werte bis zum nächsten Einschalten zu speichern. Zum Beispiel Kalibrierdaten.

Für diesen Zweck besitzt der PIC einige EEPROM-Speicherzellen, die ihre Daten auch beim Abschalten der Stromversorgung halten. Jede Speicherzelle ist 1 Byte groß. Das Schreiben und Lesen dieser Speicherzellen erfolgt indirekt und benötigt deshalb mehrere Befehle. Auch ist das Schreiben langsam (ca. 4 ms pro Byte).
 

Typ Anzahl der EEPROM-Zellen (Bytes)
PIC12F629/675 128
PIC16F84 64
PIC16F873 128
PIC16F876 256

Der Hersteller gibt für die PICs je nach Typ eine Lebensdauer von 100 000 EEPROM-Schreibzyklen (ältere Typen) bzw. 1 Million EEPROM-Schreibzyklen (neuere Typen) an.
Einige wenige Typen-Typen (z.B. PIC16F7x sowie alle PIC18FxxJ / PIC24 / dsPIC33) enthalten keinen Daten-EEPROM.

Wie man im Programm auf den EEPROM zugreift, ist hier erläutert.
Wie man EEPROM-Daten schon im Assemblerquelltext festlegt, ist hier erläutert.

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Autor: sprut
erstellt: 2000
letzte Änderung: 26.06.2007