PIC16F73-I/SP微控制器详细资料

PIC16F73-I/SP是Microchip公司推出的一款高性能、低功耗的8位CMOS闪存(FLASH)微控制器。它隶属于PIC16F系列，以其强大的功能集、灵活的 периферийные устройства 和易于使用的开发环境，在各种嵌入式应用中得到了广泛的应用，例如消费电子、工业控制、汽车电子、医疗设备以及物联网设备等。其“I/SP”后缀表示工业级温度范围（-40°C至+85°C）和通过DIP-28封装（双列直插式封装）提供。本文将深入探讨PIC16F73-I/SP的架构、核心特性、内存组织、外设模块、指令集以及开发应用等方面，旨在为工程师和爱好者提供一份详尽的参考资料。

核心架构与CPU特性

PIC16F73-I/SP的核心是Microchip的增强型中档8位CPU。这种RISC（精简指令集计算机）架构的特点是指令集小且高效，每个指令周期只需要一个时钟周期（除了分支指令，需要两个）。它采用哈佛(Harvard)架构，即程序存储器和数据存储器拥有独立的地址总线和数据总线，使得程序指令的获取和数据操作可以并行进行，极大地提高了处理器的吞吐量和效率。

该CPU具有以下主要特性：

• 8位精简指令集：包含35条精简指令，大部分为单周期执行。

• 八级硬件堆栈：用于存储子程序返回地址，支持多达八层的子程序嵌套。

• 直接、间接和相对寻址模式：提供了灵活的访问数据存储器的方式。

• 低功耗设计：在全速运行时功耗极低，并提供了多种休眠模式（如SLEEP模式），进一步降低功耗，特别适合电池供电的应用。

• 中断处理：支持多达12个中断源，具有优先级控制，能快速响应外部事件或内部状态变化。

哈佛架构：是PIC16F73-I/SP性能的关键。程序存储器（闪存）和数据存储器（SRAM）被完全分开，拥有各自的地址空间和数据总线。这意味着当CPU执行一条指令时，它可以同时从程序存储器中获取下一条指令，从而实现指令流水线。这种设计避免了冯·诺依曼架构中因程序和数据共享同一总线而引起的瓶颈，显著提高了指令的执行效率。

内存组织与管理

PIC16F73-I/SP的内存结构分为程序存储器、数据存储器和EEPROM数据存储器三大部分。

1. 程序存储器（FLASH）

程序存储器用于存放用户编写的程序代码。PIC16F73-I/SP提供了4K x 14位的闪存（FLASH）程序存储器空间。这里的“14位”是指每个指令字（instruction word）的宽度。PIC16F系列独特的14位指令格式使得其指令集比传统的8位微控制器更强大，可以更有效地编码更多操作。这4K个程序存储器单元提供了足够的空间来编写复杂的应用程序。闪存的特点是可多次擦写，非易失性，即使断电后程序代码也不会丢失，这为开发和固件升级提供了便利。

2. 数据存储器（RAM）

数据存储器用于存放程序运行时所需的变量、临时数据和堆栈等。PIC16F73-I/SP的数据存储器由通用寄存器（General Purpose Registers, GPRs）和特殊功能寄存器（Special Function Registers, SFRs）组成，总容量为192字节。

• 通用寄存器（GPRs）：这些是用户可以自由使用的寄存器，用于存储变量和临时数据。PIC16F73-I/SP的GPR被组织成多个存储区（Bank）。

• 特殊功能寄存器（SFRs）：这些寄存器用于控制微控制器的各种外设模块（如定时器、ADC、串口等）和CPU本身的状态（如STATUS寄存器）。每个SFR都有其特定的功能和地址。

由于数据存储器容量有限，PIC16F73-I/SP采用了**存储区切换（Bank Switching）**的机制。通过修改STATUS寄存器中的RP1和RP0位，可以切换到不同的存储区，从而访问全部192字节的数据存储器。这种设计在有限的地址空间内实现了更大容量的数据存储，但要求程序员在使用时注意切换存储区。

3. EEPROM数据存储器

PIC16F73-I/SP内置了128字节的EEPROM（电可擦可编程只读存储器）。EEPROM是非易失性的，即使在断电后数据也能得到保留。这使其非常适合存储需要在掉电后仍能保留的重要参数、校准值或配置数据，例如用户设置、设备ID等。对EEPROM的读写操作需要通过特定的寄存器和指令来完成，虽然速度比RAM慢，但其非易失性提供了RAM无法替代的功能。

外设模块详解

PIC16F73-I/SP集成了丰富的外设模块，使其能够轻松地与外部世界进行交互。

1. 定时器模块（Timer）

PIC16F73-I/SP拥有三个独立的定时器/计数器：

• Timer0 (TMR0)：一个8位定时器/计数器，可以通过预分频器（prescaler）进行配置。它可以作为定时器（基于内部时钟）或计数器（基于外部引脚的脉冲）。

• Timer1 (TMR1)：一个16位定时器/计数器，具有独立的时钟源选择。它可以由内部时钟驱动，也可以由外部引脚（T1CKI）或一个专用的32.768kHz晶振驱动，非常适合实时时钟（RTC）应用。

• Timer2 (TMR2)：一个8位定时器，带有8位周期寄存器（PR2）和预分频器/后分频器。它常用于产生PWM信号或作为时间基准。

2. 模数转换器（ADC）

PIC16F73-I/SP内置了一个5通道10位的模数转换器。它可以将来自模拟引脚（AN0-AN4）的模拟信号转换为10位的数字值。ADC模块具有多种配置选项，包括不同的参考电压源（VDD或外部引脚）、通道选择和转换时钟源。这使得它能够精确地测量传感器信号、电压等模拟量，广泛应用于数据采集和信号处理领域。

3. 脉宽调制（PWM）模块

该器件包含两个捕捉/比较/PWM（CCP）模块。CCP模块具有三种工作模式：

• 捕捉模式（Capture）：当指定引脚上发生上升沿或下降沿时，可以将Timer1的值锁存到CCP寄存器中，用于测量外部脉冲的宽度或周期。

• 比较模式（Compare）：当Timer1/Timer2的值与CCP寄存器中的值相等时，可以触发一个事件，如设置或清除输出引脚，或触发中断。

• PWM模式：可以产生可编程频率和占空比的脉冲信号。这两个CCP模块可以独立工作，用于驱动直流电机、舵机、LED亮度控制等应用。

4. 串行通信模块

PIC16F73-I/SP提供了两种常用的串行通信接口：

• 同步串行端口（Synchronous Serial Port, SSP）：支持SPI（串行外设接口）和I2C（集成电路总线）两种协议。SPI模式下可以作为主机或从机，方便与EEPROM、传感器、液晶屏等器件通信。I2C模式也支持主机和从机模式，用于连接支持I2C协议的设备。

• 通用同步/异步收发器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter, USART）：也称为串行通信接口（SCI）。它支持全双工的异步（UART）和同步通信。异步模式下，可以方便地与PC机、GPS模块、蓝牙模块等进行串口通信。

指令集与编程模型

PIC16F73-I/SP的指令集是其高效性能的基石。该指令集共有35条指令，均为14位宽。这些指令可以分为三类：字节操作指令、位操作指令和控制指令。

• 字节操作指令：对整个8位寄存器进行操作，例如MOVWF（将工作寄存器W的内容移动到文件寄存器F）、ADDWF（将工作寄存器W和文件寄存器F的内容相加）等。

• 位操作指令：对文件寄存器F中的某一位进行操作，例如BCF（清除位）、BSF（设置位）、BTFSC（测试位并跳过下一条指令，如果位为0）等。这些指令在处理标志位或控制单个外设引脚时非常有用。

• 控制指令：用于控制程序的流程，例如GOTO（无条件跳转）、CALL（调用子程序）、RETURN（从子程序返回）、RETLW（从子程序返回并加载W寄存器）等。

编程模型主要围绕工作寄存器W和文件寄存器F展开。大多数指令的操作都涉及到W寄存器和F寄存器。W寄存器是一个8位的通用寄存器，作为大多数算术和逻辑操作的中间数据存储器。文件寄存器F是指向所有数据存储器（GPR和SFR）的指针。这种简洁的编程模型使得指令集易于学习和使用。

引脚配置与封装

PIC16F73-I/SP采用28引脚DIP（双列直插式）封装，这是一种易于在面包板和原型板上进行测试和调试的封装形式。其引脚功能多样，可配置性强。

• 端口（PORT）：该芯片提供了多个通用I/O端口，包括PORTA、PORTB和PORTC。每个端口的引脚都可以独立配置为数字输入、数字输出或特定的外设功能引脚。

• 复位引脚（MCLR/Vpp）：用于芯片的硬件复位和烧写编程。

• 电源引脚（Vdd/Vss）：用于提供芯片的工作电源。

• 振荡器引脚（OSC1/OSC2）：用于连接外部晶振或RC振荡电路，提供芯片的时钟源。

• 外设功能引脚：许多引脚同时具有通用I/O和特定外设功能，如ADC输入、CCP引脚、串口收发引脚等。

系统时钟与振荡器

PIC16F73-I/SP提供了多种灵活的时钟源选择，以满足不同应用的需求。

• 外部晶振：可以连接高频晶振（HS）、中频晶振（XT）或低频晶振（LP），以获得稳定和精确的时钟。

• 外部RC振荡器：使用外部电阻和电容来产生时钟，成本低但精度相对较差。

• 内部RC振荡器：部分PIC单片机内部集成了RC振荡器，但PIC16F73-I/SP主要依赖外部时钟源。

• RC振荡器+时钟输出：在RC模式下，OSC2引脚可以作为时钟输出，用于同步其他器件。

• 外部时钟源：可以直接从OSC1引脚输入外部时钟信号。

通过对配置字（Configuration Word）的编程，可以永久性地选择所需的时钟模式，以适应应用对功耗和精度的不同要求。

复位与低功耗模式

PIC16F73-I/SP具有多种复位源，确保系统在异常情况下能正确启动。

• 上电复位（Power-on Reset, POR）：当芯片上电时，会自动进行复位。

• 看门狗定时器复位（Watchdog Timer, WDT）：看门狗定时器是一个独立的片上振荡器，如果程序陷入死循环或运行异常，WDT会在超时后自动复位芯片，防止系统崩溃。

• MCLR复位：通过将MCLR引脚拉低来手动复位芯片。

• 欠压复位（Brown-out Reset, BOR）：当电源电压低于设定的阈值时，BOR会复位芯片，防止因电压不足而导致程序执行错误。

除了全速运行模式外，PIC16F73-I/SP还提供了SLEEP模式，这是一种极低功耗的待机模式。进入SLEEP模式后，CPU会停止工作，仅保留部分功能，如看门狗定时器和部分中断源。可以通过外部中断、WDT超时等事件将芯片从SLEEP模式唤醒，从而实现极低的平均功耗，非常适合电池供电的应用。

编程与开发

对PIC16F73-I/SP的编程和开发通常使用Microchip提供的集成开发环境MPLAB X IDE和配套的编译器，例如XC8编译器。

• MPLAB X IDE：这是一个功能强大的集成开发环境，支持PIC系列微控制器的开发、仿真和调试。它提供了代码编辑器、项目管理、编译器集成、调试器接口等功能。

• XC8编译器：是一款针对8位PIC单片机的C语言编译器，可以将C语言代码编译成机器代码。使用C语言进行开发可以大大提高开发效率，降低开发难度。

• 编程器：如ICD3、PICKit3或PICKit4等，用于将编译好的机器代码烧写到PIC16F73-I/SP的闪存程序存储器中。

这些工具共同构成了一个完整的开发生态系统，为开发者提供了强大的支持，使得他们可以专注于应用程序的逻辑实现，而不是底层硬件的细节。

应用领域与总结

PIC16F73-I/SP凭借其强大的功能、低功耗特性和丰富的片内外设，在众多领域都有着广泛的应用。

• 消费电子：如遥控器、充电器、智能玩具、家电控制面板等。

• 工业控制：如传感器接口、电机控制、自动化设备中的小型控制器。

• 汽车电子：如仪表盘显示、车身控制模块、照明系统控制。

• 医疗设备：如小型便携式医疗仪器、监护设备。

• 物联网（IoT）：作为传感节点或边缘计算设备的核心控制器。

总而言之，PIC16F73-I/SP是一款性能稳定、功能全面且易于使用的8位微控制器。其RISC架构、哈佛结构、丰富的定时器、ADC、PWM和串行通信模块使其成为许多嵌入式系统设计的理想选择。通过深入了解其架构和特性，开发者可以充分利用其潜能，设计出高效、可靠且功能丰富的电子产品。