pic單片機教程之13位程序計數(shù)器存儲器的組成

[導讀]本節(jié)主要講解PICMicro中檔系列單片機13位程序計數(shù)器的程序存儲器構(gòu)成。包括存儲器尋址方式、存儲器分頁、程序存儲器頁之間的跳轉(zhuǎn)實現(xiàn)及相關跳轉(zhuǎn)指令、技術原理。

關鍵詞：程序存儲器PIC單片機

單片機的兩種存儲器模塊：程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器。每個存儲模塊都有自己的數(shù)據(jù)總線，能在同一時間戳內(nèi)對模塊同時進行數(shù)據(jù)存儲與指令操作。

程序存儲器構(gòu)成

中檔系列單片機有一個13位的程序計數(shù)器，可以尋址8K×14位的程序存儲空間。程序存儲器總線寬度(指令字)為14位。由于所有的指令均為單字指令，所以一個具有8K×14位程序存儲器的器件可以存儲8K條指令。很易于確定是否有充足的程序存儲空間來實現(xiàn)應用程序。

中檔系列單片機把程序存儲器分成4頁，每頁2K字(0h - 7FFh,、800h - FFFh、1000h - 17FFh和1800h - 1FFFh)。圖6-1所示為程序存儲器映射和一個8級深度硬件堆棧。實際上單片機可能只實現(xiàn)了圖中所示存儲器的一部分，這與器件型號有關。關于單片機所提供的存儲器，請查閱單片機的數(shù)據(jù)手冊。

為了能在程序存儲器頁之間跳轉(zhuǎn)，必須修改程序計數(shù)器(PC)的高位。這是通過在PCLATH(程序計數(shù)器高位鎖存器)中寫入需要的值來完成的。如果指令連續(xù)運行，無需任何用戶的干預，程序計數(shù)器即可以跨越程序頁面跨頁。對于那些程序存儲器不足8K字的器件，訪問超過物理地址空間的存儲單元時，會回到有效的程序存儲空間。也就是說，在一個有4K字存儲空間的單片機中，尋址17FFh實際就是尋址7FFh。2K字或更少程序存儲空間的器件不需要分頁。

復位向量

對于任何單片機，復位都將使程序計數(shù)器指向地址0h，我們稱這個地址為“復位向量地址”，也就是單片機發(fā)生復位時，程序執(zhí)行的入口地址。

任何復位操作都會將PCLATH寄存器的內(nèi)容清零。這表明，復位向量地址(0h)處的任何轉(zhuǎn)移指令都將跳轉(zhuǎn)到程序存儲器的第0頁(PAGE0)。

中斷向量

當響應中斷時，PC指向地址0004h，我們稱這個地址為“中斷向量地址”。當PC指向中斷向量時，PCLATH寄存器的值并不會被修改。這意味著，在中斷服務程序中，在改寫PC實現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)前，應按目的地址所處的實際程序頁面先設定PCLATH寄存器。在中斷服務程序修改PCLATH寄存器前，應將原PCLATH的內(nèi)容保存起來，以便從中斷服務程序返回時恢復PCLATH。

標定信息

某些器件在程序存儲器中存儲標定信息。在器件最終測試時，Microchip將標定信息寫入程序存儲器。應用程序利用這些值可以獲得更好的運行結(jié)果。標定信息通常放在程序存儲器的末尾，并以RETLW指令形式實現(xiàn)，該指令所帶的立即數(shù)就是標定信息。

*注：對于窗口型器件，在擦除器件內(nèi)容前(同時會擦除標定信息)，務必先記下所有的標定值。這樣在重新燒寫器件時能恢復標定值。建議將標定值寫在封裝上。

程序計數(shù)器(PC)

程序計數(shù)器指定要取出執(zhí)行的指令的地址，其寬度為13位，其中低8位來自PCL寄存器，該寄存器可讀寫的，而高5位(PC<12:8>)來自PCH寄存器(不可直接讀寫)。PCH寄存器的值只能通過PCLATH寄存器來更新。

圖6-2所示為裝載PC值的四種情況。情況1為寫PCL時，如何裝載PC(PCLATH<4:0>→PCH);情況2為執(zhí)行GOTO指令時，如何裝載PC(PCLATH<4:3>→ PCH);情況3為執(zhí)行CALL指令時，如何裝載PC(PCLATH<4:3> → PCH)以及PC值如何壓入棧頂;情況4為執(zhí)行返回指令時，如何裝載PC，此時PC值從棧頂裝載(彈出)。

相對跳轉(zhuǎn)指令

程序的相對跳轉(zhuǎn)指令是通過向程序計數(shù)器加一個偏移量來實現(xiàn)的(ADDWF PCL)，當使用相對跳轉(zhuǎn)指令方法對表進行讀操作時，要注意表地址是否超過了PCL寄存器的尋址范圍(每塊256個字節(jié))。

*注：對程序計數(shù)器(PCL)的任何寫操作，都會使PCLATH的低五位裝載到PCH中。

堆棧

堆棧允許8級深度的子程序嵌套調(diào)用和中斷。堆棧包含了程序執(zhí)行分支的返回地址。

中檔系列單片機有一個8級深度、13位寬的硬件堆棧。堆棧既不占用程序存儲空間也不占用數(shù)據(jù)存儲空間，棧指針不能讀寫。當執(zhí)行CALL指令或響應中斷發(fā)生跳轉(zhuǎn)時，PC值被壓入堆棧(PUSH)。而執(zhí)行RETURN、RETLW或RETFIE指令時，PC值從堆棧彈出(POP)。執(zhí)行壓?；虺鰲２僮鲿r，不會修改PCLATH寄存器。 壓棧(PUSH)8次之后，進行第9次壓棧時，進棧的數(shù)據(jù)將覆蓋第1次壓棧存儲的數(shù)據(jù)，而第10次壓棧時進棧的數(shù)據(jù)將覆蓋第2次壓棧存儲的數(shù)據(jù)，依此類推。一個堆棧被覆蓋的例子如圖6-3所示。

*注1：沒有用于表示堆棧溢出或堆棧下溢條件的狀態(tài)位。

*注2：沒有稱為PUSH或POP的指令或助記符。而實現(xiàn)類似效果的操作是執(zhí)行CALL、RETURN、RETLW和RETFIE指令，或轉(zhuǎn)到中斷向量地址。

程序存儲器分頁

某些器件的程序存儲器空間大于2K字，但是CALL和GOTO指令只有11位地址范圍，這11位地址只允許在2K存儲空間范圍內(nèi)跳轉(zhuǎn)。為了使CALL和GOTO指令可以訪問整個8K的程序存儲地址范圍，必須有另外兩位來指定程序存儲器頁。將PCLATH<4:3>位作為頁面選擇位(圖6-2)。在執(zhí)行CALL或GOTO指令前，用戶必須確保正確設置頁面選擇位PCLATH<4:3>，以便指向需要的程序存儲頁面(圖6-2)。當執(zhí)行一條返回指令時，整個13位PC地址值都從堆棧彈出，不需要再對PCLATH<4:3>位進行設置。

*注：當器件的程序存儲器空間小于或等于2K字時，可忽略用來存取有多個頁面的程序存儲器的頁面選擇位(PCLATH<4:3>)。但不推薦將PCLATH<4:3>位作為一般讀寫位使用，因為這樣做可能影響與將來產(chǎn)品的向上兼容性。對于程序存儲器空間在2K到4K字之間的器件，可忽略頁面選擇位PCLATH<4>，因為它是用來尋址2、3頁(1000h～1FFFh)的。通常也不推薦將PCLATH<4>作為一般讀寫位使用，因為這樣做可能影響與將來產(chǎn)品的向上兼容性。

例6-1是調(diào)用在程序存儲器第1頁上子程序的例子。本例假使PCLATH寄存器由中斷服務程序保存和恢復(如果使用了中斷)。

例6-1：從第0頁調(diào)用第1頁的子程序