PIC- контроллеры

Микроконтроллеры с RISC- архитектурой

Анализ программ, выполняемых в системах на основе МК с расширенной системой команд (CISC- контроллеры), показал, что в 80 % случаев используется только 20 % команд. Следовательно, дешифратор команд, занимающий 75 % площади кристалла на CISC- МК, используется неэффективно. Архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computing) использует сокращенный набор команд с единым форматом. Особенностью RISC- МК является то, что все команды выполняются за 1…3 такта синхрогенератора, а в CISC- МК – за 1…3 машинных цикла, каждый из которых состоит из нескольких тактов (для i80x51 – из 12 тактов). Поэтому RISC- МК имеют более высокую производительность. Но более полная система команд CISC в ряде случаев приводит к экономии времени выполнения отдельных фрагментов программы и к экономии памяти программ.

PIC- контроллеры (Peripheral Interface Controller – контроллеры периферийных интерфейсов) выпускаются фирмой MicroChip и являются типичными представителями RISC- процессоров. Система команд включает 33…35 команд, каждая команда занимает в памяти одно слово. Разрядность ПЗУ – от 12 до 16 (MicroChip анонсирует это значение как разрядность микроконтроллера). Время выполнения каждой команды (кроме команд разветвления) – один машинный цикл, занимающий 4 такта. Т.е. при частоте генератора 4 МГц время выполнения одной команды 1 мкс. Стек реализован аппаратно и имеет глубину 2, 8 или 16 ячеек. Ряд PIC- контроллеров содержит встроенные АЦП, иногда ЦАП или компаратор. Контроллеры имеют от одного до трех таймеров, сторожевой таймер, внутренний тактовый генератор, способный работать в различных режимах. Сторожевой таймер имеет независимый встроенный RC- генератор; номинальная выдержка сторожевого таймера (без предделителя 1/128) составляет 18 мс, с предделителем – около 2,3 с. Поддерживается режим низкого энергопотребления – SLEEP.

Микроконтроллеры PIC построены по гарвардской архитектуре с раздельными шинами и областями памяти и программ. Это увеличивает скорость обмена по сравнению с принстонской архитектурой, где команды и данные передаются по одной и той же шине. Разделение шин команд и данных позволяет увеличить разрядность команд по сравнению с разрядностью данных. Это обеспечивает простую, но эффективную систему однословных команд, с возможностью перекрытия по времени выборок команд и циклов выполнения (см. схемы работы микроконтроллера и выполнения микрокоманды).

Микроконтроллер использует прямую и косвенную адресацию всех регистров и ячеек памяти. Все специальные регистры также адресуются как память данных. Симметричная система команд позволяет выполнять любую операцию с любым регистром или ячейкой памяти, используя любой способ адресации.

Каждая команда представляет собой 14- разрядное слово. Система команд образована группами:

- Команды работы с байтами – арифметические, логические, пересылки

- Команды работы с битами – сброс/установка бита в регистре

- Команды работы с константами

- Команды передачи управления

Для выполнения всех команд АЛУ использует рабочий регистр W (Work), который не может быть прямо адресован.

Дополнительно PIC- контроллеры могут содержать АЦП, модуль ШИМ, модуль синхронного последовательного порта с интерфейсами SPI, I²C, USB. Микроконтроллер PIC поддерживает внутрисистемное программирование. PIC- контроллеры старших семейств имеют встроенный аппаратный умножитель, в них предусмотрена возможность выполнять программу из внешнего ПЗУ.

Каждый вывод порта обеспечивает выходной ток до 25 мА при условии, что ток по выводу V_SS не превысит 150 мА. Интервал рабочих температур -55…+125⁰С.

Входная тактовая частота делится на 4, из нее формируются четыре неперекрывающиеся тактовые последовательности Q1…Q4, образующие один машинный цикл. Счетчик команд инкрементируется в такте Q1, а команда считывается и защелкивается в регистре команд в такте Q4. Команда выполняется в следующем цикле. Т.е. во время выполнения команды РС считывается команда РС+1, процедуры выборки команды и выполнения совмещены. Эффективное время выполнения команды в потоке составляет 1 цикл, т.е. 4 такта. Если команда изменяет счетчик команд (например, CALL), то ее выполнение занимает 2 цикла – 8 тактов.