1.3 PIC16F87X单片机的硬件结构

PIC16F87X是微芯公司于1998年底推出的一款特色明显的MCU子系列单片机，其突出优点是内部集成了一个在线调试器（In-Circuit Debugger），可以实现在线调试和在线编程，这是MCS-51和MCS-96系列单片机所不具备的。另外，微芯公司还专为PIC16F87X系列单片机研制了廉价的开发工具MPLAB-ICD，用户使用低成本即可搭建一个PIC微处理器的开发平台。

PIC16F87X子系列目前共有7款不同型号的单片机，分别是PIC16F870、PIC16F871、PIC16F872、PIC16F873、PIC16F874、PIC16F876和PIC16F877。这7款单片机中，PIC16F877功能最全，它囊括了其他几款单片机的所有功能。其他几款单片机都是在PIC16F877功能的基础上通过部分精简得来的。

1.3.1 PIC16F87X的主要特色

下面分别从PIC16F87X芯片内核的特色和外围特色两个方面对PIC16F87X进行介绍。

1.PIC16F87X内核的特色

主要特色如下：

● 高性能的RISC结构CPU。

● 精简指令集，仅35条单字节指令。

● 除地址分支跳转指令为双周期指令外，其余指令均为单周期指令。

● 执行速度：DC-20MHz时钟输入，DC-200ns指令周期。

● 最大有8K×14字节（对于PIC16F873/4/6/7）/2K×14字节（对于PIC16F870/1/2）的FLASH程序存储器。

● 最大有368×8字节（对于PIC16F873/4/6/7）/128×8字节（对于PIC16F870/1/2）的RAM。

● E2PROM数据存储器。

● 具有多达14种中断源。

● 8级硬件堆栈。

● 4种寻址方式：立即寻址、直接寻址、间接寻址及寄存器间接寻址。

● 上电复位。

● 具有上电延时器，保证VDD稳定建立。

● 具有振荡定时器，保证振荡稳定建立。

● 自带振荡式看门狗，不需要任何外部器件。

● 可编程代码保护。

● 休眠模式。

● 具有下面4种振荡方式可选：

➢ RC：阻容振荡。

➢ XT：标准晶体/陶瓷振荡。

➢ HS：高速晶体/陶瓷振荡。

➢ LP：低功耗振荡。

● 低功耗、高速CMOS技术。

● 全静态设计。

● 在线串行编程技术ICSP（In-Circuit Serial Programming）。

● 在线调试功能。

● 宽范围操作电压：2.0～5.5V。

● I/O端口驱动电流高达25mA。

● 宽工作温度范围，具体为：

➢ 商业级：0℃～70℃。

➢ 工业级：-40℃～85℃。

➢ 军用级：-40℃～125℃。

● 低功耗设计：

➢ 在5V工作电压、4MHz时钟时的典型工作电流小于2mA。

➢ 在3V作电压、32kHz时钟时的典型工作电流小于20μA。

➢ 典型待机电流小于1μA。

2.PIC16F87X微控制器外围特色

● Timer0：8位定时器/计数器，带8位预分频器。

● Timerl：16位定时器/计数器，带预分频器。可在睡眠模式中通过外部时钟来计数。

● Timer2：8位定时器/计数器，带有8位周期寄存器、预分频器和后分频器。

● 具有捕捉（Capture）、比较（Compare）和PWM模式。

● 多通道10位A/D转换器。

● 同步串行口SSP：SPI（主模式）和I2C（主从模式）。

● 通用异步串行口USART。

● 8位宽并行从口，具有外部读、写和片选信号。

● 具有掉电复位检测电路。当VDD低于VBOR一段时间后，芯片自动进入复位状态，所有I/O端口都变成高阻状态。当VDD恢复上升到标准值以上后，芯片恢复正常运行。

1.3.2 PIC16F87X的内部结构

PIC16F87X系列微控制器的内部结构如图1-4和图1-5所示，整个控制器可分为核心区域和外围模块两个部分。其中，核心区域各组成部分是每个微控制器所必不可少的，由其完成数据的运算、指令译码、寄存器的寻址等核心功能；外围模块主要是单片机用于同外部设备“打交道”的，可以根据不同的功能需求进行自由裁减。

1.3.2.1 PIC16F87X单片机的核心模块

核心区域包含的主要部件及其功能介绍如下：

1.运算器（ALU）和工作寄存器（Wreg）

运算器（ALU）是一个通用算术、逻辑运算单元，使用它可以对工作寄存器（Wreg）和任何通用寄存器中的两个数进行算术运算（如加、减、乘、除等）和逻辑运算（如与、或、异或等）。PIC16F87X是8位单片机，ALU的字长是8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中，要么是在通用寄存器中。需要注意的是，工作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还可能会影响结构框图中状态寄存器（STATUS）的进位标志（C）和全零标志（Z）等。

2.程序存储器（Program Memory）和程序计数器（Program Counter）

单片机内存放程序指令的存储器称为程序存储器。PIC16F87X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。PIC16F87X的程序存储器的存储容量为2K～8K不等，这些程序存储器都是由闪速存储器（FLASH）构成的，程序存储器由程序计数器PC寻址。PIC16F87X的程序计数器为13位宽，可寻址8K的程序存储器空间。

3.状态寄存器（STATUS）

状态寄存器又称标志寄存器，用以反映某一逻辑运算或操作结果的特征，例如是否产生进位或借位以及结果是否为0等，它常常配合跳转指令来使用。

4.数据存储器（RAM File Registers）

数据存储器包括通用寄存器和特殊功能寄存器两种，用于存储CPU运算过程中产生的中间数据，既可以读出也可以写入。除此之外，PIC单片机还提供了功能灵活的各种面向位的操作方法，可直接对数据存储器进行位测试、置位及移位等操作。

5.间接寻址寄存器INDF和FSR

间接寻址寄存器INDF和FSR位于PIC数据存储器的最顶端，地址00单元（地址码最小）的间接寻址寄存器INDF是一个空的寄存器。它只有地址码，在物理上不是一个真正的寄存器。它的功能常常与寄存器FSR（又称选择寄存器）配合工作，实现间接寻址目的。

6.复用器（MUX）

复用器包括数据复用器和地址复用器，数据复用器主要对指令码和数据存储器中的数据进行选择，地址复用器主要对指令码和FSR中的地址进行选择（即一个通路选择器）。

7.堆栈（Stack）

当发生程序中断或跳转等操作时，需要对当前主程序断点的地址进行保存，以便执行完其他程序后返回中断点（即现场保护）。此时开辟一部分先进先出（FIFO）的存储区来存储断点地址，这一存储区就称为堆栈。

除以上7个基本部件外，还有上电延时（Power-Up Timer）、起振延时（Oscillator Start-Up Timer）、上电复位（Power-On Reset）、看门狗（Watchdog Timer）、欠压复位（即掉电锁存复位）（Brown-Out Reset）、在线调试（In-Circuit Debugger）、低压编程（Low-Voltage Programming）等附加电路，它们主要起到电路保护、方便调试、优化运行等作用，以提高运行的可靠性和可操作性。所有的部件通过内部数据总线或程序总线相连，其详细功能在此不再赘述。

1.3.2.2 PIC16F87X单片机的外围模块

PIC16F87X的内部可集成种类丰富的外围模块，开发过程中充分地节省了外围电路。各外围电路的功能和使用方法比较复杂，这里只是列出各模块的基本功能，以便使读者对其有一个整体的认识。

1.基本I/O端口

PIC16F873/876有RA、RB、RC三个基本输入/输出端口，PIC16F874/877有RA、RB、RC、RD、RE五个基本输入/输出端口，其中RB、RC、RD为8位宽，RA为6位宽，RE为3位宽，共33个引脚。输入/输出方式可编程，部分引脚同其他功能复用。

2.定时、计数器

单片机内集成了TMR0、TMR1、TMR2三个可编程定时器。其中TMR0为8位宽，TMR1、TMR2为16位宽，所有的定时器还可作为计数器使用。除此之外，TMR1与CCP模块配合使用可实现捕捉和比较功能，TMR2和CCP模块配合使用可实现脉宽调制输出功能。

3.E2PROM数据存储器

即可电擦除存储器，容量为256字节，其存储的数据掉电之后不会丢失，因此可以用来备份数据，但是其擦写次数是有限制的，不能无限次使用。

4.A/D转换器

A/D转换器具有5个（PIC16F873/876）或8个（PIC16F874/877）10位分辨率的模/数转换通道，用于对外部的模拟量进行采样。

5.捕捉、比较、脉宽调制CCP（Capture Compare PWM）

捕捉功能可捕捉外部输入脉冲的上升沿或下降沿，产生相应中断，从而可用于测量外部信号的周期、频率、脉宽等；比较功能用于从引脚上输出不同宽度的矩形脉冲和延时信号；脉宽调制功能将产生占空比可调的周期性方波信号，可用来实现直流电机的调速、D/A转换以及步进电机的控制等。

6.同步串行端SSP（Synchronous Serial Port）

具有SPI和I2C两种工作模式，主要用于同其他设备进行数字通信。

7.同步、异步收发器（USART）

用于两线制串行通信，可定义为半双工同步方式和全双工异步方式。

8.并行从动端口PSP

用于同其他具有开放总线的微处理器进行高速的数据传输，其数据传输控制权由通信的另一方掌握，故称为从动端口。

1.3.3 PIC16F87X的引脚功能

PIC16F87X系列单片机采用PDIP、SOIC、QFP或PLCC四种封装形式，其外形和引脚如图1-6和图1-7所示。

根据引脚功能不同可将引脚分为以下几类。

1.供电引脚

PIC单片机的工作电压为2.0～5.5V，VDD接电源“+”端，VSS接电源“-”端，除了28引脚的封装上只有一个VDD引脚外，其他芯片上一般都有两个VDD和Vss引脚。

2.振荡器输入/输出引脚

PIC单片机可采用3种不同的振荡器方式。第一，采用晶振或陶瓷谐振器，将一晶体或陶瓷谐振器连接到单片机的OSC1/CLKIN和OSC2/CLKOUT引脚上，以建立振荡。第二，除了可以使用已集成在片内的振荡器外，亦可使用由TTL门电路构成的简单振荡器电路，当外接振荡器时，外部振荡信号从OSC1端输入，OSC2端开路。第三，还可采用RC振荡器，该方式适合于对时间精度要求不高的低成本应用。RC振荡频率随着电源电压（VDD）、RC值及工作环境温度的变化而变化，同时由于工艺参数的差异，对不同芯片其振荡器频率将不同。

3.硬件复位引脚

PIC单片机除了可以实现软件复位之外，还可以通过MCLR引脚接收外部电路的复位信号产生硬件复位，此时低电平有效。另外，在编程时，其还可以用作编程电压输入端。

4.I/O及功能引脚

PIC16F873/876单片机共3组22个端口，PICl6F874/877单片机共5组33个端口，所有端口都可作为双向的输入输出口，且具有锁存功能。此外，其中大部分端口还具有第二和第三功能，与其I/O功能复用端口。这些第二和第三功能包括AD转换、捕捉、比较、脉宽调制输出和串口通信等，其具体功能如表1-4和表1-5所示。