Что такое пик контроллер
PIC Урок 1. Знакомство с семейством PIC
Урок 1
Знакомство с семейством PIC
Наконец-то сегодня нашлось время познакомить вас с ещё одним семейством микроконтроллеров — это микроконтроллеры PIC.
Данные микроконтроллеры также являются очень известными, устанавливаются во многие устройства и давно уже снискали у радиолюбителей очень сильный интерес.
Разработчиком данного семейства является компания Microchip, которая также ялвяется очень известной и её продукция востребована по всему миру.
Изучение данной серии контроллеров является очень нелёгким вопросом, я этим заниматься начал уже давно, но нормально разобрался с линейкой только сейчас. Последнее время я немного ускорил процесс изучения микроконтроллеров PIC благодаря вашим просьбам в группах и чатах, на которые я не мог не откликнуться.
Также к тому, чтобы поделиться своими знаниями в области программирования данной линейки, меня подтолкнуло то, что я видел много блогов, уроков (в том числе и видео) очень хорошего качества по контроллерам PIC именно с использованием языка ассемблер. А вот на языке C уроков очень мало, что подчёркивает их востребованность.
Поэтому замечу, что программировать МК PIC мы будем именно на языке C. Какую мы выберем среду программирования и компилятор, мы решим чуть позже, а пока же в данном уроке нас ждёт краткое знакомство с самими контроллерами, с их архитектурой и их разновидностями.
Разновидностями контроллеров мы будем считать их деление по архитектуре. Примем за основу разрядность их ядра.
Например, те контроллеры AVR, с которыми мы до сих пор работаем, являются 8-битными, а контроллеры STM, которые мы изучаем — 32-битными.
Вот и контроллеры PIC также делятся по битности.
Первая линейка — это 8-битные контроллеры PIC. Наименование их моделей начинается с префикса PIC10/PIC12/PIC16.
Данная линейка также делится на 3 семейства.
1. BASELINE — данная архитектура присутствует у контроллеров PIC10. От более мощной серии она отличается количеством выводов (от 6 до 28), дешевизной.
2. MID-RANGE — данную архитектуру имеют ядра микроконтроллеров PIC12/PIC16. Количество выводов в данной серии увеличено (от 6 до 64), стоят они несколько дороже, зато имеют помимо 35 машинных инструкций, поддерживаемых серией BASELINE, ещё 14 дополнительных инструкций (оптимизированных под компилятор языка C). Также у данной серии производительность увеличена на 50%, они имеют более глубокий и улучшенный аппаратный стек, увеличенный объём памяти и некоторые прочие прелести, с которыми мы познакомимся в дальнейшем, так как, скорее всего, мы с данной серии и начнём процесс изучения программирования микроконтроллеров PIC.
3. 8-битовые микроконтроллеры PIC18 — это улучшенная серия контроллеров, здесь на борту много другой периферии, количество выводов от 18 до 100, производительность 16 MIPS, поддержка технологии NanoWatt, наличие программироуемого генератора.
Вторая линейка — это 16-битные контроллеры PIC. Они имеют префикс PIC24F и PIC24H. Это уже более мощные контроллеры. В отличие от первой линейки, машинная команда выполняется уже не за 4 такта генератора, а за 2. Также периферия еще более расширена по разновидностям шин, прямой доступ к памяти DMA (у PIC24H), расширенный набор инструкций. Также есть очень много других особенностей.
Третья линейка — это 32-битные контроллеры. Префикс у них уже PIC32. Частота тактирования таких контроллеров до 120 МГц, а у новой серии MZ — до 200 и даже выше. У меня, например, есть отладочная плата, на которой устрановлен контроллер PIC32MZ2048EFH064, у которого тактовая частота составляет 252 мегагерца. Также здесь ещё более увеличена производительность ядра. Данное семейство построено на ядре MIPS32®, которое также кроме высокой производительности отличается ещё и низким потреблением энергии.
Вообщем, вот такие вот краткие характеристики существующих на данный момент контроллеров PIC. Если брать по наименованиям, то наименований очень много, на любой, как говорится, вкус.
Также, как и рассмотренные, а также рассматриваемые нами контроллеры AVR и STM32, контроллеры PIC работают приблизительно по той же схеме. Сочиняется программа, собирается в машинный код, понятный арифметическо-логическому устройству контроллера, загружается (прошивается или заливается) в контроллер и затем обеспечивает работу по определённому алгоритму. Основной интерфейс, используемый для прошивки данных контроллеров — это ICSP, предназначенный для внутрисхемного программирования. Подробнее с ним мы познакомимся, когда будем прошивать данные контроллеры.
Давайте немного разберёмся с организацией памяти в контроллерах PIC. Так как мы начнём изучение семейства PIC с более простых 8-битных (принцип от простого — к сложному ведь не отменял никто), то и организацию памяти мы посмотрим у данной серии.
Сначала посомтрим блок-схему контроллера на примере МК PIC16F84A (нажмите на картинку для увеличения изображения)
В левом верхнем углу сразу бросается в глаза модуль памяти FLASH, в которой обычно хранится программа контроллера (прошивка). А в правом верхнем углу мы видим память EEPROM, которая уже исользуется для хранения данных. Эти два вида памяти являются энергонезависимыми и после отклчения и сброса контроллера не стираются. Но данная память не является быстрой, поэтому код при старте программы распределяется уже в память RAM (ОЗУ), которая уже является быстродействующей и предназначена для функционирования контроллера при работе. Поэтому данную память мы уже рассмотрим несколько поподробнее.
Оперативная память контроллера PIC делится на память программ и память данных.
Вот так организована память программ у контроллера PIC16F84A
Микроконтроллеры данной серии имеют счётчик команд, способный адресовать 8К x 14 слов памяти программ и 14-разрядную шину данных памяти программ. Вся память программ разделена на 4 страницы по 2 килослов каждая (0000h-07FFh, 0800h-0FFFh, 1000h-17FFh, 1800h-1FFFh). Ну это общая информация, поэтому у тех контроллеров, у которых память небольшая перемещение между данными страницами приведёт к циклической адресации. Поэтому размер памяти того контроллера, который мы хотим программировать, мы обязаны знать твёрдо. В общем случае память программ состоит из счётчика команд, стека нескольких уровней, память для хранения векторов прерываний, а также внутренней памяти программ.
Также немного познакомимся с организации оперативной памяти, отведённой под хранение данных.
Память данных разделяется на регистры общего назначения и регистры специального назначения. Посмотрим, как организована память данных контроллера PIC16F84A
Регистры специального назначения (SFR) — это регистры, которые предназначены для хранения строго отведённых величин и имеют определённые имена. С ними мы будем знакомиться постепенно, когда будем писать какой-то исходный код, который будет широко их использовать.
Регистры общего назначения (GPR) — это ячейки памяти, которые имеют только адреса и предназначены они для хранения любых данных.
Также из приведённого выше рисунка мы видим, что у нашего контроллера память данных разделена на 2 страницы (или банка) переход между которыми осуществляется посредством установки определённых битов в регистре STATUS. Поэтому данный регистр присутствует в обеих банках и обратиться к нему мы можем в любой момент, чтобы сменить текущую страницу памяти.
Адресация может быть как прямая, так и косвенная или относительная, когда адрес отсчитывается относительно текущего адреса. С этим мы возможно не будем знакомиться, так как такая задача возникает у программистов, которые пишут программы на ассемблере.
Соответственно, у каждого контроллера кроме памяти существует много чего ещё интересного, в том числе порты ввода-вывода. Наши контроллеры PIC — также не исключение. Посмотрим назначение ножек контроллера PIC16F84A
У данного контроллера два порта — порт A и порт B. Из порта A наружу выведены 5 ножек — RA0-RA4, а из порта B — все 8 ножек RB0-RB7.
Также ножки портов могут иметь и другое назначение в зависимости от того, как мы их сконфигурируем. Наример ножка 6 или RB0 может в любой момент превратиться в ножку для захвата внешних прерываний, а ножка 3 или RA4 — стать ножкой для тактирования таймера от внешнего генератора.
Тактирование МК PIC также может осуществляться как от внешнего генератора, так и от кварцевого резонатора, от внутреннего резистора, а также существует ещё несколько вариантов, которые поддерживают не все контроллеры данного семейства. На практике как правило используется тактирование от кварцевого резонатора. Скорее всего, мы также последуем данной традиции в наших дальнейших занятиях.
Думаю, на этом мы закончим знакомство с контроллерами PIC. Знакомство получилось кратким, но на первое время нам и этого хватит за глаза. С более расшифрованной информацией мы столкнёмся, когда будем сочинять наши программы. Так что ждите следующих занятий, которые обещают быть очень интересными. Мы познакомимся сначала с установкой среды и компилятора, изучим, как с ними работать, какие тонкости программирования присутствуют в настройках различной периферии, а также в работе с ней.
Смотреть ВИДЕОУРОК (нажмите на картинку)
Осваиваем простейший микроконтроллер PIC. Часть 1
Выбор микроконтроллера обычно осуществляется под необходимые задачи. Для изучения хорошо подойдет популярный МК с минимальным набором периферии: PIC16F628A.
Первым делом необходимо скачать документацию по выбранному микроконтроллеру. Достаточно зайти на сайт производителя и скачать Datasheet.
На первых страницах перечислены основные характеристики МК (русское описание).
Схема расположения выводов: 
Vdd — питание.
Vss — земля.
Это минимум, необходимый для работы МК.
Остаются доступными 16 ног МК. Не сложно посчитать, что использование каждой ноги каким-либо модулем уменьшает максимальное число используемых цифровых портов.
Компилятор
Как я уже писал в предыдущих статьях, самым простым и легким я посчитал компилятор JAL с IDE JALEdit.
Качаем JALPack, устанавливаем.
В этом паке содержаться все необходимые библиотеки, а так же примеры их использования.
Запускаем JALEdit. Открываем пример програмы для нашего микроконтроллера: 16f628a_blink.jal, дабы не портить исходник, сразу сохраняем ее в новый файл, к примеру, 16f628a_test.jal.
enable_digital_io() — переключение всех входов\выходов на цифровой режим
forever loop
led = on
_usec_delay( 250000 )
led = off
_usec_delay( 250000 )
end loop
Code :58/2048 Data:4/208 Hardware Stack: 0/8 Software Stack :80
Если прочитать комментарии, то станет ясно, что данная программа рассчитана на использование внешнего кварца 20MHz.
Так как у нас его пока нет, разберемся с конфигурацией и перепишем программу на использование внутреннего генератора.
Конфигурация
Изменим конфигурацию под себя:
pragma target clock 4_000_000 — указываем рабочую частоту, необходимо для некоторых функций расчета времени
— конфигурация микроконтроллера
pragma target OSC INTOSC_NOCLKOUT — используем внутренний генератор
pragma target WDT disabled — сторожевой таймер отключен
pragma target PWRTE disabled — таймер питания отключен
pragma target MCLR external — внешний сброс активен
pragma target BROWNOUT disabled — сбос при падении питания отключен
pragma target LVP disabled — программирование низким напряжением отключено
pragma target CPD disabled — защита EEPROM отключена
pragma target CP disabled — защита кода отключена
Моргаем светодиодом по нажатию кнопки
Модифицируем программу так, что бы светодиод моргал только тогда, когда зажата кнопка.
Решив данную задачу мы научимся работать с цифровыми портами как в режиме входа, так и в режиме выхода.
Цифровой выход
Выберем еще неиспользуемую ногу МК. Возьмем, к примеру, RB5(pin 11). Данная нога не имеет дополнительных функций, потому она нам более нигде не понадобится.
В режиме цифрового выхода МК может притягивать к ноге либо питание, либо землю.
Подключать нагрузку можно как к плюсу, так и к минусу. Разница будет лишь в том, когда и в какую сторону потечет ток.
В первом случае ток потечет от МК при установке единицы, а во втором — к МК при установке нуля.
Дабы светодиод зажигался от логической единицы, остановимся на первом варианте.
Для ограничения тока через ногу (максимально допустимо 25 мА на цифровой вход или 200 мА на все порты) установлен токоограничительный резистор. По простейшей формуле высчитываем минимальное значение в 125 Ом. Но так как предел нам не нужен, возьмем резистор в 500 Ом (а точнее ближайший подходящий).
Для подключения более мощной нагрузки можно использовать транзисторы в различных вариантах.
Цифровой вход
Возьмем вторую неиспользуемую нигде ногу — RB4 (pin 10, указанная в распиновке функция PGM отностися к LVP, который мы отключили).
В режиме цифрового входа микроконтроллер может считывать два состояния: наличие или отсутствие напряжения. Значит нам необходимо подключить кнопку так, что бы в одном состоянии на ногу шел плюс, а во втором состоянии — к ноге подключалась земля.
В данном варианте резистор используется в качестве подтяжки (Pull-up). Обычно для подтяжки применяют резистор номиналом 10 кОм.
Впрочем, подтягивающий резистор не всегда необходим. Все ноги PORTB (RB0-RB7) имеют внутреннюю подтяжку, подключаемую программно. Но использование внешней подтяжки куда надежнее.
Можно подключать не только кнопку, главное помнить о ограничении тока через МК.
Кнопка сброса
Пока не забыли, что мы активировали внешний сброс, добавим аналогичную кнопку на ногу MCLR (pin 4).
После нажатия такой кнопки МК начнет выполнение программы с нуля.
Прошивка
Присваиваем нашему светодиоду и кнопке переменные:
enable_digital_io() — переключение всех входов\выходов на цифровой режим
—
alias led is pin_B5 — светодиод подключен к RB5
pin_B5_direction = output — настраиваем RB5 как цифровой выход
—
alias button is pin_B4 — кнопка подключена к RB4
pin_B4_direction = input — настраиваем RB4 как вход
led = off — выключаем светодиод
Теперь присваивая переменной led значения 1 или 0 (on или off, true или false, другие алиасы..) мы будем подтягивать к нужной ноге МК или плюс, или минус, тем самым зажигая и гася светодиод, а при чтении переменной button мы будем получать 1 если кнопка не нажата и 0 если кнопка нажата.
Теперь напишем необходимые нам действия в бесконечном цикле (эти действия будут выполняться постоянно. При отсутствии бесконечного цикла МК зависнет):
forever loop
led = off — выключаем светодиод
_usec_delay( 500000 ) — ждем 0,5 сек
if Button == 0 then — если кнопка нажата, выполняем действия
led = on — зажигаем светодиод
_usec_delay( 500000 ) — ждем 0,5 сек
end if
end loop
Задержка считается просто:
частота генератора у нас 4MHz. Рабочая частота в 4 раза меньше: 1 MHz. Или 1 такт = 1 мкс. 500.000 мкс = 0,5 с.
Errors :0 Warnings :0
Code :60/2048 Data:4/208 Hardware Stack: 0/8 Software Stack :80
Теперь нам необходимо записать эту прошивку в МК, собрать устройство согласно схеме и проверить, что у нас все получилось как надо.
Программатор
Все таже схема: 
Некачественная пайка — одна из основных проблем неработоспособности устройства.
Не повторяйте мои плохие привычки: не используйте навесной монтаж.
В качестве питания 5В в данном случае использовался хвост от старой PS/2 мыши, вставленный в разъем для мыши.
Подключаем к компьютеру.
Качаем и запускаем WinPic800.
Идем в Settings->Hardware, выбираем JDM и номер порта, на котором висит программатор
Нажимаем Hardware Test, затем Detect Device
Открываем нашу прошивку pic628a_test.hex
На вкладке Setting можно проверить, что конфигурационные биты выставлены верно, при желании тут же их можно изменить
Program All, затем Verify All
Если ошибок не возникло, продолжаем паять.
Результат
От программатора нам мешает только высокое напряжение (12в) на MCLR. Дабы не отпаивать весь программатор, можно отпаять только один провод… Или просто не подключать программатор к COM порту. Остальные провода нам мешать не будут (а подключенные питание и земля только упростят пайку).
Кнопку на MCLR паять можно по желанию, но подтяжка обязательна.
При повторном подключении программатора резистор необходимо будет убрать, иначе он подтянет 12в к питанию.
Результат работы можно увидеть на видео.
Итак, у нас получилось самое простое устройство на микроконтроллере: мигалка светодиодом.
Теперь нам необходимо научиться пользоваться всей оставшейся периферией, но об этом в следущей статье.
Средства программирования PIC-контроллеров
Введение
PIC-контроллеры остаются популярными в тех случаях, когда требуется создать недорогую компактную систему с низким энергопотреблением, не предъявляющую высоких требований по ее управлению. Эти контроллеры позволяют заменить аппаратную логику гибкими программными средствами, которые взаимодействуют с внешними устройствами через хорошие порты.
Миниатюрные PIC контроллеры хороши для построения преобразователей интерфейсов последовательной передачи данных, для реализации функций «прием – обработка – передача данных» и несложных регуляторов систем автоматического управления.
Компания Microchip распространяет MPLAB — бесплатную интегрированную среду редактирования и отладки программ, которая записывает бинарные файлы в микроконтроллеры PIC через программаторы.
Взаимодействие MPLAB и Matlab/Simulink позволяет разрабатывать программы для PIC-контроллеров в среде Simulink — графического моделирования и анализа динамических систем. В этой работе рассматриваются средства программирования PIC контроллеров: MPLAB, Matlab/Simulink и программатор PIC-KIT3 в следующих разделах.
• Характеристики миниатюрного PIC контроллера PIC12F629
• Интегрированная среда разработки MPLAB IDE
• Подключение Matlab/Simulink к MPLAB
• Подключение программатора PIC-KIT3
Характеристики миниатюрного PIC-контроллера
Семейство РIС12ххх содержит контроллеры в миниатюрном 8–выводном корпусе со встроенным тактовым генератором. Контроллеры имеют RISC–архитектуру и обеспечивают выполнение большинства команд процессора за один машинный цикл.
Для примера, ниже даны характеристики недорогого компактного 8-разрядного контроллера PIC12F629 с многофункциональными портами, малым потреблением и широким диапазоном питания [1].
• Архитектура: RISC
• Напряжение питания VDD: от 2,0В до 5,5В ( >path без аргументов приводит к отображению списка путей переменной path в окне команд (Command Window). Удалить путь из переменной path можно командой rmpath, например:
4. Создайте Simulink модель для PIC контроллера, используя блоки библиотеки «Embedded Target for Microchip dsPIC» (Рис. 13), или загрузите готовую модель, например, Servo_ADC.mdl.
Тип контроллера, для которого разрабатывается Simulink модель, выбирается из списка в блоке Master > PIC (Рис. 16, Рис. 10), который должен быть включен в состав модели.
Рис. 16. Выбор типа контроллера в блоке Master модели.
Рис. 17. Выбор компилятора S-функций dspic.tlc для моделей PIC-контроллеров в разделе «основное меню → Simulation → Configuration Parameters → Code Generation».
6. Откомпилируйте модель tmp_Servo_ADC.mdl. Запуск компилятора показан на Рис. 18.
Рис. 18. Запуск компилятора Simulink модели.
В результате успешной компиляции (сообщение: ### Successful completion of build procedure for model: Servo_ADC) в текущем каталоге создаются HEX файл для прошивки PIC контроллера и MCP проект среды MPLAB (Рис. 19).
Рис. 19. Результаты компиляции модели.
Запуск модели в Matlab/Simulink выполняется в окне модели кнопкой, условное время моделирования устанавливается в строке:
Управление компиляцией Simulink моделей из среды MPLAB
Управление компиляцией Simulink модели можно выполнять командами раздела Matlab/Simulink среды MPLAB, например, в следующем порядке.
1. Разработайте модель PIC контроллера в Matlab/Simulink. Сохраните модель.
2. Запустите MPLAB.
3. Выберите MPLAB меню → Tools → Matlab/Simulink и новый раздел появится в составе меню.
4. В разделе Matlab/Simulink откройте Simulink модель, например, Servo_ADC, командой «Matlab/Simulink → Specify Simulink Model Name → Open → File name → Servo_ADC.mdl → Open». Команда Open запускает Matlab и открывает модель.
5. Откомпилируйте модель и создайте MCP проект командами Generate Codes или Generate Codes and Import Files. Перевод MDL модели в MCP проект выполняется TLC компилятором Matlab.
В результате создаётся проект MPLAB:
со скриптами модели на языке Си.
6. Откройте проект: меню → Project → Open → Servo_ADC.mcp (Рис. 20).
Рис. 20. Структура MCP проекта Simulink модели Servo_ADC.mdl в среде MPLAB.
Проект Simulink модели готов для редактирования, отладки и компиляции в машинные коды контроллера средствами MPLAB.
Подключение программатора PIC-KIT3
Узнать какие программаторы записывают бинарный код в конкретный микроконтроллер можно в разделе меню → Configure → Select Device среды MPLAB 8.92. Например, программатор PIC-KIT3 не поддерживает контроллер PIC12C508A (Рис. 21, левый рисунок), но работает с контроллером PIC12F629 (Рис. 21, правый рисунок).
Рис. 21. Перечень программаторов для прошивки микроконтроллера.
Информацию об установленном драйвере программатора PIC-KIT3 можно запросить у менеджера устройств ОС Windows (Рис. 22).
Рис. 22. Информация об установленном драйвере программатора PIC-KIT3.
Схема подключения микроконтроллера PIC12F629 к программатору PIC-KIT3 показана на Рис. 23.
Рис. 23. Схема подключения микроконтроллера PIC12F629 к программатору PIC-KIT3.
Вывод PGM программатора для прошивки контроллеров PIC12F629 не используется. Наличие вывода PGM для разных типов PIC контроллеров показано на Рис. 24. Вывод PGM рекомендуется «притягивать» к общему проводу (GND), через резистор, номиналом 1К [3].
Рис. 24. Выводы PGM PIC контроллеров.
Индикация светодиодов программатора Olimex PIC-KIT3 показана в ниже:
Желтый — Красный — Состояние программатора
Вкл — Выкл — Подключен к USB линии
Вкл — Вкл — Взаимодействие с MPLAB
Мигает — Включен постоянно — Прошивка микроконтроллера
Не следует подключать питание микроконтроллера VDD (Рис. 23) к программатору, если контроллер запитывается от своего источника питания.
При питании микроконтроллера от программатора на линии VDD необходимо установить рабочее напряжение, например, 5В программой MPLAB (Menu → Programmer → Settings → Power), как показано на Рис. 25.
Примечание. При отсутствии напряжения на линии VDD MPLAB IDE выдает сообщение об ошибке: PK3Err0045: You must connect to a target device to use
Рис. 25. Установка напряжения VDD на программаторе PIC-KIT3 программой MPLAB IDE v8.92.
Если программатор не может установить требуемое напряжение, например, 5В при его питании от USB, в которой напряжение меньше 5В, MPLAB IDE выдает сообщение об ошибке: PK3Err0035: Failed to get Device ID. В этом случае, сначала необходимо измерить напряжение программатора — считать его в закладке меню → Programmer → Settings → Status, а затем установить напряжение (не больше измеренного) в закладке меню → Programmer → Settings → Power.
Рис. 26. Измерение (слева) и установка (справа) VDD напряжения программатора PIC-KIT3 программой MPLAB IDE v8.92.
Пример MPLAB сообщения успешного подключения микроконтроллера к программатору по команде меню → Programmer → Reconnect показан на Рис. 27.
Рис. 27. Сообщение MPLAB об успешном подключении микроконтроллера к программатору.
Можно программировать не только отдельный PIC контроллер, но и контроллер, находящийся в составе рабочего устройства. Для программирования PIC контроллера в составе устройства необходимо предусмотреть установку перемычек и токоограничивающих резисторов как показано на Рис. 28 [3].
Рис. 28. Подключение микроконтроллера в составе электронного устройства к программатору.
Заключение
Малоразрядные PIC-контроллеры имеют широкий диапазон питания, низкое потребление и малые габариты. Они программируются на языках низкого уровня. Разработка программ на языке графического программирования Simulink с использованием многочисленных библиотек значительно сокращает время разработки и отладки в сравнении с программированием на уровне ассемблера. Разработанные для PIC-контроллеров Simulink структуры можно использовать и для компьютерного моделирования динамических систем с участием контроллеров. Однако, из-за избыточности кода такой подход применим только для семейств PIC контроллеров с достаточными ресурсами.