2018年04月02日 | PIC16F87x的数据存储器规划和中断编程分析

    国微芯科技公司的PICmicro单片机和其他单片机相比，在硬件结构和指令系统中采用了很多独有的设计。

    PIC系列单片机硬件系统设计简洁，指令系统设计精练;采用哈佛总线结构，芯片内部数据总线和指令总线分离;选址方式简单。

    PIC16F87x系列单片机是PIC16系列子系列，是中间档次产品。PIC系列与其他单片机相比，让人印象最深的特点可能要属其内存的分页结构，有很多习惯了其他单片机编程的人认为PIC单片机的内存分页带来很多不便。本文介绍在PIC1687x系列单片机中，根据数据变量的访问特性安排其在数据存储器中的位置的方法及其中断编程，从一方面说明内存的规划对编程的影响。

    1 PIC16F87x单片机存储器特点

    PIC16F87x单片机采用哈佛总线结构，程序存储器和数据存储器分别有自己的总线。数据存储器被分成4个页(BANK)，每个页大小为128字节，RP1和RP0位可以用来进行页选择。数据存储器分为通用寄存器和特殊功能寄存器。

    特殊功能寄存器是通过CPU和外围模块来控制单片机运行的寄存器。特殊功能寄存器分成两类：一类是与核心功能有关的特殊寄存器，如状态寄存器(STATUS)、FSR等;另一类是与外围特性有关的外设寄存器。通用寄存器文件可以通过文件寄存器直接访问，一般给用户系统用作变量存储。

    特殊功能寄存器在每个页靠前的位置，有部分特殊功能寄存器(如STATUS)在每个页中都有，但其实共享一个物理存储，在PIC16F876/877中BANK0～ BANK3的后16个字节的通用寄存器也共享一个物理存储。在PIC16F874/873中通用寄存器也有类似的安排。可见厂家在设计安排这些存储器时已经考虑根据它们的访问特性安排其物理存储位置。

    PIC16F87x系列单片机所有寄存器有两种访问方式，即直接寻址访问和间接寻址访问。当通过直接寻址访问时，先设置状态寄存器的RP1和RP0位进行页(BANK)选择，每个页内具体偏移地址则由访问寄存器的指令给出。汇编代码可以将页选择代码写成宏，例如：

    BANK0 MACRO ;选择页0

    bcf STATUS，RP0

    bcf STATUS，RP1

    BANK1 MACRO ;选择页1

    bsf STATUS，RP0

    bcf STATUS，RP1

    ENDM

    假如变量tempVar1是在Bank1：

    CBLOCK 0xA0

    tempVar1

    ……

    ENDC

    则访问tempVar1可以用：

    BANK1 ;选择TempVar1所在的页

    movwf tempVar1 ;将w内容复制到tempVar1movwf

    用上面传统的方法经常要考虑当前的变量是否与前面访问的处于同一个页。如果不是在同一个页，则要进行页选择;如果要进行页选择，还要考虑决定调用BANK0还是BANK1、BANK2等。

    当然，单片机开发人员也没有必要每次访问变量时都要考虑变量是在那个页，MPASM 汇编语言提供伪指令BANKSEL可帮助完成页选择，如BANKSEL tempVar1。如果在访问变量时都用这个伪指令进行页选择，则可以避免编程时考虑变量页的问题，但这无疑使程序的效率降低。

    间接寻址访问寄存器是通过INDF和FSR寄存器。INDF不是物理上的寄存器，访问INDF寄存器导致间接寻址，所要访问的寄存器地址由FSR内容给出。FSR是8位的，可以给出地址空间是256字节，而页大小是128字节，所以间接寻址一样存在页选择的问题。但与直接访问的页选择机制不同，它是通过IRP一个位来进行页选择的。当然，这个时候所指的“页”，应该是256字节。

    2 数据存储器使用规划

    在用汇编语言开发的应用系统中，与用高级语言一样存在变量存储特性问题，如在c语言中有元素型的变量(如int、char等)，也有集合型或结构型的(如数组和结构等)。类似地，在汇编语言开发中一样存在单个变量和块类型的变量，如运算过程的临时变量，RS232通信缓冲区的数据指针、数据长度等，这些是元素型变量;也有块类型的变量，如RS232通信的缓冲区等。一般元素型变量在代码中出现频繁，比较适合用直接寻址访问方式，而块类型变量在变量中的出现相对比较集中，比较适合用间接寻址访问方式。

    数据存储器使用规划的方法就是把变量分成元素类型变量和块类型变量，将元素变量都定义在页0(BANK0)，而将缓冲区型的变量都放在其他页(当然，若BANK0有空间，也可将缓冲区变量定义在BANK0)。在访问元素变量时，都用直接寻址，而对于块类型变量都采用间接寻址访问。这样整个程序初始化时就可以将RP1:RP0位设置为00，即选择BANK0，以后访问元素类型变量都不再进行页选择。这样程序开发过程基本就不要考虑分页的问题，可以像MCS-51等其他系列的单片机一样使用变量了。

    当然还有一部分特殊寄存器是定义在BANK2～BANK3之间的。对于访问这些非页0内的特殊寄存器，必须进行页选择。访问完这些特殊寄存器，把页选择重新设置为BANK0，同时要注意在访问特殊寄存器过程中必须关闭中断(这与中断现场保护代码实现有关，参见下面中断处理部分)。在PIC单片机中，一般只是把与设置相关或者与外围相关的寄存器放在BANK1～BANK3。根据经验，除了在系统初始化部分代码中，在其他地方访问这些特殊寄存器是很少见的。至于访问这些特殊寄存器时要关中断，除了考虑下面保护现场的因素外，还有一个原因：这些特殊寄存器多是与外围相关和中断相关的，访问修改它们，从安全可靠角度也是应该要先关闭中断的。对于块类型变量，都统一使用间接选址访问;对于PIC16F873/874芯片，其通用寄存器都在BANK0和BANK1中，如果使用间接选址，则初始化之后，也不存在设置IRP进行页选择的问题。对于876/877芯片，当在访问BANK0～BANK1和BANK2～BANK3之间切换时，还须正确设置IRP位。

    3 中断编程

    中断现场的保护是中断技术中一个很重要的环节。对于PIC16F87x单片机，在进入中断服务程序期间，只有返回地址，即程序计数器PC的值被自动压入硬件堆栈;而在中断处理程序中，一般必须像使用WReg、STATUS等寄存器一样，在中断处理程序开始处，就备份这些寄存器的内容，即进行所谓的现场保护。

    PIC16F87x子系列单片机具备的中断源多达14种，中断矢量只有1个，并且各个中断源之间也没有优先级别之分，不具备非屏蔽中断。PIC单片机中采用的是硬件堆栈结构，不占用程序存储器空间，也不占用数据存储器空间，同时也无需用户去操作堆栈指针;但同时也就决定了它不具备其他单片机指令系统中的压栈(PUSH)和出栈(POP)指令。实现中断现场保护时，不能用堆栈来实现，而是通过变量的复制备份来实现。一般的实现办法是：先确定要保护的现场，一般包括WReg、STATUS等寄存器的内容，然后在各个页都定义与这些寄存器对应的变量，以备份现场。发生中断时，在中断处理代码开始处先将这些现场寄存器内容复制到备份变量，退出中断处理时再复制回去恢复现场：

    ORG 0x004 ;中断向量人口

    movwf w_temp ;保存当前w 寄存器内容

    mov STATUS，w ;将STATUS 寄存器内容复制到w

    movwf status_temp ;保存STATUS寄存器内容

    movf PCLATH，w ;将PCLATH寄存器复制到w

    movw{ pclath_temp ;保存PCLATH 器内容

    ……

    ;中断处理代码放在这里

    ……

    movf pclath_temp，w;

    movwf PCLATH ;恢复PCLATH 寄存器内容

    movf status_temp，w;

    movwf STATUS ;恢复STATUS寄存器内容

    swapf w_temp，f

    swapf w_temp，w ;恢复w 寄存器内容

    retfie ;中断返回

    因为中断发生具有随机性，发生中断时当前的页是哪个也具有不确定性，所以只在某个页(如BANK0)中定义一套备份变量w_temp、status_temp等，处理起来是很麻烦的，也要耗费CPU 处理时间，所以一般在每个页BANK都定义了一套用于备份现场的变量。这显然是浪费空间的办法。

    进行数据存储器的变量规划后，程序的执行过程都是在BANK0，因此在BANK0定义一套备份变量就可以了。要备份的现场包含哪些寄存器，可以根据系统具体情况而定。

    基于上面设计的中断处理程序，总是默认当前的页是BANK0。如果在访问一些不在BANK0的特殊寄存器而没有关闭中断，而刚好此时发生中断，则此时不能正确访问到wREG_TEMP等备份变量了，这种情况就是个错误。

    结语

    用PIC16F87x单片机开发室内监控系统，进行变量的规划，免去大量的页选择问题带来的不便，能够避免分页没处理好而带来程序BUG。PIC系列单片机都有类似的硬件结构和指令系统，所以存储器的规划对于其他PIC系列单片机应该也是起作用的。另外，这也从另一个角度说明，在设计阶段对系统变量的物理存储进行适当的规划，有时会得到意想不到的效果。