Il PIC 16F84, un microcontrollore integrato in un chip da 18 pin con ben 13 linee di I/O ed una memoria di tipo FLASH.
. E' un microcontrollore a 8 bit della Microchip che si presenta in un
contenitore a 18 piedini. L'integrato richiede una tensione di alimentazione
compresa tra 2V e 6V (valore tipico di 5V) da applicare ai terminali indicati
con VDD (terminale positivo) e Vss (terminale di massa GND). I pin OSC1/CLKIN
e OSC2/CLKOUT devono essere collegati ad un circuito oscillatore, ad esempio
un quarzo o una rete RC, per generare il clock di sistema. La frequenza
massima di tale segnale è di 10 MHz (20 MHz per il modello 16F84A).
Nelle applicazioni che seguono si farà uso di un circuito oscillante
che utilizza un quarzo di 4MHz
L'unità centrale di
elaborazione CPU è di tipo RISC (Reduced
Instruction Set Computer) con un set di istruzioni ridotto a sole 35
istruzioni in grado di elaborare dati a 8 bit con già inclusi
i metodi di indirizzamento immediato, diretto ed indiretto. II modo
di operare sfrutta la tecnica denominata pipeline a 2 stati per cui
mentre viene eseguita un'istruzione, contemporaneamente viene caricata
l'istruzione successiva nel registro delle istruzioni per la decodifica.
Ciò si traduce in una riduzione del tempo di esecuzione di ciascuna
istruzione.
In particolare, se si escludono le istruzioni di salto che richiedono
due cicli macchina, il tempo di esecuzione di una istruzione ha una
durata pari ad un ciclo macchina che corrisponde a 4 impulsi di clock.
Pertanto, se la frequenza di clock è fCK = 4MHz il tempo richiesto
per eseguire un'istruzione vale 4TcK = 1 µs.
La CPU (Central Processing Unit) è in diretta connessione con
l'unità aritmetica e logica ALU per svolgere tutte le operazioni
imposte dal programma.
Il PIC si avvale di 15 registri speciali. In particolare il registro
accumulatore W è un registro interno privilegiato ampiamente
utilizzato dal microcontrollore per svolgere moltissime operazioni come
somma, sottrazione, memorizzazione temporanea dei dati, ecc. Un registro
fondamentale per il funzionamento del microcontrollore è il Program
Counter PC. E' un registro contatore che si incrementa automaticamente
durante l'esecuzione di un programma in modo da contenere l'indirizzo
della successiva istruzione che deve essere eseguita. Solo nel caso
di istruzioni di salto il suo valore viene modificato in modo da contenere
l'indirizzo dell'istruzione relativa al salto. Dopo un comando di RESET
il registro PC è azzerato e punta alla locazione OOOOH della
memoria di programma che deve, pertanto, contenere la prima istruzione
da eseguire. Il RESET del PIC si realizza ad hardware portando la linea
MCLR (pin 4) al livello basso. Tale linea deve essere tenuta, normalmente,
al livello alto VDD.
L'integrato dispone di 13 linee bidirezionali di UO; 5 indicate con
RAO... RA4 costituiscono la PORTA A e 8 con RBO RB7 la PORTA B. Ciascuna
linea può essere programmata come Input o come Output ed è
in grado di assorbire (sink current) fino a 25mA ed erogarne (source
current) fino a 2OmA.
Schema a blocchi di funzionamento del dispositivo.
L'utilizzo
efficiente della pipeline dipende molto dall'uniformità
delle istruzioni. Se i tempi di esecuzione delle singole fasi fossero
infatti diversi da istruzione ad istruzione, si correrebbe il rischio
di sospendere uno stadio, in attesa che l'istruzione precedente termini
lo stadio successivo. Una caratteristica importante in questo senso è
data dalla lunghezza delle istruzioni. Se le istruzioni avessero lunghezze
diverse (come nel caso dell'architettura Motorola 68K o CISC), la fase
di fetch potrebbe richiedere degli accessi aggiuntivi alla memoria, e
pertanto non sarebbe caratterizzata da un tempo di esecuzione costante,
come invece avverrebbe se tutte le istruzioni avessero sempre la stessa
lunghezza.
Istruzioni di uguale lunghezza sono caratteristiche delle architetture
RISC, che sono in generale caratterizzate da un set semplificato di istruzioni
rispetto alle architetture CISC (Complex Instruction Set Computer), ma
che richiedono un tempo di esecuzione assai più breve.
La differenza filosofica tra le architetture RISC e CISC è che mentre in quest'ultima si cercava di fornire istruzioni potenti (tipicamente realizzate tramite la microprogrammazione), nelle architetture RISC vengono favorite le istruzioni semplici (realizzate direttamente in hardware), anche a costo di dover eseguire una sequenza di istruzioni semplici al posto di una singola istruzione più potente. Si è infatti osservato che nella maggioranza dei casi i programmi sono formati da istruzioni semplici, e pertanto il guadagno in performance velocizzando queste ultime risulta maggiore dell'eventuale perdita dovuta al fatto che più istruzioni sono richieste per operazioni più complesse, ma che avvengono con minore frequenza.
Oltre alla stessa lunghezza delle istruzioni, all'organizzazione hardwired ed alla minore dimensione del set di istruzioni, le istruzioni in un'architettura RISC sono caratterizzate da una notevole riduzione delle modalità di indirizzamento che fa si che il numero di cicli di clock necessario per l'esecuzione di un singolo stadio sia circa pari ad 1. Ciò significa che, in assenza di hazards, il tempo medio di esecuzione è di un periodo di clock per istruzione nelle architetture RISC. Se poi gli stadi vengono replicati nella CPU (architetture superscalari) consentendo quindi l'esecuzione parallela dello stesso stadio da parte di più di un'istruzione, il tempo medio di esecuzione risulta essere inferiore al periodo di clock.
Un'altra caratteristica dei processori RISC è data dall'elevato numero di registri (normalmente > 32) che consentono quindi di ridurre la necessità di accedere alla memoria esterna.
Va infine osservato che un programma in assembly per un processore RISC risulta più difficile da comprendere, ed è tipicamente più lungo di un programma equivalente per un processore CISC. Si deve tuttavia tener conto che tali programmi sono tipicamente prodotti da un compilatore, che potrà inoltre applicare una serie di ottimizzazioni per sfruttare al meglio le potenzialità della particolare architettura.
Piedinatura dell' integrato
RA0-RA4
sono le linee della porta A configurabili separatamente come IN o OUT.
RB0-RB7 sono le linee della porta B configurabili separatamente
come IN o OUT.
MCLR è il master reset utile per resettare il
PIC a livello hardware (normalmente a livello +Vcc,
si porta a livello 0 per il reset).
Vss alimentazione positiva da 2 a 5,5 volt.
Vdd massa.
RB0 è il pin che in programmazione può
essere usato per gestire interrupt esterni.
OSC1 e OSC2 pin utilizzati per il
clock tramite quarzo oppure con rete RC, CLKIN può
essere usato per inviare un clock esterno.
RB6 e RB7 vengono usati in programmazione
rispettivamente come DATA e come CLOCK.
Il PIC 16F84A ha una configurazione in memoria come segue:
Concettualmente
il principio di funzionamento di un PIC è molto semplice:
Lo stack (una locazione di memoria) mantiene l'indice dell'istruzione
da eseguire, ogni ciclo di clock viene eseguita l'istruzione indicata
dallo stack seguendo riga per riga il programma memorizzato nella EEPROM
accedendo ad una memoria unica chiamata accumulatore. Nella RAM vengono
salvati i dati temporanei e una volta spento il PIC vengono persi. Per
memorizzare invece dei dati in modo permanente c'è a disposizione
una EEPROM. Esistono alcune locazioni di memoria prefissate e chiamate
Register che contengono tutti i dati di configurazione e permettono di
definire ad esempio quali linee sono di ingresso e quali di uscita, se
si usano interrupt, se si usa il timer ecc... Tutti i PIC hanno grosso
modo la stessa configurazione di memoria ma cambia la quantità
disponibile.