pic单片机教程之13位程序计数器存储器的组成

[导读]本节主要讲解PICMicro中档系列单片机13位程序计数器的程序存储器构成。包括存储器寻址方式、存储器分页、程序存储器页之间的跳转实现及相关跳转指令、技术原理。

关键词：程序存储器PIC单片机

单片机的两种存储器模块：程序存储器与数据存储器。每个存储模块都有自己的数据总线，能在同一时间戳内对模块同时进行数据存储与指令操作。

程序存储器构成

中档系列单片机有一个13位的程序计数器，可以寻址8K×14位的程序存储空间。程序存储器总线宽度(指令字)为14位。由于所有的指令均为单字指令，所以一个具有8K×14位程序存储器的器件可以存储8K条指令。很易于确定是否有充足的程序存储空间来实现应用程序。

中档系列单片机把程序存储器分成4页，每页2K字(0h - 7FFh,、800h - FFFh、1000h - 17FFh和1800h - 1FFFh)。图6-1所示为程序存储器映射和一个8级深度硬件堆栈。实际上单片机可能只实现了图中所示存储器的一部分，这与器件型号有关。关于单片机所提供的存储器，请查阅单片机的数据手册。

为了能在程序存储器页之间跳转，必须修改程序计数器(PC)的高位。这是通过在PCLATH(程序计数器高位锁存器)中写入需要的值来完成的。如果指令连续运行，无需任何用户的干预，程序计数器即可以跨越程序页面跨页。对于那些程序存储器不足8K字的器件，访问超过物理地址空间的存储单元时，会回到有效的程序存储空间。也就是说，在一个有4K字存储空间的单片机中，寻址17FFh实际就是寻址7FFh。2K字或更少程序存储空间的器件不需要分页。

复位向量

对于任何单片机，复位都将使程序计数器指向地址0h，我们称这个地址为“复位向量地址”，也就是单片机发生复位时，程序执行的入口地址。

任何复位操作都会将PCLATH寄存器的内容清零。这表明，复位向量地址(0h)处的任何转移指令都将跳转到程序存储器的第0页(PAGE0)。

中断向量

当响应中断时，PC指向地址0004h，我们称这个地址为“中断向量地址”。当PC指向中断向量时，PCLATH寄存器的值并不会被修改。这意味着，在中断服务程序中，在改写PC实现程序跳转前，应按目的地址所处的实际程序页面先设定PCLATH寄存器。在中断服务程序修改PCLATH寄存器前，应将原PCLATH的内容保存起来，以便从中断服务程序返回时恢复PCLATH。

标定信息

某些器件在程序存储器中存储标定信息。在器件最终测试时，Microchip将标定信息写入程序存储器。应用程序利用这些值可以获得更好的运行结果。标定信息通常放在程序存储器的末尾，并以RETLW指令形式实现，该指令所带的立即数就是标定信息。

*注：对于窗口型器件，在擦除器件内容前(同时会擦除标定信息)，务必先记下所有的标定值。这样在重新烧写器件时能恢复标定值。建议将标定值写在封装上。

程序计数器(PC)

程序计数器指定要取出执行的指令的地址，其宽度为13位，其中低8位来自PCL寄存器，该寄存器可读写的，而高5位(PC<12:8>)来自PCH寄存器(不可直接读写)。PCH寄存器的值只能通过PCLATH寄存器来更新。

图6-2所示为装载PC值的四种情况。情况1为写PCL时，如何装载PC(PCLATH<4:0>→PCH);情况2为执行GOTO指令时，如何装载PC(PCLATH<4:3>→ PCH);情况3为执行CALL指令时，如何装载PC(PCLATH<4:3> → PCH)以及PC值如何压入栈顶;情况4为执行返回指令时，如何装载PC，此时PC值从栈顶装载(弹出)。

相对跳转指令

程序的相对跳转指令是通过向程序计数器加一个偏移量来实现的(ADDWF PCL)，当使用相对跳转指令方法对表进行读操作时，要注意表地址是否超过了PCL寄存器的寻址范围(每块256个字节)。

*注：对程序计数器(PCL)的任何写操作，都会使PCLATH的低五位装载到PCH中。

堆栈

堆栈允许8级深度的子程序嵌套调用和中断。堆栈包含了程序执行分支的返回地址。

中档系列单片机有一个8级深度、13位宽的硬件堆栈。堆栈既不占用程序存储空间也不占用数据存储空间，栈指针不能读写。当执行CALL指令或响应中断发生跳转时，PC值被压入堆栈(PUSH)。而执行RETURN、RETLW或RETFIE指令时，PC值从堆栈弹出(POP)。执行压栈或出栈操作时，不会修改PCLATH寄存器。 压栈(PUSH)8次之后，进行第9次压栈时，进栈的数据将覆盖第1次压栈存储的数据，而第10次压栈时进栈的数据将覆盖第2次压栈存储的数据，依此类推。一个堆栈被覆盖的例子如图6-3所示。

*注1：没有用于表示堆栈溢出或堆栈下溢条件的状态位。

*注2：没有称为PUSH或POP的指令或助记符。而实现类似效果的操作是执行CALL、RETURN、RETLW和RETFIE指令，或转到中断向量地址。

程序存储器分页

某些器件的程序存储器空间大于2K字，但是CALL和GOTO指令只有11位地址范围，这11位地址只允许在2K存储空间范围内跳转。为了使CALL和GOTO指令可以访问整个8K的程序存储地址范围，必须有另外两位来指定程序存储器页。将PCLATH<4:3>位作为页面选择位(图6-2)。在执行CALL或GOTO指令前，用户必须确保正确设置页面选择位PCLATH<4:3>，以便指向需要的程序存储页面(图6-2)。当执行一条返回指令时，整个13位PC地址值都从堆栈弹出，不需要再对PCLATH<4:3>位进行设置。

*注：当器件的程序存储器空间小于或等于2K字时，可忽略用来存取有多个页面的程序存储器的页面选择位(PCLATH<4:3>)。但不推荐将PCLATH<4:3>位作为一般读写位使用，因为这样做可能影响与将来产品的向上兼容性。对于程序存储器空间在2K到4K字之间的器件，可忽略页面选择位PCLATH<4>，因为它是用来寻址2、3页(1000h～1FFFh)的。通常也不推荐将PCLATH<4>作为一般读写位使用，因为这样做可能影响与将来产品的向上兼容性。

例6-1是调用在程序存储器第1页上子程序的例子。本例假使PCLATH寄存器由中断服务程序保存和恢复(如果使用了中断)。

例6-1：从第0页调用第1页的子程序